4.3: Células eucariotas
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- Describir la estructura de las células eucariotas
- Comparar células animales con células vegetales
- Indicar el papel de la membrana plasmática
- Resumir las funciones de los orgánulos celulares principales
¿Alguna vez has escuchado la frase “la forma sigue a la función?” Es una filosofía practicada en muchas industrias. En arquitectura, esto significa que se deben construir edificios para apoyar las actividades que se llevarán a cabo en su interior. Por ejemplo, se debe construir un rascacielos con varios bancos de elevadores; se debe construir un hospital para que su sala de emergencias sea fácilmente accesible.
Nuestro mundo natural también utiliza el principio de la función de seguimiento de la forma, especialmente en biología celular, y esto quedará claro a medida que exploremos las células eucariotas (Figura\(\PageIndex{1}\)). A diferencia de las células procariotas, las células eucariotas tienen: 1) un núcleo unido a la membrana; 2) numerosos orgánulos unidos a la membrana como el retículo endoplásmico, aparato de Golgi, cloroplastos, mitocondrias y otros; y 3) varios cromosomas en forma de varilla. Debido a que el núcleo de una célula eucariota está rodeado por una membrana, a menudo se dice que tiene un “núcleo verdadero”. La palabra “orgánulo” significa “pequeño órgano” y, como ya se mencionó, los orgánulos tienen funciones celulares especializadas, así como los órganos de tu cuerpo tienen funciones especializadas.
En este punto, debe tener claro que las células eucariotas tienen una estructura más compleja que las células procariotas. Los orgánulos permiten que diferentes funciones sean compartimentadas en diferentes áreas de la célula. Antes de pasar a los orgánulos, examinemos primero dos componentes importantes de la célula: la membrana plasmática y el citoplasma.
Ejercicio\(\PageIndex{1}\)
Si el nucleolo no pudiera llevar a cabo su función, ¿qué otros orgánulos celulares se verían afectados?
La Membrana Plasma
Al igual que los procariotas, las células eucariotas tienen una membrana plasmática (Figura\(\PageIndex{2}\)), una bicapa de fosfolípidos con proteínas incrustadas que separa el contenido interno de la célula de su entorno circundante. Un fosfolípido es una molécula lipídica con dos cadenas de ácidos grasos y un grupo que contiene fosfato. La membrana plasmática controla el paso de moléculas orgánicas, iones, agua y oxígeno dentro y fuera de la célula. Los desechos (como el dióxido de carbono y el amoníaco) también salen de la célula al pasar a través de la membrana plasmática.
Las membranas plasmáticas de células que se especializan en absorción se pliegan en proyecciones similares a dedos llamadas microvellosidades (singular = microvellosidades); (Figura\(\PageIndex{3}\)). Tales células se encuentran típicamente revestiendo el intestino delgado, el órgano que absorbe los nutrientes de los alimentos digeridos. Este es un excelente ejemplo de la función de seguimiento de la forma. Las personas con enfermedad celíaca tienen una respuesta inmune al gluten, que es una proteína que se encuentra en el trigo, la cebada y el centeno. La respuesta inmune daña las microvellosidades y, por lo tanto, los individuos afectados no pueden absorber nutrientes. Esto lleva a desnutrición, calambres y diarrea. Los pacientes que padecen enfermedad celíaca deben seguir una dieta sin gluten.
El citoplasma
El citoplasma es la región completa de una célula entre la membrana plasmática y la envoltura nuclear (una estructura que se discutirá en breve). Se compone de orgánulos suspendidos en el citosol gelatinoso, el citoesqueleto y diversos químicos (Figura\(\PageIndex{1}\)). A pesar de que el citoplasma consiste en 70 a 80 por ciento de agua, tiene una consistencia semisólida, la cual proviene de las proteínas que contiene. Sin embargo, las proteínas no son las únicas moléculas orgánicas que se encuentran en el citoplasma. Allí también se encuentran glucosa y otros azúcares simples, polisacáridos, aminoácidos, ácidos nucleicos, ácidos grasos y derivados del glicerol. Los iones de sodio, potasio, calcio y muchos otros elementos también se disuelven en el citoplasma. Muchas reacciones metabólicas, incluida la síntesis de proteínas, tienen lugar en el citoplasma.
El Núcleo
Por lo general, el núcleo es el orgánulo más prominente en una célula (Figura\(\PageIndex{1}\)). El núcleo (plural = núcleos) alberga el ADN de la célula y dirige la síntesis de ribosomas y proteínas. Veamos con más detalle (Figura\(\PageIndex{4}\)).
