Capítulo 6: Las células son las unidades básicas de ...academic.uprm.edu/fbird/Biol 3051/3051-2016-cap-6-ppt.pdf• Mantiene las condiciones de vida en el interior de la célula

Biol 3051 Estructura Celular

Dr. Fernando J. Bird-Picó - 2016 1

Capítulo 6:Organización Celular

Dr. Fernando J. Bird-Picó

Departamento de BiologíaRecinto Universitario de Mayagüez

Teoría Celular

(1) Las células son las unidades básicas de la estructura, organización y funcionamiento celular de losorganismos vivos

(2) Todas las células se originan de células(3) La estructura celular se relaciona a la

función celular(4) Todas las células vivientes han

evolucionado de un ancestro común

Homeostasis

• Las células eucariotas poseen variosorganelos , que son estructuras internasque llevan a cabo funciones específicasque ayudan a mantener el balance u homeostasis

Membrana Plasmática

• Membrana Plasmática o celular• Envuelve a la célula• Es el umbral entre la célula y el medio

ambiente que la rodea• Mantiene las condiciones de vida en el

interior de la célula • Permite que la célula intercambie materiales

con su medio ambiente y viceversa de forma selectiva.



Importanciadel tamaño

celular

Figure 6.210 m

1 m

0.1 m

1 cm

1 mm

100 µm

10 µm

1 µm

100 nm

10 nm

1 nm

0.1 nm Atoms

Small molecules

LipidsProteins

Ribosomes

VirusesSmallest bacteria

MitochondrionMost bacteriaNucleus

Most plant andanimal cells

Human egg

Frog egg

Chicken egg

Length of somenerve andmuscle cells

Human height

Una

ided

eye

LM

EM

Super-resolution

microscopy

© 2014 Pearson Education, Inc.

Microscopía:

• Magnificación : la tasa o razón del tamaño de la imágen de un objeto a sutamaño real

• Resolución : medida de la claridad de la imágen o capacidad de distinguir la distancia mínima entre dos puntos

• Contraste : diferencia en claridad enpartes de una muestra

Microscopios

• Microscopiosde luz

• MicroscopiosElectrónicos

• Mejor poderde resolución

Figure 6.3

50 µm

10 µm

50 µ

m

10 µ

m

1 µm

2 µm 2 µm

Brightfield(unstainedspecimen)

Brightfield(stained specimen)

Phase-contrast Differential-interference-contrast(Nomarski)

Fluorescence Confocal (without) Confocal (with)

Deconvolution

Super-resolution(without)

Super-resolution(with)

Scanningelectronmicroscopy (SEM)

Transmissionelectronmicroscopy (TEM)




Fraccionamiento Celular

• Permite la purificaciónde organelosutilizando diferentesmétodos para aislarlos

• Una vez aislados, se puede estudiar la función de estasestructuras celulares

• Centrifugación, tinción, marcado con moléculasfluorescentes, marcado con isótoposradioactivos, etc.


Procariotas o Procariontes• Célula Procariota

• No poseen organelos con membranas en suorganización interna

• Area nuclear - nucleoide(no es un núcleo)

• Poseen pared celular• Tienen ribosomas

(partículas de ribonucleoproteínas – no organelos)

• Algunos poseen flagelos(estructuras para la locomoción o anclaje a substratos)


Eucariotas

• Células Eucariotas• Poseen núcleo rodeado de membrana• Poseen varios organelos con membranas

en el citoplasma• Nos referimos al componente líquido del

citoplasma como el citosol• Son más grandes en tamaño que las

células procariotas

Figure 6.6

(a) TEM of a plasma membraneOutside of cell

Insideof cell Carbohydrate side chains

Hydrophilicregion

Hydrophobicregion

Hydrophilicregion

Structure of the plasma membrane(b)

Phospholipid Proteins

0.1 µm




Figure 6.7Surface area increases while

total volume remains constant

Total surface area[sum of the surface areas(height × width) of all boxsides × number of boxes]

