2.1 METABOLISMO CELULAR

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1. Las células producen toda la materia viva.2. Las células provienen de otras células.3. El material genético requerido para el

mantenimiento de las células existentes y para la generación de nuevas células pasa de una generación a otra.

4. Las reacciones químicas de un organismo, es decir, el metabolismo se realiza en las células.

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Todas las células comparten unos elementos esenciales, como son la membrana envolvente, el citoplasma, rico en orgánulos en las células eucariotas y un núcleo claramente diferenciado en este tipo de células, con una membrana nuclear que envuelve al material genético. El núcleo, es el "cerebro" organizador de la célula, y sigue un "programa" o plan general coordinado, escrito, en la especie humana, en 100.000 genes, ordenados en 23 pares de cromosomas.

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La rama de las ciencias biológicas que estudia las células. Todos los seres vivos están formados por una o muchas células, el cuerpo humano tiene aproximadamente de 1014 células.

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Todas las células humanas son, células eucariotas, al igual que lo son las células de todos los animales, plantas y se incluyen hongos y protistas.

Las células eucariotas de los vegetales son algo distintas: tienen una gruesa pared celular por fuera de la membrana y poseen cloroplastos en sus partes verdes, orgánulos que hacen posible la fotosíntesis. Hay algunas otras diferencias: las vacuolas suelen ser escasas pero grandes, etc.

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ESTRUCTURA DESCRIPCIÓN FUNCIÓN

NUCLEO DELULAR

Núcleo Gran estructura rodeada por una doble membrana; contiene nucleolo y cromosomas.

Control de la célula

Nucleolo Cuerpo granular dentro del núcleo; consta de ARN y proteínas.

Lugar de síntesis ribosómica; ensamble de subunidades ribosómicas.

Cromosomas Compuestos de un complejo de ADN y proteínas, llamado cromatina; se observa en forma de estructuras en cilindro durante la división celular.

Contiene genes (unidades de información hereditaria que gobiernan la estructura y actividad celular).

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ESTRUCTURA DESCRIPCIÓN FUNCIÓN

SISTEMA DE MEMBRANAS DE LA CÉLULA.

Membrana celular (membrana plasmática)

Membrana limitante de la célula viva

Contiene al citoplasma; regula el paso de materiales hacia dentro y fuera de la célula; ayuda a mantener la forma celular; comunica a la célula con otras.

Retículo endoplasmático (ER)

Red de membranas internas que se extienden a través del citoplasma.

Sitio de síntesis de lípidos y de proteínas de membrana; origen de vesículas intracelulares de transporte, que acarrean proteínas en proceso de secreción.

R.E. Liso Carece de ribosomas en su superficie externa.

Biosíntesis de lípidos; Destoxicación de medicamentos.

R.E. Rugoso Los ribosomas tapizan su superficie externa.

Fabricación de muchas proteínas destinadas a secreción o incorporación en membranas.

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ESTRUCTURA DESCRIPCIÓN FUNCIÓN

SISTEMA DE MEMBRANAS DE LA CÉLULA.

Ribosomas Gránulos compuestos de ARN y proteínas; algunos unidos al ER, otros libres en el citoplasma.

Síntesis de polipéptidos.

Aparato de Golgi Compuesto de saculaciones membranosas planas.

Modifica, empaca (para secreción) y distribuye proteínas a vacuolas y a otros organelos.

Lisosomas Sacos membranosos (en animales).

Contienen enzimas que degradan material ingerido, las secreciones y desperdicios celulares.

Vacuolas Sacos membranosos (sobre todo en plantas, hongos y algas )

Transporta y almacena material ingerido, desperdicios y agua.

Microcuerpos (ej. peroximas)

Sacos membranosos que contienen una gran diversidad de enzimas.

Sitio de muchas reacciones metabólicas del organismo.

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ESTRUCTURA DESCRIPCIÓN FUNCIÓN

ORGANISMOS TRANSDUCTORES DE ENERGÍA

Mitocondrias Sacos que constan de dos membranas; la membrana interna está plegada en crestas.

Lugar de la mayor parte de las reacciones de la respiración celular; transformación en ATP, de la energía proveniente de la glucosa o lípidos.

Plástidos Sistema de tres membranas: los cloroplastos contienen clorofila en las membranas tilacoideas internas.

La clorofila captura energía luminosa; se producen ATP y otros compuestos energéticos, que después se utilizan en la conversión de CO2 en glucosa.

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ESTRUCTURA DESCRIPCIÓN FUNCIÓN

CITOESQUELETO

Microtúbulos Tubos huecos formados por subunidades de tubulina.

Proporcionan soporte estructural; intervienen en el movimiento y división celulares; forman parte de los cilios, flagelos y centriolos.