La envolvente nuclear
La envoltura nuclear es una estructura de doble membrana que constituye la porción más externa del núcleo (Figura\(\PageIndex{4}\)). Tanto la membrana interna como la externa de la envoltura nuclear son bicapas fosfolipídicas.
La envoltura nuclear está salpicada de poros que controlan el paso de iones, moléculas y ARN entre el nucleoplasma y el citoplasma. El nucleoplasma es el fluido semisólido dentro del núcleo, donde encontramos la cromatina y el nucleolo.
Cromatina y Cromosomas
Para entender la cromatina, es útil considerar primero los cromosomas. Los cromosomas son estructuras dentro del núcleo que están compuestas por ADN, el material hereditario. Quizás recuerdes que en los procariotas, el ADN se organiza en un solo cromosoma circular. En los eucariotas, los cromosomas son estructuras lineales. Cada especie eucariota tiene un número específico de cromosomas en los núcleos de las células de su cuerpo. Por ejemplo, en los humanos, el número de cromosomas es 46, mientras que en las moscas de la fruta, es de ocho. Los cromosomas sólo son visibles y distinguibles entre sí cuando la célula se está preparando para dividirse. Cuando la célula se encuentra en las fases de crecimiento y mantenimiento de su ciclo de vida, las proteínas se unen a los cromosomas, y se asemejan a un manojo desenrollado y desenrollado de hilos. Estos complejos proteína-cromosoma desenrollados se denominan cromatina (Figura\(\PageIndex{5}\)); la cromatina describe el material que conforma los cromosomas tanto cuando se condensan como descondensados.
El Nucleolo
Ya sabemos que el núcleo dirige la síntesis de ribosomas, pero ¿cómo hace esto? Algunos cromosomas tienen secciones de ADN que codifican ARN ribosómico. Un área de tinción oscura dentro del núcleo llamada nucleolo (plural = nucleolos) agrega el ARN ribosómico con proteínas asociadas para ensamblar las subunidades ribosómicas que luego son transportadas a través de los poros en la envoltura nuclear hasta el citoplasma.
Ribosomas
Los ribosomas son las estructuras celulares responsables de la síntesis de proteínas. Cuando se ven a través de un microscopio electrónico, los ribosomas aparecen como racimos (poliribosomas) o puntos simples y diminutos que flotan libremente en el citoplasma. Se pueden unir al lado citoplásmico de la membrana plasmática o al lado citoplásmico del retículo endoplásmico y a la membrana externa de la envoltura nuclear (Figura\(\PageIndex{1}\)). La microscopía electrónica nos ha demostrado que los ribosomas, que son grandes complejos de proteína y ARN, consisten en dos subunidades, acertadamente llamadas grandes y pequeñas (Figura\(\PageIndex{6}\)). Los ribosomas reciben sus “órdenes” para la síntesis de proteínas desde el núcleo donde se transcribe el ADN en ARN mensajero (ARNm). El ARNm viaja a los ribosomas, los cuales traducen el código proporcionado por la secuencia de las bases nitrogenadas en el ARNm en un orden específico de aminoácidos en una proteína. Los aminoácidos son los bloques de construcción de las proteínas.
Debido a que la síntesis de proteínas es una función esencial de todas las células (incluyendo enzimas, hormonas, anticuerpos, pigmentos, componentes estructurales y receptores de superficie), los ribosomas se encuentran en prácticamente todas las células. Los ribosomas son particularmente abundantes en células que sintetizan grandes cantidades de proteína. Por ejemplo, el páncreas se encarga de crear varias enzimas digestivas y las células que producen estas enzimas contienen muchos ribosomas. Así, vemos otro ejemplo de la función de seguimiento de la forma.
Mitocondrias
Las mitocondrias (singular = mitocondrias) a menudo se llaman las “centrales eléctricas” o “fábricas de energía” de una célula porque son responsables de producir trifosfato de adenosina (ATP), la principal molécula portadora de energía de la célula. ATP representa la energía almacenada a corto plazo de la célula. La respiración celular es el proceso de producción de ATP utilizando la energía química que se encuentra en la glucosa y otros nutrientes. En las mitocondrias, este proceso utiliza oxígeno y produce dióxido de carbono como producto de desecho. De hecho, el dióxido de carbono que exhalas con cada respiración proviene de las reacciones celulares que producen dióxido de carbono como subproducto.
De acuerdo con nuestro tema de la función de seguimiento de la forma, es importante señalar que las células musculares tienen una concentración muy alta de mitocondrias que producen ATP. Tus células musculares necesitan mucha energía para mantener tu cuerpo en movimiento. Cuando tus células no reciben suficiente oxígeno, no producen mucho ATP. En cambio, la pequeña cantidad de ATP que producen en ausencia de oxígeno va acompañada de la producción de ácido láctico.