5

11

6

6 6

150 750

1251251

1.2

Total volume[height × width × length× number of boxes]

Surface-to-volume(S-to-V) ratio[surface area ÷ volume]


• Razón o tasa de Superficie a Volúmen• La tasa de superficie de membrana plasmática

(celular) con respecto al volúmen de la célula• La membrana regula el paso de materiales a

través de la misma para llevar materiales

• Factor Crítico en la determinación del tamañocelular


Figure 6.8a

Flagellum

Centrosome

CYTOSKELETON:Microfilaments

Intermediate filamentsMicrotubules

Microvilli

Peroxisome

MitochondrionLysosome

Golgi apparatus

Ribosomes

Plasmamembrane

Nuclearenvelope

Nucleolus

Chromatin

NUCLEUS

ENDOPLASMICRETICULUM (ER)

Rough ER Smooth ER

Células de Plantas

• Características de las células vegetales• Poseen una pared celular rígida• Poseen plastidios• Presencia de vacuolas grandes• No poseen centríolos

Figure 6.8b

NUCLEUS

Nuclearenvelope

NucleolusChromatin Rough ER

Smooth ER

Ribosomes

Central vacuole

Microfilaments

MicrotubulesCYTOSKELETON

Chloroplast

Plasmodesmata

Wall of adjacent cell

Cell wall

Plasmamembrane

PeroxisomeMitochondrion

Golgiapparatus





Figure 6.8c

Ani

mal

Cel

ls

Fun

gal C

ells

Pla

nt C

ells

Uni

cellu

lar

Euk

aryo

tes

Human cells from liningof uterus (colorized TEM)

Yeast cells budding(colorized SEM)

A single yeast cell(colorized TEM)

Cells from duckweed(colorized TEM)

Chlamydomonas(colorized SEM)

Chlamydomonas(colorized TEM)

Cell

NucleusNucleolus

Parentcell

BudsCell wall

Vacuole

Nucleus

Mitochondrion

Cell wall

Cell

Chloroplast

Mitochondrion

Nucleus

Nucleolus

Flagella

Vacuole

Cell wallChloroplast

Nucleus

Nucleolus

10 µ

m

5 µ

m

5 µ

m

1 µ

m

8 µ

m

1 µm Animación: Pared Celular en Plantas

Membranas Celulares

• Dividen la célula en compartimientos interiores

• Estructuras llamadas vesículastransportan materiales entre compartimientos

• Estas membranas son importantes en el proceso de almacenaje y conversión energética de la célula

• Algunas forman un sistema de endomembranas

Núcleo

• Centro de Control y Comando de la célula• Información genética codificada en el DNA

• Envoltura Nuclear• Estructura de doble membrana que separa al

núcleo del citoplasma

• Poros Nucleares• Permiten comunicación con el citoplasma



Estructuras encontradas en el núcleo

• Cromatina• Compuesta de DNA y proteínas

• Cromosomas• Compuestos de DNA en forma compacta con

proteínas (histonas) previo a la división celular

• Nucleolo• Síntesis del RNA ribosomal (rRNA)• Ensamblaje de los ribosomas ocurre aquí

• Lámina nuclear : compuesta de proteínas, mantiene la forma del núcleo

Figure 6.91 µm Nucleus

NucleolusChromatin

Nuclear envelope:Inner membrane

Outer membrane

Nuclear pore

Nucleus

RoughER

Chromatin

Nuclear lamina (TEM)

Close-upof nuclearenvelope

Pore complexes (TEM)

0.25

µm

0.5 µ

m

Porecomplex

Ribosome

Surface ofnuclear envelope(TEM)


Ribosomas

• Son partículas (no organelos) compuestos de RNA y proteínas (partículas de ribonucleoproteínas)

• Llevan a cabo la síntesis de proteínas a partir de los mensajes genéticos que vienen del DNA (mRNA)

• Los encontramos de forma libre en el citoplasma o asociados a membranas ya sea en la envoltura nuclear o el retículo endoplásmico


