3.1.1: Estructura celular

Objetivos de aprendizaje

• Explicar las características distintivas de las células procariotas
• Describir las morfologías celulares comunes y las disposiciones celulares típicas de las células procariotas y explicar cómo las células mantienen su morfología
• Describir las estructuras internas y externas de las células procariotas en términos de su estructura física, estructura química y función
• Comparar las características distintivas de las células bacterianas y arqueas

La teoría celular afirma que la célula es la unidad fundamental de la vida. Sin embargo, las células varían significativamente en tamaño, forma, estructura y función. En el nivel de construcción más simple, todas las celdas poseen algunos componentes fundamentales. Estos incluyen citosol (una sustancia similar a un gel compuesta por agua y químicos disueltos necesarios para el crecimiento), que está contenido dentro de una membrana plasmática (también llamada membrana celular o membrana citoplásmica); uno o más cromosomas (ADN condensado y proteínas), que contienen los planos genéticos de la célula; y los ribosomas, orgánulos utilizados para la síntesis de proteínas.

Más allá de estos componentes básicos, las células pueden variar mucho entre organismos, e incluso dentro del mismo organismo multicelular. Las dos categorías más grandes de células, las células procariotas y las células eucariotas, se definen por diferencias importantes en varias estructuras celulares. Las células procariotas (Figura\(\PageIndex{1}\)) carecen de un núcleo rodeado por una membrana nuclear compleja y generalmente tienen un solo cromosoma circular localizado en un nucleoide. Los microorganismos procariotas se clasifican dentro de los dominios Archaea y Bacteria.

Las estructuras dentro de una célula son análogas a los órganos dentro de un cuerpo humano, con estructuras únicas adecuadas para funciones específicas. Algunas de las estructuras que se encuentran en las células procariotas son similares a las que se encuentran en algunas células eucariotas; otras son exclusivas de procariotas. Aunque hay algunas excepciones, las células eucariotas tienden a ser más grandes que las células procariotas. El tamaño comparativamente mayor de las células eucariotas dicta la necesidad de compartimentar diversos procesos químicos dentro de diferentes áreas de la célula, utilizando orgánulos complejos unidos a la membrana. En contraste, las células procariotas generalmente carecen de orgánulos unidos a la membrana; sin embargo, a menudo contienen inclusiones que compartimentalizan su citoplasma. La Figura\(\PageIndex{1}\) ilustra estructuras típicamente asociadas con células procariotas. Estas estructuras se describen con más detalle en la siguiente sección.

Figura\(\PageIndex{1}\): Una célula procariota típica contiene una membrana celular, ADN cromosómico que se concentra en un nucleoide, ribosomas y una pared celular. Algunas células procariotas también pueden poseer flagelos, pili, fimbrias y cápsulas. Texto descriptivo: La capa externa gruesa se llama cápsula, dentro de esa hay una pared celular más delgada y en su interior hay una membrana plasmática aún más delgada. Dentro de la membrana plasmática hay un fluido llamado citoplasma, pequeños puntos llamados ribosomas, pequeñas esferas llamadas inclusiones, un pequeño bucle de ADN llamado plásmido, y un gran loo plegado de ADN llamado nucleoide. Las proyecciones largas comienzan en la membrana plasmática y se extienden fuera de la cápsula; estas se llaman flagelos (singular: flagelo). Una proyección más corta se etiqueta pilus. Y muchas proyecciones muy cortas se etiquetan fimbrias.

Morfologías y arreglos celulares comunes

Las células individuales de un organismo procariota particular son típicamente similares en forma o morfología celular. Aunque se han identificado miles de organismos procariotas, solo un puñado de morfologías celulares se ven comúnmente microscópicamente. La figura\(\PageIndex{2}\) nombra e ilustra las morfologías celulares que se encuentran comúnmente en células procariotas. Además de la forma celular, las células procariotas de la misma especie pueden agruparse en ciertos arreglos distintivos dependiendo del plano de división celular. Algunas disposiciones comunes se muestran en la Figura\(\PageIndex{3}\).

