I- Generalidades y célula

Instituto de Ciencias de la Salud
Apuntes de cátedra
FISIOLOGÍA HUMANA
Módulo I. Generalidades y célula
Autores:
Ariel Saez de Guinoa, Juan Martín Arano, Beatriz Carballeira, Juan
Pedro della Croce Keini Kamada, Gabriela Marín, Gabriela Macías,
Hernán Molina.
Año 2018
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“Dime y lo olvido
Enséñame y lo recuerdo
Involúcrame y lo aprendo”
INTRODUCCIÓN A LA FISIOLOGÍA: LA CÉLULA
La fisiología de los mamíferos comprende el estudio de las
interrelaciones dinámicas que existen entre las células, los tejidos y los
órganos y llega, en última instancia, hasta el nivel del organismo
considerado en conjunto.
La célula será el tema
acercamiento a la FISIOLOGÍA.
de
principal
interés
en
este
primer
La CÉLULA es la Unidad Anatómica, Funcional y Genética de los
seres vivos.
La célula y sus componentes
La célula está constituida por tres elementos básicos: membrana
plasmática, citoplasma y material genético (ADN) contenido en el
núcleo. A grandes rasgos, podemos decir que la membrana plasmática es
el límite de la célula y constituye una barrera que regula el paso de
moléculas entre el espacio extracelular y el intracelular; el citoplasma
contiene compartimentos llamados organelas, cada una con una función
2
distinta; y el núcleo es el sitio donde se almacena la información necesaria
para el funcionamiento correcto de la célula. Desarrollaremos cada
elemento por separado más adelante.
En general, todas las células tienen la capacidad de realizar tres
funciones vitales:
1. Nutrición:
 Todos los intercambios de sustancias que se efectúan a través de la
membrana plasmática.
 Incorporación o asimilación de las sustancias que son resultado de la
digestión.
• La degradación de sustancias orgánicas que se producen en la
digestión gracias a las acciones de determinadas y específicas
enzimas.
• Circulación por el citoplasma.
• Excreción por eliminación de todos los productos que son desechados
por el metabolismo celular.
• La obtención de energía mediante la respiración o degradación de
sustancias comestibles.
• Secreción de sustancias específicas de importante utilidad como son
las enzimas digestivas, hormonas y diversos anticuerpos.
2. Relación:
 Toda célula tiene diferentes capacidades, y todas ellas son específicas;
por ejemplo, hay células que tienen la capacidad de responder a los
estímulos y se las denomina células irritables; otro grupo se especializa
en proteger al organismo de agentes infecciosos, son los glóbulos
blancos.
• El organismo está compuesto de millones de células que deben
relacionarse y cooperar entre sí para funcionar coordinada y
correctamente.
3. Reproducción:
• Las células pueden dividirse formando células hijas y gemelas. De
acuerdo al tipo de células se hablará de mitosis o meiosis.
• Mitosis: Reparto equitativo del material hereditario. Se produce en la
mayoría de las células del organismo.
• Meiosis: Cada célula hija recibe la mitad del material genético y además
aquí existe mezcla del ADN. Es un proceso que se realiza en las
glándulas sexuales originando gametos que se fusionarán con el de otro
individuo para formar un nuevo organismo.
3
Mitosis y meiosis
4
COMPONENTES DE LA CÉLULA
Formada por organelas, la célula constituye un conjunto de
estructuras similares en algunos aspectos y diferentes en otros. Está claro
que la función de cada una de estas estructuras es específica, circunstancia
que desarrollaremos más adelante. Sin embargo aclaramos que la primera
diferenciación entre ellas será la presencia o no de membrana que las
delimite.
Haremos mención aquí también, de la compleja e importante
presencia de la membrana plasmática, la cual, tras la aparición del
microscopio electrónico, cobró dimensiones inesperadas respecto de su
extraordinaria y compleja función en la homeostasia del organismo.
La célula es un sistema compuesto por varios subsistemas, todos
hipersensibles a las condiciones del medio, con una gran capacidad de
adaptación y condiciones para auto organizarse. Como resultado de todas
estas interacciones obtenemos un equilibrio: la homeostasia. ¿Qué se
propone esta organización celular? Máxima economía, perdurabilidad,
equilibrio, productividad.
La homeostasia busca varios equilibrios en la célula para cumplir sus
objetivos:
 Equilibrio energético: La célula tiene una demanda de energía
según la actividad que desarrolle (mitosis, síntesis de proteínas,
ejercicio, etc.) Si hay un desequilibrio energético se genera hipoxia
(H), ésta tiene varios orígenes: H. Hipóxica (falta de oxígeno), H.
Anémica (por falta de Glóbulos rojos), H. Isquémica (falta del flujo de
sangre que lleva el oxígeno), H. Hipovolémica (falta de volumen
sanguíneo), H. Citopática (trastorno celular para aceptar el O2).