Las mitocondrias son orgánulos de doble membrana de forma ovalada (Figura\(\PageIndex{7}\)) que tienen sus propios ribosomas y ADN. Cada membrana es una bicapa de fosfolípidos incrustada con proteínas. La capa interna tiene pliegues llamados cristae. El área rodeada por los pliegues se llama matriz mitocondrial. Las cristae y la matriz tienen diferentes roles en la respiración celular.
Peroxisomas
Los peroxisomas son orgánulos pequeños y redondos encerrados por membranas individuales. Realizan reacciones de oxidación que descomponen los ácidos grasos y aminoácidos. También desintoxican muchos venenos que pueden ingresar al cuerpo. (Muchas de estas reacciones de oxidación liberan peróxido de hidrógeno, H 2 O 2, lo que sería perjudicial para las células; sin embargo, cuando estas reacciones se limitan a peroxisomas, las enzimas descomponen de manera segura el H 2 O 2 en oxígeno y agua). Por ejemplo, el alcohol es desintoxicado por peroxisomas en las células hepáticas. Los glioxisomas, que son peroxisomas especializados en las plantas, se encargan de convertir las grasas almacenadas en azúcares.
Vesículas y Vacuolas
Las vesículas y vacuolas son sacos unidos a la membrana que funcionan en el almacenamiento y transporte. Aparte del hecho de que las vacuolas son algo más grandes que las vesículas, existe una distinción muy sutil entre ellas: Las membranas de las vesículas pueden fusionarse ya sea con la membrana plasmática u otros sistemas de membrana dentro de la célula. Adicionalmente, algunos agentes como las enzimas dentro de las vacuolas vegetales descomponen las macromoléculas. La membrana de una vacuola no se fusiona con las membranas de otros componentes celulares.
Células animales versus células vegetales
En este punto, se sabe que cada célula eucariota tiene una membrana plasmática, citoplasma, un núcleo, ribosomas, mitocondrias, peroxisomas, y en algunos, vacuolas, pero hay algunas diferencias llamativas entre células animales y vegetales. Si bien tanto las células animales como las vegetales tienen centros organizadores de microtúbulos (MTOC), las células animales también tienen centriolos asociados con el MTOC: un complejo llamado centrosoma. Las células animales tienen cada una un centrosoma y lisosomas, mientras que las células vegetales no. Las células vegetales tienen una pared celular, cloroplastos y otros plastidios especializados, y una gran vacuola central, mientras que las células animales no.
El Centrosoma
El centrosoma es un centro organizador de microtúbulos que se encuentra cerca de los núcleos de las células animales. Contiene un par de centriolos, dos estructuras que se encuentran perpendiculares entre sí (Figura\(\PageIndex{8}\)). Cada centriolo es un cilindro de nueve tripletes de microtúbulos.
El centrosoma (el orgánulo donde se originan todos los microtúbulos) se replica antes de que una célula se divida, y los centriolos parecen tener algún papel en tirar de los cromosomas duplicados a los extremos opuestos de la célula en división. Sin embargo, la función exacta de los centriolos en la división celular no está clara, porque las células a las que se les ha quitado el centrosoma aún pueden dividirse, y las células vegetales, que carecen de centrosomas, son capaces de dividirse celular.
Lisosomas
Las células animales tienen otro conjunto de orgánulos que no se encuentran en las células vegetales: los lisosomas. Los lisosomas son el “triturador de basura” de la célula. En las células vegetales, los procesos digestivos tienen lugar en vacuolas. Las enzimas dentro de los lisosomas ayudan a la descomposición de proteínas, polisacáridos, lípidos, ácidos nucleicos e incluso orgánulos gastados. Estas enzimas son activas a un pH mucho menor que el del citoplasma. Por lo tanto, el pH dentro de los lisosomas es más ácido que el pH del citoplasma. Muchas reacciones que tienen lugar en el citoplasma no podrían ocurrir a un pH bajo, por lo que nuevamente, es evidente la ventaja de compartimentalizar la célula eucariota en orgánulos.