Figura\(\PageIndex{2}\): Morfologías celulares comúnmente encontradas en células procariotas. Texto descriptivo: El término Cucs (plural: cocos) es el nombre dado a formas redondas, esféricas. El término bacilo (plural: bacilos) es el nombre que se le da a las células en forma de bastón. Estas celdas tienen forma de rectángulos largos y redondeados. El término vibrio (plural vibrios) es el nombre que se le da a las varillas curvas, estas celdas tienen forma como una coma larga. El término coccobacilos (coccobacilos plurales) es el nombre para los bastones cortos; estas células parecen óvalos. El término spirillum (plural spirilla) es el nombre de celdas espirales largas; estas parecen tornillos de corcho. El término espiroqueta (espiroquetas plurales) es el nombre de las celdas helicoidales largas y sueltas en forma de espiral. Estos se parecen a los spirillum pero son más flojos. (micrografía de crédito “Ccus”: modificación de obra de Janice Haney Carr, Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades; micrografía de crédito “Coccobacillus”: modificación del trabajo de Janice Carr, Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades; micrografía de crédito “Espiroqueta”: modificación del trabajo por parte de Centros para la Enfermedad Control y Prevención)

Figura\(\PageIndex{3}\): Arreglos celulares comunes de procariotas. Texto descriptivo: El término Ccoccus (cocos plurales) es el nombre de un solo coco (una sola celda redonda). El término diplococo (diplococos plurales) es el nombre para un par de dos cocos (dos esferas unidas entre sí). El término tétrada (tétradas plurales) es el nombre para una agrupación de cuatro celdas dispuestas en un cuadrado. El término estreptococo (estreptococos plurales) es el nombre de una cadena de cocos; las esferas están conectadas en una cadena larga. El término estafilococos (estafilococos plurales) es el nombre de un grupo de cocos; las esferas están conectadas en un haz. El término bacilos (bacilos plurales) es el nombre de una sola varilla. El término estreptobacilos (estreptobacilos plurales) es el nombre de una cadena de bastoncillos; los rectángulos están conectados en una cadena larga.

Estructuras celulares procariotas

El Nucleoide

Toda la vida celular tiene un genoma de ADN organizado en uno o más cromosomas. Los cromosomas procariotas son típicamente circulares, haploides (desapareados) y no unidos por una membrana nuclear compleja. El ADN procariota y las proteínas asociadas al ADN se concentran dentro de la región nucleoide de la célula (Figura\(\PageIndex{4}\)). En general, el ADN procariota interactúa con proteínas asociadas a nucleótidos (NAP) que ayudan en la organización y empaquetamiento del cromosoma. En las bacterias, los NAP funcionan de manera similar a las histonas, que son las proteínas organizadoras del ADN que se encuentran en las células eucariotas. En las arqueas, el nucleoide está organizado por NAP o proteínas organizadoras de ADN similares a histonas.

Figura\(\PageIndex{4}\): La región nucleoide (el área encerrada por la línea discontinua verde) es un área condensada de ADN que se encuentra dentro de las células procariotas. Debido a la densidad del área, no se mancha fácilmente y aparece de color más claro cuando se ve con un microscopio electrónico de transmisión.

Plásmidos

Las células procariotas también pueden contener ADN extracromosómico, o ADN que no es parte del cromosoma. Este ADN extracromosómico se encuentra en plásmidos, que son moléculas de ADN pequeñas, circulares y bicatenarias. Las células que tienen plásmidos suelen tener cientos de ellas dentro de una sola célula. Los plásmidos se encuentran más comúnmente en bacterias; sin embargo, los plásmidos se han encontrado en arqueas y organismos eucariotas. Los plásmidos a menudo portan genes que confieren rasgos ventajosos como la resistencia a antibióticos; por lo tanto, son importantes para la supervivencia del organismo.