 Equilibrio osmótico: Se relaciona con la alta proporción de agua
que conforma la célula, si varía la osmolaridad, cambia el volumen de
agua dentro de la célula poniéndola en peligro. Los desequilibrios más
frecuentes se relacionan con el Na+ (hipernatremia o hiponatremia
causan hiperosmolaridad o hipo osmolaridad respectivamente). Estos
afectan principalmente las células nerviosas.
 Equilibrio electroquímico. La composición electrolítica mantiene el
equilibrio químico, eléctrico y de osmolaridad. Cuando se desequilibra a
expensas del potasio y el calcio principalmente, puede ocasiona parada
cardíaca, alteración de la actividad neuronal y de la intestinal.
 Equilibrio ácido-base: Las proteínas estructurales requieren un pH
de 7,2 aproximadamente para mantenerse estables. Son muy sensibles
a cambios de la acidez intracelular. La acidosis (pH debajo de 7,38,)
altera enzimas y proteínas celulares. La alcalosis (pH mayor a 7,40) es
menos frecuente pero igual de perjudicial.
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 Equilibrio térmico: La temperatura es un factor condicionante de las
funciones celulares. La T° óptima es de 38°C. El aumento de la
temperatura por encima de ese valor afecta a las proteínas y la
disminución enlentece el metabolismo que es protector hasta cierto
punto. La Hipertermia (por encima de 37° ya comienza a ser perjudicial
para la célula. Por debajo de 32°C (Hipotermia severa) es mortal.
 Equilibrio vegetativo: El genoma regula las actividades de la célula
para mantenerla viva, mientras sus condiciones lo permitan y determina
el final de su ciclo vital cuando los medios son desfavorables. La célula
percibe señales externas e internas que la mantienen viva o que la
pueden llevar a la muerte celular.
Tras esta serie de aclaraciones sobre la homeostasia volvamos a los
componentes intracelulares que tienen por misión mantener todos estos
equilibrios independientes y organizados entre sí: las organelas.
Organelas delimitados por membranas:
NÚCLEO – RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO – COMPLEJO DE GOLGI –
LISOSOMAS – PEROXISOMAS – MITOCONDRIAS – MEMBRANA PLASMÁTICA
EXTERNA.
Organelas no delimitados por membranas:
CROMOSOMAS – NUCLÉOLOS – MICROTÚBULOS – MICROFILAMENTOS –
CENTRÍOLOS.
¿Cuál es el motivo de la importancia de la membrana? Existen dos
propiedades fundamentales de la membrana que son:
1.
Permeabilidad selectiva: que le permite a la célula establecer y
mantener compartimientos delimitados dentro de ella.
2.
Proporcionar una matriz: en cuya superficie tanto como en su interior
se disponen las moléculas de enzimas, cofactores, etc., según un esquema
funcional.
A continuación desarrollaremos las propiedades de la membrana celular y el
transporte a través de ella. Luego nos enfocaremos en cada una de las
organelas restantes en particular.
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MEMBRANA CELULAR
(A partir de ahora nos referiremos a ella como MC)
La MC constituye una barrera permeable para las moléculas no
polares como gases y lípidos, y selectiva para aquellas moléculas polares,
que ingresarán o saldrán de la célula según la actividad que ésta deba
realizar. Un ejemplo de esto último son las células nerviosas o las
musculares, que permiten la entrada o salida de iones determinando la
excitabilidad de las mismas.
Composición química
Es difícil determinar con exactitud la composición química de la MC.
Se ha llegado a la conclusión que esta membrana está constituida por una
doble capa o bicapa lipídica integrada por fosfolípidos cuyas
terminaciones polares (hidrófilas) forman los bordes externos y sus colas se
orientan hacia el interior. De esta manera, los bordes internos y externos de
la membrana son hidrofílicos y pueden interactuar con el agua y con
proteínas, y su interior es lipofílico y no permite el paso de dichas
sustancias.
También encontramos proteínas formando parte de esta membrana.
Pueden alojarse en la superficie de la membrana (componentes periféricos)
o intercalarse en la bicapa lipídica (componentes integrales).
Otros componentes de la MC son los hidratos de carbono en forma
de lipopolisacáridos y polisacáridos y la adherencia de moléculas para su
transporte por endocitosis a través de la MC.
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Estructura de la membrana plasmática
Propiedades y funciones de la membrana plasmática
En esta etapa consideraremos las propiedades físico-químicas de la
membrana celular y examinaremos los procesos por los cuales ella regula el
tráfico molecular entre los líquidos extra e intracelulares.
Funciones de la membrana plasmática
 La función básica de la membrana plasmática es mantener el
medio intracelular diferenciado del entorno. Esto es posible gracias
a la naturaleza aislante en medio acuoso de la bicapa lipídica y a las