Microfilamentos

Estructuras sólidas, cilíndricas formadas por actina.

Proporcionan soporte estructural; participan en el movimiento de las células y organelos, así como en la división celular.

Centriolos Par de cilindros huecos cerca del centro de la célula; cada centriolo consta de 9 grupos de 3 microtúbulos.

Durante la división celular en animales se forma un uso mitótico entre ambos centriolos; en animales puede iniciar y organizar la formación de microtúbulos; no existen en las plantas superiores.

Cilios Proyecciones más o menos cortas que se extienden de la superficie celular; cubiertos por la membrana plasmática; compuestos de 2 microtúbulos centrales y 9 pares periféricos

Locomoción de algunos organismos unicelulares; desplazamiento de materiales en la superficie celular de algunos tejidos.

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Los seres unicelulares más simples son las bacterias, cuyo modelo de organización se dice que es procariota.

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La teoría endosimbiótica postula que algunos orgánulos propios de las células eucariotas, especialmente cloroplastos y mitocondrias, habrían tenido su origen en organismos procariotas que después de ser englobados por otro microorganismo habrían establecido una relación endosimbiótica con éste.

Se especula con que las mitocondrias provendrían de protebacterias alfa (por ejemplo, rickettsias) y los cloroplastos de cianobacterias.

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La membrana celular y su composición

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La membrana celular es una bicapa lipídica que rodea a la célula, se llama bicapa lipídica porque se encuentra formada por una doble capa de fosfolípidos, éstos se encuentran constituidos por una cabeza hidrofílica (compatible con agua) y una cola hidrofóbica (no compatible con agua). Además de los fosfolípidos, la membrana tiene otros componentes como: las proteínas de membrana, el colesterol y los carbohidratos.

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1. Carbohidratos. Están compuestos por carbono, hidrógeno y oxígeno, y sí son solubles en agua. Constituyen la forma más primitiva de almacenamiento energético.

Dentro de los más importantes podemos mencionar dentro los monosacáriodos: glucosa, fructosa y galactosa. Disacáridos: sacarosa, lactosa y maltosa. Polisacáridos: almidón, celulosa y glucógeno.

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2. Proteínas. Están compuestas por cadenas lineales de aminoácidos, y son el tipo de biomolécula más diversa que existe. Tienen varias funciones dependiendo del tipo de proteína del que estemos hablando.

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3. Lípidos. Están compuestos por carbono e hidrógeno, y en menor medida por oxígeno. Pueden contener “P, S y N”. Su característica es que son insolubles en agua. Son lo que coloquialmente se conoce como grasas.

Los lípidos cumplen funciones diversas en los organismos vivientes, entre ellas la de reserva energética (como los triglicéridos), la estructural (como los fosfolípidos de las bicapas) y la reguladora (como las hormonas esteroides).

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4. Ácidos nucléicos. Son el ADN (ácido desoxirribonucleico) y ARN (ácido ribonucleico). Son macromoléculas formadas por nucleótidos unidos por enlaces.

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Gen = es una secuencia ordenada de nucleótidos en la molécula de ADN (o ARN, en el caso de algunos virus) que contiene la información necesaria para la síntesis de una macromolécula con función celular específica, habitualmente proteínas pero también ARNm, ARNr y ARNt.

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1. El ARN mensajero (ARNm o RNAm) lleva la información sobre la secuencia de aminoácidos de la proteína desde el ADN, lugar en que está inscrita, hasta el ribosoma, lugar en que se sintetizan las proteínas de la célula.

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2. Los ARN de transferencia (ARNt o tRNA) son cortos polímeros de unos 80 nucleótidos que transfiere un aminoácido específico al polipéptido en crecimiento; se unen a lugares específicos del ribosoma durante la traducción.

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3. El ARN ribosomico o ribosomal (ARNr o RNAr) se haya combinado con proteínas para formar los ribosomas, donde representa unas 2/3 partes de los mismos. En procariotas, la subunidad mayor del ribosoma contiene dos moléculas de ARNr y la subunidad menor, una.

En los eucariotas, la subunidad mayor contiene tres moléculas de ARNr y la menor, una. En ambos casos, sobre el armazón constituido por los ARNr se asocian proteínas específicas. El ARNr es muy abundante y representa el 80% del ARN hallado en el citoplasma de las células eucariotas.

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5. Vitaminas. Las vitaminas también lo son. Estas son usadas en algunas reacciones enzimáticas como cofactores.

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1. Proteger la células y mantener las condiciones necesarias para el desarrollo de las funciones vitales.

2. Permite el paso de sustancias al interior de la célula y la expulsión de las moléculas que ya no necesita. Este proceso se conoce como transporte por la membrana y puede ser activo o pasivo.

