Estructura y función de las células eucariotas.
Desde el punto de vista de la estructura morfológica, una célula general tiene la estructura de membrana celular, citoplasma (incluidos varios orgánulos) y núcleo. Algunos organismos unicelulares no tienen membrana nuclear (el material nuclear existe en una determinada zona del citoplasma) y se denominan células procarióticas, como las bacterias, las cianobacterias, etc. Las células con membrana nuclear son células con un núcleo verdadero y se denominan células eucariotas (células eucariotas).
Aspectos funcionales: 1. Las células pueden utilizar energía y convertirla. Por ejemplo, las células pueden convertir la energía de los enlaces químicos en energía térmica y energía mecánica para mantener diversas actividades vitales de las células. 2. Tienen capacidades biosintéticas y pueden sintetizar sustancias simples de moléculas pequeñas en sustancias complejas de moléculas grandes, como la síntesis de proteínas y ácidos nucleicos. etc.; 3. Tener la capacidad de autorreplicarse, dividirse y reproducirse, como copiar material genético y heredar características celulares a la siguiente generación de células mediante división celular. Además, las células también tienen la capacidad de coordinar la vida de todo el organismo. Una célula es una masa de protoplasma, a partir de la cual se diferencian la membrana celular, el núcleo, el citoplasma y diversos orgánulos (Figura 1-4). El concepto de protoplasma se ha extendido. Algunas personas piensan que a nivel molecular, el nombre protoplasma es general y poco claro.
(a) La membrana celular o membrana plasmática (plasmolema) rodea la superficie de la célula y es una membrana extremadamente delgada. Generalmente no es visible bajo un microscopio óptico. Sin embargo, bajo un microscopio de microdisección, si presiona suavemente la superficie celular con una sonda microscópica, puede ver arrugas obvias en las células. Si se inyecta en las células un tinte que no puede atravesar la membrana celular utilizando una micropipeta, el resultado es que las células se decoloran y quedan confinadas dentro de la membrana plasmática. Observada con un microscopio electrónico, la mayor parte de la membrana celular tiene tres capas (las capas interna y externa son capas densas, con una capa de menor densidad intercalada entre ellas), llamada membrana unitaria. El espesor es generalmente de 7 nm a 10 nm, y es. compuesto principalmente por proteínas y composición lipídica. En general, se cree que las dos capas densas son equivalentes a componentes proteicos, y la capa intermedia está compuesta por dos capas de moléculas de fosfolípidos (los diferentes tipos de lípidos y proteínas de membrana tienen diferentes composiciones químicas, las proteínas están dispuestas de manera muy irregular, respectivamente). Las superficies interna y externa de la bicapa de fosfolípidos y entran en la bicapa lipídica a diferentes profundidades, y algunas se extienden desde el interior de la membrana hasta el exterior de la membrana (Figura 1-5). Desde la década de 1970, muchos científicos han utilizado diversas tecnologías físicas y químicas nuevas para estudiar la estructura de las membranas y han propuesto que las membranas no son una estructura estática, sino dinámica. Se cree principalmente que la membrana plasmática es un fluido compuesto por moléculas proteicas globulares y una bicapa continua de lípidos. Como los lípidos de la membrana son fluidos, la membrana plasmática también lo es. Actualmente existe un mayor consenso sobre la estructura molecular de las membranas (Figura 1-5). La función de la membrana celular es mantener un entorno intracelular constante, a través del cual los nutrientes se absorben selectivamente del entorno circundante y los metabolitos se expulsan de la célula. Una gran cantidad de experimentos han demostrado que varias proteínas de la membrana celular, especialmente las enzimas, desempeñan un papel clave en el proceso de entrada y salida de diversas sustancias de la membrana celular. Al mismo tiempo, la membrana celular también desempeña un papel en la transmisión de información, la regulación metabólica, el reconocimiento celular y la inmunidad. Una comprensión correcta de la estructura y función de las membranas celulares y una comprensión profunda de algunos mecanismos funcionales fisiológicos relacionados con el cuerpo humano y los animales son de gran importancia para la prevención animal y la práctica médica.
(2) Citoplasma (citoplasma) En la membrana celular, la parte que se encuentra fuera del núcleo es el citoplasma. Al observar células vivas (como los fibroblastos) con un microscopio óptico, se puede observar que el citoplasma es translúcido, homogéneo y de baja viscosidad. Si se siente resistencia cuando se usa una microaguja para perforar la membrana celular, pero no se siente resistencia cuando atraviesa la membrana celular y llega al citoplasma, la microaguja puede moverse libremente. En el citoplasma también se pueden observar partículas refractivas de diferentes tamaños, que son orgánulos y cuerpos de inclusión. Los orgánulos, también conocidos como "órganos celulares", o simplemente "orgánulos", son sustancias indispensables para las actividades de la vida celular y tienen determinadas estructuras y funciones morfológicas. Las inclusiones son productos del metabolismo celular o sustancias extrañas que ingresan a las células y no tienen actividad metabólica. Aparte de los orgánulos y las inclusiones, el resto del material coloidal homogéneo y translúcido que parece no tener estructura se denomina citoplasma básico o citoplasma básico o fundamental o matriz citoplasmática. Aunque bajo el microscopio óptico el citoplasma parece tener poca estructura, bajo el microscopio electrónico revela un complejo sistema de membranas internas, el retículo endoplásmico.