funciones de transporte que desempeñan las proteínas. La combinación
de transporte activo y transporte pasivo hacen de la MC una barrera
selectiva que permite a la célula diferenciarse del medio.
 Permite a la célula dividir en secciones las distintas organelas y así
proteger las reacciones químicas que ocurren en cada una.
 Crea una barrera selectivamente permeable en donde sólo entran o
salen las sustancias estrictamente necesarias.
 Transporta sustancias de un lugar de la membrana a otro, ejemplo,
acumulando sustancias en lugares específicos de la célula que le puedan
servir para su metabolismo.
 Percibe y reacciona ante estímulos provocados por sustancias
externas (hormonas, fármacos y otras moléculas).
 Mide las interacciones que ocurren entre células.
Permeabilidad de la membrana
La permeabilidad de las membranas es la facilidad de las moléculas para
atravesarla. Esto depende principalmente de la carga eléctrica y, en menor
medida, de la masa molar de la molécula. Moléculas pequeñas o con carga
eléctrica neutra pasan la membrana más fácilmente que elementos
cargados eléctricamente y moléculas grandes.
Las membranas son selectivas: permiten la entrada de algunas
moléculas y restringen la de otras.
La capacidad de una molécula de atravesar la membrana depende de
los siguientes factores:
 Solubilidad en los lípidos: Las sustancias que se disuelven en los
lípidos (moléculas hidrófobas, no polares) penetran con facilidad en la
membrana dado que está compuesta en su mayor parte por
fosfolípidos; las que son solubles en agua no pasan fácilmente la
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membrana. Por ejemplo, el etanol (alcohol común) atraviesa fácilmente
las membranas.
 Tamaño: la mayor parte de las moléculas de gran tamaño no pasan a
través de la membrana. Sólo un pequeño número de moléculas polares
de pequeño tamaño pueden atravesar la capa de fosfolípidos.
 Carga: Las moléculas cargadas y los iones no pueden pasar, en
condiciones normales, a través de la membrana.
MECANISMOS DE TRANSPORTE A TRAVÉS DE MEMBRANA
Ya vimos que si una molécula es pequeña, liposoluble (hidrófoba), y
no tiene carga, es muy probable que atraviese la bicapa lipídica y pueda
circular entre el espacio intracelular y extracelular con facilidad. Un ejemplo
de esto podría ser el oxígeno o el dióxido de carbono. Este mecanismo de
transporte se denomina difusión simple.
¿Cómo hacen las moléculas cargadas, o hidrofílicas, o muy grandes
para atravesar la membrana? La célula cuenta con una serie de mecanismos
para facilitar el ingreso o egreso de estas moléculas, que por otra parte son
la mayoría de las que se encuentran en el organismo: glucosa, aminoácidos,
vitaminas, e iones entre otras.
Los mecanismos de transporte a través de membrana que veremos
son la difusión simple, la difusión facilitada, el transporte activo y la
endocitosis/exocitosis.
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Difusión simple
Difusión simple a través de una membrana semipermeable
Podemos comenzar diciendo que el movimiento promedio de un
grupo de moléculas provoca un flujo neto de las mismas desde una región
de alta concentración hacia una región de baja concentración. El
mecanismo de transporte básico a través de cualquier membrana es la
difusión simple.
Una membrana semipermeable separa dos compartimentos con
concentraciones distintas de un soluto: con el paso del tiempo, el soluto
difundirá hasta alcanzar el equilibrio a ambos lados.
La difusión simple no requiere de la intervención de proteínas de
membrana, pero sí depende de las características de la sustancia a
transportar y de la naturaleza de la bicapa. Para el caso de una membrana
fosfolipídica pura, la velocidad de difusión de una sustancia depende de su:
 gradiente de concentración,
 hidrofobicidad (expresada como un “coeficiente de permeabilidad”)
 tamaño
 carga, si la molécula posee carga neta.
Estos factores afectan de diversa manera a la velocidad de difusión pasiva:
 a mayor gradiente de concentración, mayor velocidad de difusión,
 a mayor hidrofobicidad, esto es, mayor coeficiente de permeabilidad,
mayor solubilidad en lípido y por tanto mayor velocidad de difusión,
 a mayor tamaño, menor velocidad de difusión,
 las diferencias de carga eléctrica a ambos lados de la membrana
determina que, en las células de mamíferos, el interior celular tenga
carga negativa y el exterior carga positiva; por lo tanto, las moléculas
con carga positiva tenderán a ingresar a la célula a favor de un
gradiente electroquímico. Un ejemplo es el sodio.
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Difusión facilitada
Difusión facilitada
La difusión facilitada involucra el uso de una proteína para facilitar el
movimiento de moléculas a través de la membrana. En algunos casos, las