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3. Permitir que entren los nutrientes vitales y se eliminen los productos de desecho.

4. Mantener la identidad celular. Las proteínas de membrana actúan como marcadores que identifican a las células para que las reconozcan otras sustancias u hormonas.

5. Recibir y transmitir información.

6. Proteger contra moléculas invasoras indeseables, como ácidos tóxicos, álcalis e iones.

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7. Controlar las reacciones bioquímicas que ocurren en la célula (por enzimas que aceleran o retardan las reacciones químicas).

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J. Singer y G.L. Nicholson (1966)

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En este modelo todos los fosfolípidos forman una doble capa mientras que las proteínas integrales están insertas en la capa fluida, y a pesar de su estabilidad permite que los lípidos y las proteínas se desplacen en plano estructural.

Los componentes de ambos lados de la membrana se distribuyen de manera dispar, esto es más visible en los oligosacáridos que se encuentran solo en la superficie extracelular de la membrana o hacia el interior del compartimiento de cisternas, vacuolas o vesículas.

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Proteínas integrales o intrínsecas: Embebidas en la bicapa lipídica, atraviesan la membrana una o varias veces, asomando por una o las dos caras (proteínas transmembrana); o bien mediante enlaces covalentes con un lípido o a un glúcido de la membrana. El aislamiento de ella requiere la ruptura de la bicapa.

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Glucoproteínas: Se encuentran atravesando toda la capa de la membrana celular, su nombre es debido a que contiene glúcidos.

Proteínas periféricas o extrínsecas: A un lado u otro de la bicapa lipídica, pueden estar unidas débilmente por enlaces no covalentes. Fácilmente separables de la bicapa mediante soluciones salinas, sin provocar su ruptura. Aparecen en la membrana interna y carecen de proteínas transmembranas.

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La naturaleza de las proteínas de la membrana determina su función:

Canales: proteínas integrales (por lo general glicoproteínas) que actúan como poros por los cuales determinadas sustancias pueden entrar o salir de la célula.

Transportadoras: son proteínas que cambian de forma para dar paso a determinados productos.

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Receptores: proteínas integrales que reconocen determinadas moléculas (por ejemplo hormonas peptídicas) a las que se unen o fijan. Estas proteínas pueden identificar una hormona, un neurotransmisor o un nutriente importante para la función celular. La molécula que se une al receptor se llama ligando.

Por ejemplo, el ligando de la hemoglobina es el oxígeno, ya que es la molécula que se une al centro activo de la proteína para que ésta pueda transportarlo.

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El citosol es considerado como el verdadero medio interno intracelular y se extiende desde la envoltura nuclear hasta la membrana plasmática y llena el espacio no ocupado por el sistema endomembranoso , las mitocondrias, peroxisomas y otros organelos. Representa un 50% del volumen del citoplasma y su pH es de 7.2.

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Se presenta de tres formas, ósmosis, difusión simple y difusión facilitada

La ósmosis es el paso de agua de un lugar de mayor concentración de agua a uno de menor concentración de agua (esto significa que al otro lado de la membrana habrá mayor o menor cantidad de solutos según el caso).

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La finalidad de la ósmosis es mantener de manera constante la hidratación de la célula. Este fenómeno se presenta en las célula animal y vegetal por tres medios.

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Célula \ Medio Hipertónico Isotónico Hipotónico

Animal Cuando la célula no absorbe la cantidad de agua necesaria llega a presentar una deshidratación, por lo que tiende a arrugarse.

El paso del agua se lleva a cabo de manera constante. Se presenta un equilibrio dentro y fuera de la membrana celular.

Se produce cuando la célula difunde agua de manera tal que llega a incrementar su tamaño y puede llegar a reventarse.

Vegetal El volumen de agua disminuye conforme la célula empieza a eliminar agua de su interior. La membrana plasmática se desprende de su pared celular.

Presenta un equilibrio durante el paso constante del agua.

Las vacuolas se van llenando a medida que la célula difunde agua del medio externo.

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La difusión simple es aquella que sucede cuando los solutos y otras sustancias pasan a través de la bicapa lipídica, ocurre de un gradiente de mayor concentración a uno de menor concentración, en algunos casos cuando la molécula es muy grande utiliza las proteínas de canal que no se unen al soluto, sino que forman poros hidrofílicos que atraviesan la membrana permitiendo exclusivamente el pasaje de iones.

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La difusión facilitada es cuando las moléculas pasan por una parte especial de la membrana llamada proteína, las proteínas transportadoras son muy específicas, por lo que cada una en particular lleva solamente un tipo de compuesto químico, como iones o azúcares, e incluso solo una determinada molécula.