Figure 6.10

RibosomesER

TEM showing ERand ribosomes

Free ribosomes in cytosolEndoplasmicreticulum (ER)

Ribosomes bound to ERLarge subunit

Small subunit

Diagram of aribosome

Computer modelof a ribosome

0.25 µm



Síntesis de Proteínas Sistema de endomembranas regula el movimiento de proteínas y lleva a cabo

funciones metabólicas en la célula

• Componentes del sistema de endomembranas :• Envoltura nuclear• Retículo endoplásmico• Complejo u aparato de Golgi• Lisosomas• Vacuolas• Membrana Plasmática

• Estos componentes son ya sea continuos o conectados a través de vesículas de transporte


Retículo E ndoplásmico (RE)

• Red de membranas continuas con la envoltura nulear• sus membranas hacen mas de la mitad de la cantidad de

membranas que encontramos en la célula eucariota• en el citosol

• RE Liso• Síntesis de lípidos y metaboliza carbohidratos• Almacenar iones de calcio (célula muscular)• Producción de enzimas detoxificadoras

• RE Granular• ribosomas en la superficie externa• Ensamblaje de proteínas y glicoproteínas• Distribuye vesículas de transporte (proteínas) y

componentes para fabricar membranas© 2014 Pearson Education, Inc.

Figure 6.11

Smooth ER

Rough ER Nuclearenvelope

ER lumenCisternae

Ribosomes

Transport vesicle

TransitionalER

Smooth ER Rough ER

0.20 µm



Complejo de Golgi

• Compuesto de Cisternas: estibas de sacosmembranosos aplanados

• Procesamiento de proteínas sintetizadas por el RE

• Producción de lisosomas:• Saco membranoso que contiene enzimas hidrolíticas

que pueden digerir macromoléculas tales comoproteínas, grasas, ácidos nucléicos y polisacáridos

• Autofagia o sacos suicidas de de Duve

Figure 6.12

0.1 µm

TEM of Golgi apparatus

Cisternae

Golgiapparatus

cis face(“receiving” side ofGolgi apparatus)

trans face(“shipping” side of Golgi apparatus)


Lisosomas

• Sacos membranosos que contienen enzimas hidrolíticas para digerir macromoléculas

• Las enzimas lisosómicas son capaces de digerir proteinas, grasas, polisacáridos y ácidos nucleicos

• Estas enzimas funcionan de forma óptima en el ambiente ácido dentro del lisosma

• Fagocitosis: forma vacuola alimenticia• Autofagia: enzimas lisosómicas pueden

reciclar los organelos de la misma célula© 2014 Pearson Education, Inc.

Figure 6.13

1 µm

(a)

NucleusVesicle containingtwo damagedorganelles

Mitochondrionfragment

Peroxisomefragment

Lysosome

Peroxisome

MitochondrionVesicle

Digestion

Autophagy: lysosome breaking downdamaged organelles

(b)

Digestion

Phagocytosis: lysosome digesting food

Foodvacuole

Plasmamembrane

Digestiveenzymes

Lysosome

Lysosome

1 µm



Vesículas de Transporte

• Formadas por membranas• Movilizan glicoproteínas

• Del RE a la faceta cis del complejo de Golgi• Acarrean proteínas modificadas de la faceta

trans a lugares específicos


Figure 6.15

Smooth ER

Nucleus

Rough ER

cis Golgi

trans Golgi

Plasmamembrane

Vacuolas

• Vacuolas• Compartimientos celulares con diversas

funcionesVacuolas alimenticias : fagocitosisVacuolas contráctiles : en protistas

dulceacuícolas para mantener balance hídricoVacuolas centrales : en células vegetales

maduras para almacenar agua y compuestos orgánicos

Figure 6.14

5 µm

Central vacuole

Nucleus

Cell wall

Chloroplast

Centralvacuole

Cytosol




Mitocondrios y Cloroplastos: transformación de energía

• Mitocondrios y Cloroplastos: • no son parte del sistema de endomembranas• Poseen estructura de membrana doble• Poseen su propio DNA• Proteínas sintetizadas por ribosomas libres