moléculas pasan a través de un canal hidrofílico dentro la proteína
(“proteína canal”). En otros casos, la proteína cambia su forma, permitiendo
que las moléculas pasen a través de ella (“proteína transportadora”).
Este mecanismo sirve para transportar moléculas que de otra forma
no atravesarían la membrana plasmática debido a que son muy grandes,
muy hidrofílicas o a que poseen carga. La difusión facilitada siempre se da a
favor de un gradiente de concentración, es decir que la molécula pasa del
lado de mayor al de menor concentración.
Transporte activo primario y secundario
En él se efectúa un transporte en contra del gradiente de
concentración o electroquímico y, para ello, las proteínas transportadoras
implicadas consumen energía metabólica (comúnmente adenosín trifosfato
ATP). En muchos casos, la energía utilizada proviene de la hidrólisis directa
del ATP, es lo que llamamos transporte activo primario.
En otros casos, se utiliza la energía contenida en un gradiente de
concentración de otra molécula, como por ejemplo el sodio. Como el sodio
se encuentra en grandes concentraciones fuera de la célula, algunas
proteínas permiten su paso hacia el interior y usan esa energía para
impulsar el transporte de otras moléculas. Este tipo de transporte, llamado
transporte activo secundario es el mecanismo que usan las células del
intestino delgado para absorber la glucosa, por ejemplo.
Las proteínas de transporte pueden ser reguladas de forma
farmacológica; el ejemplo más importante quizá sean los diuréticos, que
veremos en el capítulo de fisiología renal.
Según la dirección y el número de moléculas que se transporte, se lo
llama de diferente forma:
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Transporte a través de proteínas: I-Uniporte II-Importe III-Antiporte
Un transportador puede movilizar diversos iones y moléculas. Según
la direccionalidad, se distinguen:
 antiportadores: aquellos que transportan un tipo de molécula en
contra de su gradiente al mismo tiempo que desplazan uno o más iones
diferentes a favor del suyo, siendo ambos gradientes contrapuestos.
 simportadores: los que desplazan el compuesto a transportar en
contra de su gradiente acoplando este trasiego al desplazamiento de
uno o más iones diferentes a favor del suyo, que, en este caso, es
equivalente al de la molécula a transportar.
Ambos reciben el nombre de cotransportadores.
Las proteínas que realizan transporte activo a través de membrana
frecuentemente reciben el nombre de “bombas”.
Bomba de sodio/potasio
Diagrama simplificado de una bomba de sodio
Una bomba es una proteína que hidroliza ATP para transportar a través de
una membrana un determinado soluto a fin de generar un gradiente
electroquímico. Una de las bombas de mayor relevancia es la bomba
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sodio-potasio, que está presente en todas las células animales y es
imprescindible para el mantenimiento de la vida. Por cada movimiento que
hace, esta bomba transporta 3 átomos de sodio fuera de la célula e
incorpora 2 átomos de potasio al citoplasma. Los átomos de sodio y potasio
son iones que tienen carga positiva y no pueden atravesar la membrana por
sí solos. De esta manera, en el líquido extracelular existe una alta
concentración de sodio y baja de potasio, y el interior celular es al revés.
Esta diferencia de concentraciones puede servir como fuente de energía
para el transporte activo secundario, y además confiere una diferencia de
carga eléctrica (positiva en el exterior), que resulta fundamental para
muchas células como las neuronas y células musculares.
Endocitosis y Exocitosis
En este tipo de transporte, la MC se invagina y estrecha sus límites
formando una vesícula. Por este proceso, llamado endocitosis, la sustancia
externa es conducida al interior de la célula. Material y membrana se
fusionan con los lisosomas y luego la membrana de la vesícula vuelve a
formar parte de la MC. La exocitosis es la fusión de membranas de origen
intracelular, como las que limitan los gránulos de secreción, con la MC. Así,
estos gránulos descargan su contenido en el exterior de la célula pero sus
membranas pueden volver a integrar la MC o regresar a las regiones de
Golgi en forma de vesículas. Por lo tanto habría un flujo de membrana y del
material incluido en los espacios delimitados por membranas que se
encuentran entre la superficie y los compartimentos intracelulares. Esto
también podría ocurrir entre los componentes intracelulares.
Endocitosis y exocitosis
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NÚCLEO
Los organismos cuyas células tienen una membrana para separar el
núcleo del resto del protoplasma se les llaman eucariotes, y a los que no
tienen esta membrana se le llama procariotes (bacterias y algunas algas).
El núcleo posee dos funciones principales:


Almacenamiento y duplicación del ácido desoxirribonucleico
(ADN)
Síntesis de los ácidos ribonucleicos ribosómico (ARNr),
mensajero (ARNm) y de transferencia (ARNt).
El ADN contiene toda la información necesaria para el funcionamiento
de la célula.
Los tres tipos de ARN se hallan vinculados con la traducción de la
información genética contenida en la molécula de ADN de ciertas proteínas
específicas, sintetizadas en el citoplasma.
El ARNm transmite la secuencia de aminoácidos de las proteínas
determinando el orden de ubicación del ARNt que transporta los
aminoácidos adecuados.
Cuando la información que se encuentra en una molécula de ARNm
es “leída”, varios ribosomas se unen al ARNm por medio de sus subunidades
más pequeñas. Esta combinación de un ARNm y sus ribosomas recibe el
nombre de polisoma. Cada uno de los ribosomas de un polisoma sintetiza
una cadena polipeptídica, de modo tal que se producirán simultáneamente
varias cadenas en un mismo polisoma. La proteína sintetizada será liberada
al citoplasma. El tiempo promedio en que se realiza este proceso está entre
los 10 y 20 segundos.
Dentro del núcleo se encuentran unas masas de fibras formadas por
ADN nuclear y proteínas. Cada molécula de ADN y sus proteínas asociadas
constituyen un cromosoma. El núcleo de una célula humana contiene 46
cromosomas.
Estructura del ADN
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Al conjunto de los cromosomas que se encuentran dentro de una
célula se le llama cromatina. Dentro de la cromatina se distinguen varias
estructuras que se llaman nucléolos, fibras nucleolares y gránulos
nucleolares. Los nucléolos son parte de la cromatina y se especializan en el
ensamble de las subunidades que constituyen los ribosomas.
El núcleo es el centro de control de la célula. La información
contenida en el ADN se transcribe en ARN mensajero, el cual es leído por
los ribosomas del citoplasma para sintetizar proteínas. Las proteínas tienen
múltiples funciones (remitirse al Anexo). Cada porción de ADN que contiene
la información para producir una proteína específica lleva el nombre de gen.
Por ende, la expresión de genes distintos determina la actividad específica
de cada célula.
El núcleo y sus estructuras
ORGANELAS CITOPLASMÁTICAS
Membrana nuclear
Constituida por una superficie externa que contiene gránulos, los
ribosomas, con los cuales mantendría conexión a través de aberturas que
contienen enzimas y una superficie interna asociada habitualmente a la
cromatina. Ambas capas se unen y forman poros que serán vías de
transferencia de información entre el núcleo y el citoplasma.
Retículo endoplasmático
Existen unas vesículas limitadas por membranas, denominadas
microsomas que cumplen varias funciones incluyendo la de servir como
base para la adherencia de ribosomas, la biosíntesis de los lípidos y para la
acumulación de calcio, en el caso del músculo estriado. Estos microsomas
se encuentran en un formación de túbulos recibiendo el nombre de retículo
endoplasmático (RE). Hay dos tipos:
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 RE rugoso: Es el que sirve de base para la adherencia de los
ribosomas. Crece sintetizándose a sí mismo.
 RE liso: Carece de ribosomas. Su membrana transporta enzimas
importantes para diversos ciclos biosintéticos, por ejemplo, las
necesarias para la síntesis de esteroides, de triglicéridos, de fosfolípidos,
control de la concentración de Ca+, etc.
Retículo endoplasmático
Aparato de Golgi
Es el sitio donde muchas proteínas finalizan su síntesis y donde se
decide su destino. Aquí se completa la síntesis de la fracción de hidratos de
carbono de las glucoproteínas, por ejemplo, la síntesis de la fracción de HC