Ribosomas

Toda la vida celular sintetiza proteínas, y los organismos en los tres dominios de la vida poseen ribosomas, estructuras responsables de la síntesis de proteínas. Sin embargo, los ribosomas en cada uno de los tres dominios son estructuralmente diferentes. Los ribosomas, ellos mismos, se construyen a partir de proteínas, junto con ARN ribosómico (ARNr). Los ribosomas procariotas se encuentran en el citoplasma. Se les llama ribosomas 70S porque tienen un tamaño de 70S (Figura\(\PageIndex{5}\)), mientras que los ribosomas citoplásmicos eucariotas tienen un tamaño de 80S. (La S significa unidad Svedberg, una medida de sedimentación en una ultracentrífuga, que se basa en el tamaño, la forma y las cualidades superficiales de la estructura que se analiza). Aunque son del mismo tamaño, los ribosomas bacterianos y arqueales tienen diferentes proteínas y moléculas de ARNr, y las versiones arqueales son más similares a sus contrapartes eucariotas que a las que se encuentran en las bacterias.

Figura\(\PageIndex{5}\): Los ribosomas procariotas (70S) están compuestos por dos subunidades: la 30S (subunidad pequeña) y la 50S (subunidad grande), cada una de las cuales está compuesta por componentes proteicos y ARNr. La subunidad pequeña tiene un tamaño de 30S, la subunidad grande tiene un tamaño de 50S y el ribosoma completo (que contiene tanto la subunidad pequeña como la grande) tiene un tamaño de 70S. Tenga en cuenta que 30+50 no equivale a 70. Esto se debe a que la unidad “S” no es necesariamente una unidad que mide el tamaño, sino una unidad que mide las tasas de sedimentación (el coeficiente de Svedberg).

Membrana Plasma

Las estructuras que encierran el citoplasma y las estructuras internas de la célula se conocen colectivamente como la envoltura celular. En las células procariotas, las estructuras de la envoltura celular varían dependiendo del tipo de célula y organismo. Todas las células (procariotas y eucariotas) tienen una membrana plasmática (también llamada membrana citoplásmica o membrana celular) que exhibe permeabilidad selectiva, permitiendo que algunas moléculas entren o salgan de la célula al tiempo que restringe el paso de otras.

La estructura de la membrana plasmática a menudo se describe en términos del modelo de mosaico de fluidos, que se refiere a la capacidad de los componentes de la membrana para moverse fluidamente dentro del plano de la membrana, así como la composición similar a un mosaico de los componentes, que incluyen una diversa matriz de componentes lipídicos y proteicos ( Figura\(\PageIndex{6}\)). La estructura de la membrana plasmática de la mayoría de los tipos de células bacterianas y eucariotas es una bicapa compuesta principalmente por fosfolípidos formados con enlaces éster y proteínas. Estos fosfolípidos y proteínas tienen la capacidad de moverse lateralmente dentro del plano de las membranas así como entre las dos capas de fosfolípidos.

Figura\(\PageIndex{6}\): La membrana plasmática bacteriana es una bicapa de fosfolípidos con una variedad de proteínas incrustadas que realizan diversas funciones para la célula. Nótese la presencia de glicoproteínas y glicolípidos, cuyos componentes de carbohidratos se extienden desde la superficie de la célula. La abundancia y disposición de estas proteínas y lípidos puede variar mucho entre especies. Texto descriptivo: La parte superior del diagrama está etiquetada fuera de la célula, la parte inferior está marcada como citoplasma. Separando estas dos regiones está la membrana que está compuesta principalmente por una bicapa fosfolipídica. Cada fosfolípido se dibuja como una esfera con 2 colas. Hay dos capas de fosfolípidos que componen la bicapa; cada capa de fosfolípidos tiene la esfera hacia el exterior de la bicapa y las dos colas hacia el interior de la bicapa. Dentro de la bicapa fosfolipídica se encuentran incrustadas una variedad de proteínas grandes. Los canales proteicos abarcan toda la bicapa y tienen un poro en el centro que conecta el exterior de la célula con el citoplasma. Las proteínas periféricas se asientan en un lado de la bicapa fosfolipídica. Las proteínas transmembrana abarcan la bicapa. Los glicolípidos tienen cadenas largas de carbohidratos (mostradas como una cadena de hexágonos) unidas a un solo fosfolípido; los carbohidratos están siempre en el exterior de la membrana. Las glicoproteínas tienen una larga cadena de carbohidratos unida a una proteína; los carbohidratos están en el exterior de la membrana. El citoesqueleto se muestra como una fina capa de línea justo debajo del interior de la bicapa de fosfolípidos.