Por lo tanto, el concepto de matriz citoplasmática está fuertemente influenciado por la microscopía electrónica, aunque la comprensión condicional de la matriz sigue siendo la misma, es decir, la parte transparente homogénea de la célula, aparte de las estructuras visibles, es la matriz. El citoplasma contiene los siguientes orgánulos importantes:
1. El retículo endoplásmico (RE) se descubrió por primera vez en el endoplasma de las células bajo un microscopio electrónico (K.R. Porter y A.D. Claude, 1945), por lo que se denomina endoplásmico. retículo (Figura 1-4). -4).Consta de muchos túbulos, vesículas y laminillas (vesículas planas) formadas por membranas. Se encuentra comúnmente en células vegetales y animales (excepto en los glóbulos rojos de los mamíferos), y su forma varía ampliamente en diferentes tipos de células, e incluso en diferentes etapas de desarrollo del mismo tipo de células, su forma, disposición, número y distribución. son diferentes. Sin embargo, el retículo endoplásmico tiene ciertas características morfológicas en todo tipo de células maduras. Según la diferente morfología del retículo endoplasmático, se puede dividir en varios tipos, principalmente rugoso o granular (RE rugoso o RE granular) y liso o no granular (RE liso o RE agranular). Las características principales del RE rugoso son partículas llamadas ribosomas o ribosomas adheridas al exterior de la membrana del RE. Los ribosomas están compuestos por dos subunidades que encajan entre sí para formar una unidad completa de unos 20 nanómetros de diámetro. Los ribosomas son ricos en ácido ribonucleico y proteínas y son el sitio principal para la síntesis de proteínas. Este tipo de retículo endoplasmático suele ser plano y en forma de saco y, en ocasiones, se agranda hasta formar una cisterna reticular. La característica del retículo endoplásmico resbaladizo es que no hay partículas en la membrana. El sistema de membrana suele ser tubular y los tubos están conectados entre sí para formar una red. Estos dos tipos de retículo endoplásmico pueden considerarse un sistema porque frecuentemente están conectados entre sí en la célula, mientras que el retículo endoplásmico rugoso está conectado a la membrana nuclear. El retículo endoplásmico rugoso no sólo sintetiza proteínas en sus ribosomas, sino que también participa en la modificación, el procesamiento y el transporte de proteínas. El retículo endoplasmático liso participa en la síntesis de lípidos, el metabolismo del glucógeno y otros azúcares y el transporte de sustancias intracelulares. Todo el retículo endoplásmico proporciona una gran superficie de membrana, que favorece la distribución de enzimas y las actividades de la vida celular.
2. Cuerpo de Golgi o cuerpo de Golgi, complejo de Golgi. Cuando las células de animales superiores se tratan con determinadas técnicas de fijación y tinción, el aparato de Golgi presenta una estructura reticular, mientras que el aparato de Golgi de la mayoría de los invertebrados presenta una estructura dispersa en forma de anillo o de disco cóncavo. Sin embargo, cuando se observa con un microscopio electrónico, el aparato de Golgi también es una estructura de membrana (Figura 1-6). Consta de muchos sacos planos grandes (o cisternas intraquísticas) y sacos pequeños con superficies lisas. Varios sacos planos grandes se superponen en paralelo y los sacos pequeños se encuentran dispersos alrededor de los sacos planos grandes. El aparato de Golgi participa en el proceso de secreción de las células, procesando, clasificando y empaquetando diversas proteínas sintetizadas en los ribosomas del retículo endoplásmico, o copulándose con azúcares sintetizados por el aparato de Golgi para formar glicoproteínas y transportándolas fuera de la célula para su uso extracelular. La clasificación de las proteínas y el procesamiento de algunos lípidos sintetizados en el retículo endoplasmático se dividen en partes específicas según la categoría de las células. El aparato de Golgi también realiza la biosíntesis de azúcares.