de la tiroglobulina y la inmunoglobulina comienza en el RE pero los azúcares
terminales se agregan en el aparato de Golgi. Los productos se acumulan
en forma de gránulos dentro de vacuolas y vesículas derivadas de esta
organela y luego son enviados hacia la membrana celular o hacia el espacio
extracelular por exocitosis.
Lisosomas
Es un cuerpo delimitado por membrana que contiene enzimas
llamadas hidrolasas cuya función consiste en digerir prácticamente todas las
macromoléculas (hidratos de carbono, proteínas y lípidos). Los lisosomas
sirven para degradar estructuras propias de la célula o externas a ellas
como bacterias y virus.
Peroxisomas
Son otro grupo de cuerpos limitados por membrana. Se los asocia a
menudo con el RE del cual se cree que derivan. Cumplen una función en el
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metabolismo de lípidos, y también en procesos de eliminación de tóxicos
como el etanol (alcohol). Para ello intervienen en el metabolismo del
peróxido (agua oxigenada, H2O2), conteniendo enzimas que destruyen el
peróxido de hidrógeno (ej; catalasa) y otras que lo producen (como la daminoácidooxidasa).
Mitocondria
Esta organela interviene en el metabolismo de aminoácidos, lípidos e
hidratos de carbono para generar energía en forma de ATP (adenosin
trifosfato). Está limitada en su parte externa por dos membranas de
lipoproteínas. La más interna muestra pliegues denominados crestas o
túbulos. Dentro de ella, se halla una matriz que contiene gránulos, ARN y
ADN.
Mediante un proceso llamado fosforilación oxidativa, la mitocondria
utiliza energía liberada por la oxidación de nutrientes (en especial la
glucosa) para producir ATP. El ATP es el combustible que la célula utiliza en
prácticamente todos sus procesos metabólicos.
Sobre la base de evidencias fisiológicas y bioquímicas se considera,
en general, que las enzimas respiratorias (ATPasa) y los componentes de la
fosforilación oxidativa se hallan unidos, en disposición ordenada, sobre la
membrana interna, en lo que se denomina cadena respiratoria. Se calcula
que hasta el 90% de la energía de la célula es producida en la mitocondria.
El proceso de producción de ATP por la mitocondria depende
de la disponibilidad de oxígeno (O2). Sin él, la actividad mitocondrial
se detiene, el ATP se agota y la célula finalmente muere.
Microtúbulos y microfilamentos
Son estructuras intracelulares que no están limitadas por membrana.
Los microtúbulos tienen por función el movimiento orientado, por ejemplo:
transporte axónico del neurotransmisor desde el cuerpo de la célula
nerviosa (donde tiene lugar su síntesis) hasta la terminación sináptica
donde es liberado. Los microfilamentos parecen servir como núcleo
estructural de las microvellosidades presentes en células del aparato
digestivo, por ejemplo.
17
ANEXO I
ÁTOMOS, MOLÉCULAS Y VIDA
Las actividades que asociamos con el hecho de estar vivo dependen
de las combinaciones e intercambios entre átomos, y que la energía
almacenada en las uniones de estos átomos es la que impulsa a los seres
vivos.
Átomo
Toda la materia, incluidos los organismos más complejos, está
constituida por combinaciones de elementos básicos. En la Tierra existen
92 elementos aproximadamente. Entre ellos podemos citar el carbono
presente en todos los componentes celulares, en el diamante y en el grafito
en su forma pura; el oxígeno, abundante en el aire que respiramos; el
calcio con el que muchos organismos construyen cáscaras de huevo,
dientes, huesos, etc; y el hierro que le da el color a nuestra sangre.
El elemento es, por definición, una sustancia que no se puede separar
de otra sustancia por métodos ordinarios. La partícula más pequeña de un
elemento en el átomo.