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Es el transporte que requiere gasto de energía por parte de la célula  ocurre en contra de un gradiente de concentración, es decir, que las sustancias transportadas se encuentra en mayor concentración dentro o fuera de la célula y ésta necesita pasar hacia este lugar más sustancias.

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Las proteínas que participan en el transporte activo a menudo se llaman bombas, porque así como una bomba de agua utiliza energía para mover agua contra la fuerza de gravedad, las proteínas utilizan energía para mover una sustancia contra su gradiente de concentración.

El transporte activo se divide en dos:

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La energía derivada del ATP o de algún fosfato de alta energía, directamente empuja a la sustancia para que se cruce la membrana modificando la forma de al proteínas de transporte (bomba) de la membrana.

Entre estos trasportes o bombas están:

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Para entender este proceso es necesario que sepas qué es sodio y potasio, ambos son elementos químicos necesarios para el funcionamiento de las células, se representan por las letras Na y K. 

Cuando ocurre este tipo de transporte el sodio (Na) y el potasio (K) se encuentra en estado iónico (esto significa que están cargados eléctricamente de forma positiva).

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La bomba Na-K genera y mantiene el potencial de la membrana o gradiente de voltaje a través de la membrana, que a su vez es responsable del proceso de transporte activo de los azúcares y aminoácidos en la célula. Para que ocurra este tipo de transporte es necesario utilizar proteínas de membrana especializadas que sufren cambios en su forma interna según la sustancia que van a transportar.

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Es el transporte de sustancias que normalmente no atraviesan la membrana celular tales como los aminoácidos y la glucosa, cuya energía requerida para el transporte deriva del gradiente de concentración de los iones sodio de la membrana celular (como el gradiente producido por el sistema glucosa/sodio del intestino delgado).

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Intercambiador calcio-sodio: Es una proteína de la membrana celular de todas las células eucariotas. Su función consiste en transportar calcio iónico (Ca2+) hacia el exterior de la célula empleando para ello el gradiente de sodio; su finalidad es mantener la baja concentración de Ca2+ en el citoplasma que es unas diez mil veces menor que en el medio externo.

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Por cada catión Ca2+ expulsado por el intercambiador al medio extracelular penetran tres cationes Na+ al interior celular. Se sabe que las variaciones en la concentración intracelular del Ca2+

(segundo mensajero) se producen como respuesta a diversos estímulos y están involucradas en procesos como la contracción muscular, la expresión genética, la diferenciación celular, la secreción, y varias funciones de las neuronas.

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LA ENDOCITOSIS es un proceso celular, por el que la célula introduce moléculas grandes o partículas, y lo hace englobándolas en una invaginación de la membrana citoplasmática, formando una vesícula que termina por desprenderse porarse al citoplasma.

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Este proceso puede tomar diferentes formas, cada una involucrando su propia maquinaria celular específica. Estas dos formas son la fagocitosis y la pinocitosis.

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La fagocitosis se lleva a cabo en células especializadas llamadas fagocitos, donde se incluyen los macrófagos, neutrófilos y otros glóbulos blancos de la sangre. La invaginación produce una vesícula llamada fagosoma, las cual usualmente se fusiona con uno o más lisosomas conteniendo enzimas hidrolíticas. Los materiales en el fagosoma son rotos por estas enzimas y degradados.

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La célula engulle fluido extracelular, incluyendo moléculas como azúcar y proteínas. Estos materiales entran a la célula dentro de una vesícula, aunque no se mezclan con el citoplasma. Las células epiteliales en los capilares, usan la pinocitosis para tomar la porción líquida de la sangre en la superficie capilar.

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EXOCITOSIS: es el proceso celular por el cual las vesículas situadas en el citoplasma se fusionan con la membrana citoplasmática y liberan sus moléculas. Esto sucede cuando llega una señal extracelular; además se puede explicar como el proceso en el cual se expulsa material de desecho de la célula producido por el retículo endoplasmático y el aparato de Golgi y posteriormente empacado en vesículas para comer el moco de la bulbar.

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La exocitosis constitutiva se produce en todas las células y se encarga de liberar moléculas que van a formar parte de la matriz extracelular o bien sirven para regenerar la propia membrana celular. Es un proceso constante de producción, desplazamiento y fusión, con diferente intensidad de tráfico según el estado fisiológico de la célula.

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Por ejemplo la producción de colágeno por los fibroblastos (sintetizan y mantienen la matriz extracelular, produciendo colágeno, proteínas fibrosas como laminina y fibronectina)

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La exocitosis regulada se produce sólo en aquellas células especializadas en la secreción, como por ejemplo las productoras de hormonas, las neuronas, las células del epitelio digestivo, las células glandulares y otras.

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