La pared celular
Si examina la Figura\(\PageIndex{1}\) b, el diagrama de una célula vegetal, verá una estructura externa a la membrana plasmática llamada pared celular. La pared celular es una cubierta rígida que protege la celda, proporciona soporte estructural y da forma a la celda. Las células fúngicas y de protistán también tienen paredes celulares. Si bien el componente principal de las paredes celulares procariotas es el peptidoglicano, la principal molécula orgánica en la pared celular vegetal es la celulosa (Figura\(\PageIndex{9}\)), un polisacárido compuesto por unidades de glucosa. ¿Alguna vez te has dado cuenta de que cuando muerdes una verdura cruda, como el apio, cruje? Eso es porque estás desgarrando las paredes celulares rígidas de las celdas de apio con tus dientes.
Cloroplastos
Al igual que las mitocondrias, los cloroplastos tienen su propio ADN y ribosomas, pero los cloroplastos tienen una función completamente diferente. Los cloroplastos son orgánulos de células vegetales que llevan a cabo la fotosíntesis. La fotosíntesis es la serie de reacciones que utilizan dióxido de carbono, agua y energía lumínica para producir glucosa y oxígeno. Esta es una diferencia importante entre plantas y animales; las plantas (autótrofos) son capaces de hacer su propio alimento, como los azúcares, mientras que los animales (heterótrofos) deben ingerir su alimento.
Al igual que las mitocondrias, los cloroplastos tienen membranas externas e internas, pero dentro del espacio encerrado por la membrana interna de un cloroplasto hay un conjunto de sacos de membrana rellenos de fluido interconectados y apilados llamados tilacoides (Figura\(\PageIndex{10}\)). Cada pila de tilacoides se llama gránulo (plural = grana). El fluido encerrado por la membrana interna que rodea a la grana se llama estroma.
Los cloroplastos contienen un pigmento verde llamado clorofila, que captura la energía lumínica que impulsa las reacciones de la fotosíntesis. Al igual que las células vegetales, los protistas fotosintéticos también tienen cloroplastos. Algunas bacterias realizan la fotosíntesis, pero su clorofila no es relegada a un orgánulo.
Conexión Evolutiva: Endosimbiosis
Hemos mencionado que tanto las mitocondrias como los cloroplastos contienen ADN y ribosomas. ¿Te has preguntado por qué? Fuertes evidencias apuntan a la endosimbiosis como explicación.
La simbiosis es una relación en la que organismos de dos especies separadas dependen entre sí para su supervivencia. La endosimbiosis (endo- = “dentro”) es una relación mutuamente beneficiosa en la que un organismo vive dentro del otro. Las relaciones endosimbióticas abundan en la naturaleza. Ya hemos mencionado que los microbios que producen vitamina K viven dentro del intestino humano. Esta relación es beneficiosa para nosotros porque somos incapaces de sintetizar la vitamina K. También es beneficiosa para los microbios porque están protegidos de otros organismos y de la desecación, y reciben abundante comida del ambiente del intestino grueso.
Los científicos han notado desde hace mucho tiempo que las bacterias, las mitocondrias y los cloroplastos son similares en tamaño. También sabemos que las bacterias tienen ADN y ribosomas, así como lo hacen las mitocondrias y los cloroplastos. Los científicos creen que las células hospedadoras y las bacterias formaron una relación endosimbiótica cuando las células hospedadoras ingirieron bacterias tanto aeróbicas como autotróficas (cianobacterias) pero no las destruyeron. A través de muchos millones de años de evolución, estas bacterias ingeridas se especializaron más en sus funciones, con las bacterias aeróbicas convirtiéndose en mitocondrias y las bacterias autótrofas convirtiéndose en cloroplastos.
La Vacuola Central
Anteriormente, mencionamos las vacuolas como componentes esenciales de las células vegetales. Si miras la Figura\(\PageIndex{1}\) b, verá que cada una de las células vegetales tiene una gran vacuola central que ocupa la mayor parte del área de la célula. La vacuola central juega un papel clave en la regulación de la concentración de agua de la célula en condiciones ambientales cambiantes. ¿Alguna vez te has dado cuenta de que si olvidas regar una planta por unos días, se marchita? Eso es porque a medida que la concentración de agua en el suelo se vuelve más baja que la concentración de agua en la planta, el agua sale de las vacuolas centrales y el citoplasma. A medida que la vacuola central se encoge, deja la pared celular sin soporte. Esta pérdida de soporte a las paredes celulares de las células vegetales da como resultado el aspecto marchitado de la planta.
La vacuola central también soporta la expansión de la célula. Cuando la vacuola central retiene más agua, la célula se hace más grande sin tener que invertir mucha energía en sintetizar nuevo citoplasma.