La estructura del Átomo es la siguiente:
 Un núcleo compuesto por un número característico de partículas
cargadas positivamente llamadas protones. El número de protones en
un átomo se denomina número atómico. Por ejemplo el Hidrógeno tiene
un protón en su núcleo, pues su número atómico será 1.
 Fuera del núcleo existen partículas cargadas negativamente: los
electrones, que son atraídos por la carga positiva de los protones. El
número de electrones en un átomo iguala el número de protones en su
núcleo. Estos electrones determinan las propiedades químicas de los
átomos y cuando se producen reacciones químicas se producen cambios
en el número y en el estado energético de estos electrones.
 Por último hablaremos de los neutrones: partículas sin carga
eléctrica. Se encuentran en el núcleo donde parecen tener un efecto
estabilizador. El peso atómico de un elemento es aproximadamente
igual a la suma del número de protones y neutrones presentes en sus
átomos. ¿Por qué no consideramos a los electrones en el cálculo del
peso? Porque son muy livianos y no aportan diferencias significativas.
18
El átomo
Moléculas y enlaces
Cuando los átomos entran en interacción, completándose sus niveles
energéticos exteriores, se forman partículas nuevas y más grandes: las
moléculas. Las fuerzas que las mantienen unidas se llaman enlaces.
El agua, por ejemplo, es una molécula constituída por dos átomos de
hidrógeno unidos a un átomo de oxígeno. Su fórmula química es entonces
H2O. A medida que vamos avanzando en complejidad, el número de átomos
es cada vez mayor. La glucosa, por ejemplo, está constituída por 6 átomos
de carbono, 12 de hidrógeno y 6 de oxígeno y su fórmula sería C6H12O6.
Los enlaces entre átomos pueden ser de dos tipos fundamentales:
Enlaces iónicos son los que implican la atracción mutua de iones de
carga opuesta. Para muchos átomos, la manera más fácil de completar el
nivel energético exterior es ganar o perder uno o dos electrones. Ej: el
sodio tiene un solo electrón en su nivel de energía exterior. Si un átomo de
cloro se encuentra próximo a un átomo de sodio, éste electrón se sentirá
fuertemente atraído por el átomo de cloro y saltará del sodio al cloro. Esta
transferencia genera que estos dos átomos tengan sus niveles energéticos
exteriores completos y, por lo tanto, se mantengan unidos. En este proceso,
no obstante, los átomos originales se han cargado eléctricamente. Los
átomos cargados eléctricamente llevan el nombre de iones. Los iones
cargados negativamente se denominan aniones, y los cargados
positivamente cationes. Así el ión sodio (Na+), con su única carga positiva,
es atraído por el ión cloruro (Cl-) con su única carga negativa. La sustancia
resultante, el cloruro de sodio (NaCL-) es la sal de mesa común.
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Los enlaces covalentes se producen entre átomos que comparten
electrones. Este tipo de enlace es más fuerte y difícil de romper que el
enlace iónico. La mayoría de las estructuras celulares, como las proteínas,
los lípidos y los hidratos de carbono están constituidos por átomos unidos
de forma covalente.
Otros conceptos a recordar
Una solución es una mezcla uniforme de moléculas diferentes. La sustancia
presente en mayor cantidad, que habitualmente es líquida, se llama
solvente. Las sustancias presentes en cantidades menores se llaman
solutos.
El agua es el solvente natural dentro de los sistemas vivos. En este caso,
llamaríamos solutos a todas las moléculas restantes: aminoácidos, glucosa,
iones, etcétera.
MACROMOLÉCULAS
Hidratos de carbono
Los hidratos de carbono, también llamados azúcares, están formados
por carbono, hidrógeno y oxígeno. Su unidad básica son los monosacáridos.
Se clasifican en:

Hidratos de carbono simples: constituídos por una o dos
moléculas de glucosa, fructosa y galactosa.

Hidratos de carbono complejos: constituídos por cadenas de
numerosas moléculas de hidratos simples. Ejemplos son el almidón y
el glucógeno, que veremos en el capítulo de sistema digestivo.
Formación del disacárido sacarosa (azúcar de mesa) a partir de glucosa y fructosa
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Funciones de los hidratos de carbono:

Fuente de energía celular (principal función).

Componentes de ciertas proteínas (glucoproteínas).

Forma
de
almacenamiento energético (glucógeno en
animales, almidón en vegetales).

Componente estructural de la pared celular de plantas.
Proteínas
Estructura de una proteína
Después del agua las proteínas son los compuestos más abundantes
en las células y representan más del 50% de su masa seca. Su
elevada presencia también nos habla de la importancia funcional de estas
macromoléculas.
Las proteínas están formadas por cadenas de aminoácidos, formados
a su vez por átomos de C, H, O y N, y en algunos tipos azufre (S) y fósforo
(P). Todos los aminoácidos poseen un grupo amino (NH2) de
carácter básico, un grupo carboxilo (COOH) de carácter ácido y una cadena
lateral o radial, distinta para cada tipo de aminoácidos.
Estructura química de un aminoácido
Entre los grupos funcionales amino y carboxilo se establecen enlaces
denominados uniones peptídicas, resultando de ello la formación de
cadenas que pueden corresponder a:

proteínas: si contienen más de 100 aminoácidos
21

péptidos: se llaman así si contienen menos de 100 aminoácidos. Se
dividen en polipéptidos cuando son muchos aminoácidos, y oligopéptidos
cuando son unos pocos.
Funciones de las proteínas

Forman el material estructural básico de la células

Muchas son enzimas, catalizadores biológicos que controlan la
velocidad de las reacciones químicas celulares.

Regulan el equilibrio ácido-base y osmótico de la sangre.

Posibilitan la coagulación de sangre.

Permiten la contracción muscular.

Actúan como hormonas entre otras funciones.
Lípidos
Los lípidos o grasas son macromoléculas que contienen en su
estructura carbono, hidrógeno y oxígeno. Las unidades básicas son
los ácidos grasos y el glicerol, que al unirse forman triglicéridos, aunque
existen variantes. Otro ejemplo de lípido es el colesterol. Los lípidos son
insolubles en agua.
Funciones de los lípidos

Función de reserva: los lípidos simples cumplen un rol
energético, pero debido a su dificultad para ser metabolizados, se
emplean como reserva y se acumulan en el tejido adiposos,
distribuidos, por ejemplo, en la cintura y abdomen.

Función estructural: forma parte de estructuras celulares
de sostén, por ejemplo, membranas celulares.

Función reguladora: algunas hormonas y los ácidos biliares
regulan los procesos vitales para un adecuado funcionamiento del
organismo.
Existen varios tipos de lípidos pero los que revisten mayor importancia son:
 Triglicéridos: son las grasas y los aceites. Están formados por
una molécula de glicerol y tres ácidos grasos mediante un enlace covalente
de tipo éster. Los triglicéridos son los lípidos que más en nuestro organismo
y en los alimentos. Muchos alimentos que consumimos contienen
triglicéridos, como la manteca o el aceite. Su función principal es servir
como fuente de energía. Los triglicéridos se almacenan en el citoplasma de
las células adiposas en forma de gotas.
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 Fosfolipídos: están formados por una molécula de glicerol y dos de
ácidos grasos, y además contienen fósforo. Su función principal es formar
las membranas de las células (“bicapa lipídica”). Algunos fosfolípidos tienen
una gran importancia en el tejido nervioso. Las moléculas de los fosfolípidos
tienen un lado polar y otro apolar, puesto que contienen un lado hidrofóbico
(repele el agua) que son las colas y un lado hidrofílico (no repele el agua)
que son las cabezas.
Un fosfolípido
 Esteroides:
si
bien
no
están
formados
a
partir
de
la unión entre ácidos grasos y glicerol, se les considera como lípidos por dos
hechos fundamentales: están constituidos por carbono, hidrógeno y
oxígeno, y son insolubles al agua. El ejemplo más importante de esteroide
es el colesterol, que es un constituyente importante de la membrana
plasmática. Además, el colesterol sirve para sintetizar diversas hormonas
como las hormonas sexuales y el cortisol.
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