• Mitocondrios: es donde se lleva a cabo parte de la respiración celular, un proceso metabólico que genera ATP

• Cloroplastos: en las algas y plantas, es donde se lleva a cabo la fotosíntesis

• Peroxisomas: organelos oxidativos

Figure 6.16Endoplasmicreticulum

Nucleus

Nuclearenvelope

Ancestor ofeukaryotic cells (host cell)

Engulfing of oxygen-using nonphotosyntheticprokaryote, whichbecomes a mitochondrion

Nonphotosyntheticeukaryote

Engulfing ofphotosyntheticprokaryote

Mitochondrion

Mitochondrion

Chloroplast

Photosynthetic eukaryote

At leastone cell


Mitocondrios• En casi todas las células eucariotas• Se lleva a cabo la respiración celular

aeróbica• Estructura de doble membrana

• Membrana interna plegada (cristas: proveesuperficie amplia para enzimas que sintetizanATP)

• matriz (en cristas y compartimientos internos)

• Importante en el proceso de apoptosis• Muerte celular programada

Figure 6.17a

MitochondrionIntermembranespace

Outermembrane

DNA

Innermembrane

Freeribosomesin themitochondrialmatrix

Cristae

Matrix

Diagram and TEM of mitochondrion0.1 µm

(a)




Respiración Aeróbica

• Catabolismo (rompimiento) de nutrientes utilizando oxígeno

• La energía obtenida de estos nutrientes es transferida a corto tiempo en forma de ATP (no se puede almacenar).

• De ese proceso se produce CO2 y H2O, además de la energía obtenida

Plastidios

• Plastidios• organelos que producen y almacenan

alimentos u otros compuestos (amiloplastos, cromoplastos, etc.)

• En células de plantas y algas

• Cloroplastos• plastidios que llevan a cabo el proceso de

fotosíntesis

Estructura del Cloroplasto

• Estroma• Matriz líquida encerrada o limitado por la membrana interna del

cloroplasto

• Granas o granos• Estibas de sacos membranosos llamados tilacoides• Se encuentran suspendidos en la estroma


Figure 6.18a

Fotosíntesis

• Clorofila• Pigmento verde en las membranas del tilacoides

• Responsable de atrapar energía lumínica

• Esta energía de luz se convierte a energía química enmoléculas de ATP

• Este último se utiliza para sintetizar carbohidratos a partir de dióxido de carbono y agua



Peroxisomas: Oxidación• Compartimientos

especializados de una sólamembrana

• Producen y degradanperóxido de hidrógeno (poracción de la enzima catalasa) y lo convierten en agua

• Utilizan oxígeno para romper diferentes tipos de moléculas

• Glioxisoma : peroxisomaespecializado en célulasvegetales para la oxidaciónde ácidos grasos

Citoesqueleto

• Es una red de fibras que se extiende portodo el citoplasma

• Organiza las estructuras celulares y susactividades fisiológicas, sirviendo de anclapara inmovilidar a los organelos

• Se compone de tres tipos de estructurasmoleculares:

• Microtúbulos (o simplemente microtubos)• Microfilamentos• Filamentos intermedios

Table 6.1


Fig. 6-20

Microtubule

Microfilaments0.25 µm



Citoesqueleto: Apoyo estructural, motilidad y regulación

• Rol en mantener la forma de la célula• Interactúa con proteínas motoras para

llevar a cabo movimiento• Provee “autopistas” de dirección para el

movimiento de vesículas que acarrean materiales

• Puede ayudar a regular actividad bioquímica


Figure 6.21

0.25 µmVesiclesMicrotubule

SEM of a squid giant axon(b)

(a) Motor proteins “walk” vesicles along cytoskeletalfibers.