Las membranas arqueales son fundamentalmente diferentes de las membranas bacterianas y eucariotas en algunas formas significativas. Primero, los fosfolípidos de membrana arqueal se forman con enlaces éter, en contraste con los enlaces éster que se encuentran en las membranas celulares bacterianas o eucariotas. Segundo, los fosfolípidos arqueales tienen cadenas ramificadas, mientras que los de las células bacterianas y eucariotas son de cadena lineal. Finalmente, aunque algunas membranas arqueales pueden estar formadas por bicapas como las que se encuentran en bacterias y eucariotas, otras membranas plasmáticas arqueales son monocapas lipídicas.

Las proteínas en la superficie celular son importantes para una variedad de funciones, incluyendo la comunicación célula a célula, y la detección de condiciones ambientales y factores de virulencia patógena. Las proteínas de membrana y los fosfolípidos pueden tener carbohidratos (azúcares) asociados a ellas y se denominan glicoproteínas o glicolípidos, respectivamente. Estos complejos de glicoproteínas y glicolípidos se extienden desde la superficie de la célula, permitiendo que la célula interactúe con el entorno externo (Figura\(\PageIndex{6}\)). Las glicoproteínas y glicolípidos en la membrana plasmática pueden variar considerablemente en composición química entre arqueas, bacterias y eucariotas, lo que permite a los científicos utilizarlas para caracterizar especies únicas.

Las membranas plasmáticas de diferentes tipos de células también contienen fosfolípidos únicos, que contienen ácidos grasos. Los perfiles de análisis de ácidos grasos derivados de fosfolípidos (PLFA) se pueden utilizar para identificar tipos únicos de células en función de las diferencias en los ácidos grasos. Las arqueas, bacterias y eucariotas tienen cada una un perfil PFLA único.

Estructuras de membrana fotosintéticas

Algunas células procariotas, a saber, las cianobacterias, tienen estructuras de membrana que les permiten realizar fotosíntesis. Estas estructuras consisten en un infolding de la membrana plasmática que encierra pigmentos fotosintéticos como clorofilas verdes y bacterioclorofilas. En las cianobacterias, estas estructuras de membrana se llaman tilacoides; en otras bacterias fotosintéticas, se llaman cromatóforos, laminillas o clorosomas.

Pared celular

La función principal de la pared celular es proteger la célula de las duras condiciones en el ambiente exterior. La mayoría (pero no todas) las células procariotas tienen una pared celular, pero la composición de esta pared celular varía.

El componente principal de las paredes celulares bacterianas se llama peptidoglicano (o mureína); solo se encuentra en bacterias. Estructuralmente, el peptidoglicano se asemeja a una capa de malla o tela. Dado que el peptidoglicano es exclusivo de las bacterias, muchos antibióticos están diseñados para interferir con la síntesis de peptidoglicanos, debilitando la pared celular y haciendo que las células bacterianas sean más susceptibles a los efectos de la presión osmótica. Además, ciertas células del sistema inmune humano son capaces de “reconocer” patógenos bacterianos al detectar peptidoglicano en la superficie de una célula bacteriana; estas células luego engullan y destruyen la célula bacteriana, utilizando enzimas como la lisozima, que descompone y digiere el peptidoglicano en su célula paredes.

Apéndices Filamentosos

Muchas células bacterianas tienen apéndices proteicos incrustados dentro de sus envolturas celulares que se extienden hacia afuera, permitiendo la interacción con el ambiente. Estos apéndices pueden adherirse a otras superficies, transferir ADN o proporcionar movimiento. Los apéndices filamentosos incluyen fimbrias, pilos y flagelos.