Resumen
Al igual que una célula procariota, una célula eucariota tiene una membrana plasmática, citoplasma y ribosomas, pero una célula eucariota es típicamente más grande que una célula procariota, tiene un núcleo verdadero (es decir, su ADN está rodeado por una membrana) y tiene otros orgánulos unidos a la membrana que permiten la compartimentación de funciones. La membrana plasmática es una bicapa de fosfolípidos incrustada con proteínas. El nucleolo del núcleo es el sitio de ensamblaje del ribosoma. Los ribosomas se encuentran en el citoplasma o unidos al lado citoplásmico de la membrana plasmática o retículo endoplásmico. Realizan síntesis de proteínas. Las mitocondrias participan en la respiración celular; son responsables de la mayoría del ATP producido en la célula. Los peroxisomas hidrolizan ácidos grasos, aminoácidos y algunas toxinas. Las vesículas y vacuolas son compartimentos de almacenamiento y transporte. En las células vegetales, las vacuolas también ayudan a descomponer las macromoléculas.
Las células animales también tienen un centrosoma y lisosomas. El centrosoma tiene dos cuerpos perpendiculares entre sí, los centriolos, y tiene un propósito desconocido en la división celular. Los lisosomas son los orgánulos digestivos de las células animales.
Las células vegetales y las células similares a las plantas tienen una pared celular, cloroplastos y una vacuola central. La pared celular de la planta, cuyo componente principal es la celulosa, protege la célula, proporciona soporte estructural y da forma a la célula. La fotosíntesis se realiza en cloroplastos. La vacuola central puede expandirse sin tener que producir más citoplasma.
Conexiones de arte
Figura\(\PageIndex{1}\): Si el nucleolo no pudiera llevar a cabo su función, ¿qué otros orgánulos celulares se verían afectados?
- Contestar
-
Los ribosomas libres y el retículo endoplásmico rugoso (que contiene ribosomas) no podrían formarse.
Glosario
- pared celular
- cubierta rígida de la célula hecha de celulosa que protege la célula, proporciona soporte estructural, y da forma a la célula
- vacuola central
- orgánulo de células vegetales grandes que regula el compartimento de almacenamiento de la célula, retiene agua y juega un papel importante en el crecimiento celular como sitio de degradación de macromoléculas
- centrosoma
- región en células animales compuesta por dos centriolos
- clorofila
- pigmento verde que captura la energía lumínica que impulsa las reacciones lumínicas de la fotosíntesis
- cloroplasto
- orgánulo de células vegetales que realiza fotosíntesis
- cromatina
- Complejo proteína-ADN que sirve como material de construcción de los cromosomas
- cromosoma
- estructura dentro del núcleo que se compone de cromatina que contiene ADN, el material hereditario
- citoplasma
- región completa entre la membrana plasmática y la envoltura nuclear, que consiste en orgánulos suspendidos en el citosol similar a un gel, el citoesqueleto y diversos productos químicos
- citosol
- material gelatinoso del citoplasma en el que se suspenden las estructuras celulares
- célula eucariota
- célula que tiene un núcleo unido a la membrana y varios otros compartimentos o sacos unidos a la membrana
- lisosoma
- organelo en una célula animal que funciona como componente digestivo de la célula; descompone proteínas, polisacáridos, lípidos, ácidos nucleicos e incluso orgánulos gastados
- mitocondrias
- (singular = mitocondria) orgánulos celulares encargados de llevar a cabo la respiración celular, dando como resultado la producción de ATP, la principal molécula portadora de energía de la célula
- envolvente nuclear
- estructura de doble membrana que constituye la porción más externa del núcleo
- nucleolo
- cuerpo de tinción oscura dentro del núcleo que se encarga de ensamblar las subunidades de los ribosomas
- nucleoplasma
- fluido semisólido dentro del núcleo que contiene la cromatina y el nucleolo
- núcleo
- orgánulo celular que aloja el ADN de la célula y dirige la síntesis de ribosomas y proteínas
- orgánulo
- compartimento o saco dentro de una celda
- peroxisoma
- organelo pequeño y redondo que contiene peróxido de hidrógeno, oxida ácidos grasos y aminoácidos, y desintoxica muchos venenos
- membrana plasmática
- bicapa fosfolipídica con proteínas incrustadas (integrales) o unidas (periféricas) y separa el contenido interno de la célula de su entorno circundante
- ribosoma
- estructura celular que lleva a cabo la síntesis de proteínas
- vacuola
- Saco unido a membrana, algo más grande que una vesícula, que funciona en el almacenamiento y transporte celular
- vesícula
- saco pequeño unido a membrana que funciona en el almacenamiento y transporte celular; su membrana es capaz de fusionarse con la membrana plasmática y las membranas del retículo endoplásmico y aparato de Golgi