(a)

Motor protein(ATP powered)

Microtubuleof cytoskeleton

Receptor formotor protein

VesicleATP

Citoesqueleto• Microtúbulos o microtubos

• Cilindros huecos de la proteína tubulina• 25 nm de diámetro y de 200 nm a 25 micrones

de largo• Poseen terminales (+) y (-); estos últimos

anclados a los MTOC • Centros de Organización de Microtubos

(MTOC del texto y centrosoma) y Proteínas Asociadas a Microtubos (MAPs del texto)

• Mantenimiento de la forma de la célula; dirigiendo el movimiento de organelos y separando los cromosomas durante la división de cromosomas

Table 6.1b




Microtúbuloso

Microtubos

Centrosomas y Centríolos• En muchas células, los microtúbulos crecen

desde el centrosoma cerca del núcleo• El centrosoma es el MTOC (“microtubule-

organizing center”)• En las células animales, el centrosoma

posee un par de centríolos , cada uno con nueve (9) tripletas de microtúbulosdispuestos en forma de anillo (circular)

Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings

Centrosoma

• Es el Centro Organizador de Microtubos en las céculas animales (MTOC en el libro de texto)

• Usualmente contiene dos centríolos• Cada centríolo esta compuesto de un

arreglo de microtubos dispuestos en 9 x 3 (nueve tripletas de microtubos)


Figure 6.22

0.25 µm

Microtubule

Centrioles

Centrosome

Longitudinalsection of onecentriole Microtubules

Cross sectionof the other centriole



Centríolos Cilios y Flagelos: controlados por microtúbulos

• Cilios y flagelos• Estructuras delgadas y mótiles• Se proyectan desde la superficie de la célula• Función principal es movimiento y locomoción

• Cilios: usualmente cortos • Flagelos: largos (en comparación a cilios)• Ambos con misma ultraestructura:

• Cuerpo basal que los ancla a la célula• Microtúbulos dispuestos en arreglo 9+2• Motor de dineína que logra el movimiento

Figure 6.23

5 µm

15 µm

(a)

(b)

Motion of flagella

Motion of cilia

Direction of swimming

Direction of organism’s movement

Power stroke

Recoverystroke

© 2014 Pearson Education, Inc. © 2014 Pearson Education, Inc.

Figure 6.24

0.1 µm

0.5 µm

0.1 µm

Microtubules

Plasmamembrane

Basalbody

Longitudinal sectionof motile cilium

(a)

Triplet

Cross section ofmotile cilium

(b)

Outer microtubuledoublet

Motor proteins(dyneins)Centralmicrotubule

Radial spoke

Cross-linkingproteins betweenouter doublets

Plasmamembrane

Cross section of basal body(c)



Fig. 6-25Microtubuledoublets

Dyneinprotein

ATP

ATP

(a) Effect of unrestrained dynein movement

Cross-linking proteinsinside outer doublets

Anchoragein cell

(b) Effect of cross-linking proteins

1 3

2

(c) Wavelike motion

Microfilamentos

• Filamentos dobles de la proteína actina• Sólidos en estructura, 7 nm de diámetro• Importantes en el movimiento celular• Rol estructural es en tensión: resiste fuerzas de

separación dentro de la célula

• Grupos de microfilamentosforman centro de microvellosidadesen el intestinodelgado

Figure 6.25

Microvillus

Plasma membrane

Microfilaments (actinfilaments)

Intermediate filaments

0.25

µm


• Forman matriz tridimensional (3D) justamente debajo de la membrana celular (corteza): mantenimiento de forma celular

Fig. 4-26b, p. 101

(b) Many bundles of microfilaments (green) are evident in thisfluorescent LM of fibroblasts, cells found in connective tissue.

100 µm




Microfilamentos

• En unión a la miosina (filamentos gruesos en músculos) llevan a cabo la contracción del mismo

• Contracción localizada de actina y miosina contribuyen en el movimiento ameboideo

• Pseudópodos (extensiones celulares) se pueden extender y contraer por el ensamblaje y destrucción de las subunidades de actina en los microfilamentos

• El llamado flujo citoplásmico (streaming)© 2014 Pearson Education, Inc.