Fimbriae y Pili

Fimbriae y pili son estructuralmente similares y, debido a que la diferenciación entre los dos es problemática, estos términos a menudo se usan indistintamente. El término fimbrias comúnmente se refiere a proteínas cortas parecidas a cerdas que se proyectan desde la superficie celular por cientos. Las fimbrias permiten que una celda se adhiera a superficies y a otras celdas. Para las bacterias patógenas, la adherencia a las células hospedadoras es importante para la colonización, infectividad y virulencia. La adherencia a las superficies también es importante en la formación de biopelículas.

El término pili (singular: pilus) comúnmente se refiere a apéndices proteicos más largos y menos numerosos que ayudan en la unión a las superficies (Figura\(\PageIndex{7}\)). Un tipo específico de pilus, llamado el pilus F o pilus sexual, es importante en la transferencia de ADN entre células bacterianas, lo que ocurre entre miembros de una misma generación cuando dos células transfieren o intercambian físicamente partes de sus respectivos genomas (ver Cómo los procariotas asexuales logran la diversidad genética).

Figura\(\PageIndex{7}\): Las bacterias pueden producir dos tipos diferentes de apéndices proteicos que ayudan en la unión a la superficie. Las fimbrias suelen ser más numerosas y más cortas, mientras que los pili (mostrados aquí) son más largos y menos numerosos por célula. (crédito: modificación del trabajo de la Sociedad Americana de Microbiología)

Flagelos

Los flagelos son estructuras utilizadas por las células para moverse en ambientes acuosos. Los flagelos bacterianos actúan como hélices. Son filamentos espirales rígidos compuestos por subunidades de proteína flagelina que se extienden hacia afuera desde la célula y giran en solución. Diferentes tipos de bacterias móviles exhiben diferentes disposiciones de flagelos (Figura\(\PageIndex{8}\)).

Figura\(\PageIndex{8}\): Las bacterias flageladas pueden presentar múltiples arreglos de sus flagelos. Los arreglos comunes incluyen monotricos, anfitricos, lofotricos o periricos. Las bacterias monotrícas tienen un solo flagelo en un extremo. Las bacterias Amphitrichouls tienen un flagelo en cada extremo. Las bacterias lofotricas tienen un mechón de flagelos en un extremo. Las bacterias peritróficas tienen flagelos alrededor del exterior de la célula.

Resumen

• Las células procariotas difieren de las células eucariotas en que su material genético está contenido en un nucleoide en lugar de en un núcleo unido a la membrana. Además, las células procariotas generalmente carecen de orgánulos unidos a membrana.
• Las células procariotas de la misma especie suelen compartir una morfología celular y una disposición celular similares.
• La mayoría de las células procariotas tienen una pared celular que ayuda al organismo a mantener la morfología celular y lo protege contra los cambios en la presión osmótica.
• Fuera del nucleoide, las células procariotas pueden contener ADN extracromosómico en plásmidos.
• Los ribosomas procariotas que se encuentran en el citoplasma tienen un tamaño de 70S.
• Las membranas bacterianas están compuestas por fosfolípidos con proteínas integrales o periféricas. Los componentes de ácidos grasos de estos fosfolípidos están unidos a éster y a menudo se utilizan para identificar tipos específicos de bacterias. Las proteínas cumplen una variedad de funciones, incluyendo el transporte, la comunicación célula a célula y la detección de las condiciones ambientales. Las membranas arqueales son distintas en que están compuestas de ácidos grasos que están unidos por el eter a los fosfolípidos.
• Las paredes celulares procariotas pueden estar compuestas por peptidoglicano (bacteria) o pseudopeptidoglicano (arqueas).
• Algunas células procariotas tienen fimbrias o pili, apéndices filamentosos que ayudan en la fijación a las superficies. Los pili también se utilizan en la transferencia de material genético entre células.
• Algunas células procariotas utilizan uno o más flagelos para moverse a través del agua.

Atribución

Comisariada y autoría de Maria Morrow utilizando las siguientes fuentes:

• 3.3 Características Únicas de Células Procariotas de Microbiología por OpenStax (licenciado CC-BY). Accede gratis en openstax.org.