Figure 6.26

Muscle cell0.5 µm

Actinfilament

Myosinfilament

Myosinhead Chloroplast

(a)

(b)

(c)Myosin motors in muscle cell contraction Cytoplasmic streaming in plant cells

Amoeboid movement

Extendingpseudopodium

Cortex (outer cytoplasm):gel with actin network

Inner cytoplasm(more fluid)

100 µm

30 µm

Filamentos intermedios

• Fuerza estructural y robustez del citoesqueleto• Diámetro variable de 8 a 12 nm

• Estabiliza la forma de la célula

• Son estructuras más permanentes que los microtúbulos y microfilamentos

Filamentos Intermedios



Citoesqueleto Un motor de cinesina

Animación: Proteínas Motoras

Envoltura Celular

• Glicocáliz (envoltura celular)• Rodea a la célula• Los polisacáridos se extienden y proyectan

de la membrana plasmática hacia el exterior



Matriz Extracelular (MEC)

• Funciones: apoyo estructural, adhesión, movimiento y regulación

• Matrix Extracelular (MEC)• Rodea el exterior de muchas células animales• Formada de carbohidratos y proteínas

• Fibronectinas• Son las glicoproteínas que encontramos en la matriz

extracelular (MEC)

• Se unen a las integrinas (proteínas)

• Integrinas• Proteínas receptoras en la membrana plasmática

Fig. 4-28, p. 102

Membranaplasmática

Colágeno

Fibronectinas

Integrina

Filamentointermedio

Microtubos

Matrizextracelular

Citosol

Matriz Extracelular

Microfilamentos

Proteoglu-cano complejo

Pared Celular

• Celulosa y otros polisacáridos• Forman paredes celulares rígidas• En células de bacterias, hongos, y plantas


Figure 6.27

Secondarycell wall

Primarycell wall

Middlelamella

Central vacuole

Cytosol

Plasma membrane

Plant cell walls

Plasmodesmata

1 µm



Uniones Celulares en Células Animales

• Tight junctions – Uniones apretadas• Sellan las dos membranas • Impiden movimiento de materiales entre las

células

• Gap junctions• formados de la proteína conexina• forma canales entre las células• permite comunicación entre las células

• Desmosomas: uniones de anclaje; amarran células entre sí formando láminas fuertes de éstas.

Uniones Celulares

• Uniones de Anclaje• desmosomas y uniones adherentes • Entre células dispuestas en láminas o camadas de

tejidos

• Desmosomas • Equivalente a un remache que une físicamente las

membranas de dos células

• Uniones Adherentes• formadas por cadherinas• Pega las células unas a otras

Tight Junctions Uniones apretadas [“tight junctions”]



Gap Junctions

Fig. 5-24, p. 127

0.25 µm

Plasmamembranes

Intercellularspace

Intermediatefilaments

Proteinfilaments

Disc ofdense proteinmaterial

Cell 1 Cell 2

Desmosome

Desmosomas

Fig. 6-32c

Desmosoma1 µm

Figure 6.30Tight junctions preventfluid from movingacross a layer of cells.

Tightjunction

TEM 0.5 µm

Tight junction

Desmosome

Intermediatefilaments

Gapjunction

Ions or smallmolecules

Plasmamembranes ofadjacent cells

Spacebetween cells

Extracellularmatrix

Desmosome(TEM)

1 µm

0.1 µmGap junctions

TE

M




Uniones Celulares: Célula Vegetal

• Plasmodesmos• Orificios en las paredes celulares• canales que conectan las membranas

plasmáticas de células adyacentes• Permite el paso de algunos iones y moléculas

Interiorof cell

Interiorof cell

0.5 µm Plasmodesmata Plasma membranes

Cell walls

Fig. 5-27, p. 130

Cell walls

Smooth ER

Cell 2

Cell 1

Plasmamembrane

Desmotubule

Plasmodesmata

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