3. Lisosoma Este orgánulo no fue descubierto hasta 1955. Se han utilizado técnicas de microscopía bioquímica y electrónica para demostrar que los lisosomas son estructuras granulares que generalmente varían en tamaño entre 0,25 μm y 0,8 μm, que son los límites prácticos del rango de resolución de la microscopía óptica. La superficie está rodeada por una única capa (membrana unitaria) que varía mucho en tamaño y morfología. Contiene una variedad de enzimas hidrolíticas y por eso se llama lisosoma, una vesícula que puede digerir o disolver sustancias. Se han descubierto al menos 60 hidrolasas, siendo la enzima característica la fosfatasa ácida. Estas enzimas pueden descomponer algunas moléculas grandes (como proteínas, ácidos nucleicos, polisacáridos, lípidos y otras macromoléculas) en moléculas pequeñas, que se utilizan para sintetizar sustancias intracelulares o satisfacer las necesidades oxidativas de las mitocondrias. Los lisosomas desempeñan principalmente el papel de disolución y digestión. Es muy importante para eliminar las células muertas del organismo, eliminar materias extrañas para proteger el organismo y en la formación y desarrollo del embrión. También es importante para la investigación patológica. Por ejemplo, cuando las células se ven privadas repentinamente de oxígeno o se exponen a ciertas toxinas, la membrana lisosomal se rompe dentro de la célula, liberando enzimas que digieren la propia célula y también se difunden fuera de la célula, destruyendo otras estructuras. Como otro ejemplo, el exceso de vitamina A puede romper las membranas lisosomales y provocar fracturas espontáneas. Con base en la comprensión anterior del papel de los lisosomas, se pueden considerar medicamentos para controlar la ruptura de las membranas lisosomales. Por ejemplo, se pueden utilizar fármacos con efecto estabilizador de la membrana lisosomal para proteger las células en situaciones críticas o fármacos con un efecto debilitante específico de la membrana lisosomal para eliminar células no deseadas o incluso dañinas (como células cancerosas, etc.); .).
Se han creado lisosomas artificiales que funcionan de la misma manera en tubos de ensayo que en organismos vivos.
4. Mitocondrias Las mitocondrias son unas estructuras lineales, con forma de bastón o granulares. En las células vivas, las mitocondrias pueden teñirse de azul verdoso con verde Jano. Observada al microscopio electrónico, la superficie de las mitocondrias está compuesta por una doble membrana. La membrana interna gira hacia adentro para formar tabiques llamados crestas mitocondriales. Hay ricos sistemas enzimáticos dentro de las mitocondrias. La mitocondria es el centro de la respiración celular. Es un mecanismo importante para que los organismos biológicos generen energía a través de la oxidación. Puede oxidar nutrientes (como glucosa, ácidos grasos, aminoácidos, etc.) para generar energía, que se almacena en ATP (. trifosfato de adenosina) enlaces de fosfato de alta energía para suministrar Las células llevan a cabo otras actividades fisiológicas, por lo que algunas personas dicen que las mitocondrias son las "plantas de energía" de las células. Basado en la comprensión de la función mitocondrial, en los últimos años se ha utilizado experimentalmente para la reproducción el "método de complementación de las mitocondrias", es decir, las mitocondrias de los dos padres se separan de las células y se mezclan si se mide la tasa de respiración después de la mezcla. es mayor que el de ambos padres, entonces está demostrado que el vigor híbrido de la descendencia híbrida es muy fuerte. La aplicación de este método a la reproducción puede mejorar la previsibilidad de la reproducción, acortar los años de reproducción y reducir el número de años de reproducción. . La aplicación de este método de reproducción puede mejorar la previsibilidad del trabajo de reproducción y acortar los años de reproducción.
5. Centríolo Este orgánulo tiene una posición fija y una estructura polar. En las células en interfase, los centríolos revelados después de la fijación y la tinción tienen solo de 1 a 2 partículas pequeñas. Observado con un microscopio electrónico, el centríolo es un cuerpo columnar con una longitud de aproximadamente 0,3 μm a 0,5 μm y un diámetro de aproximadamente 0,15 μm. Está compuesto por 9 grupos de pequeñas subunidades tubulares, y cada grupo de subunidades generalmente está compuesto por. 3 microtúbulos. Estos microtúbulos están alineados paralelos al eje longitudinal del cilindro. Los centríolos suelen existir en pares y 2 centríolos suelen estar en ángulo recto entre sí. Los centriolos juegan un papel importante en la mitosis.
Además de las estructuras mencionadas anteriormente, también existen estructuras como microfilamentos y microtúbulos en el citoplasma, cuya función principal no es solo la de sostener el esqueleto celular y mantener la forma de la célula, como por ejemplo. glóbulos rojos. Los microtúbulos están dispuestos en haces paralelos a los bordes periféricos de las células en forma de disco, como los microfilamentos de las microvellosidades de las células epiteliales; también participan en el movimiento celular, como en la mitosis; Movimientos celulares, como husos mitóticos y microtúbulos en cilios y flagelos. Además, existen diversas inclusiones en el citoplasma, como glucógeno, lípidos, cristales, pigmentos, etc.
(3) El núcleo es una parte importante de la célula. La forma del núcleo celular es diversa y generalmente está relacionada con la forma de la célula. Por ejemplo, en las células esféricas, cúbicas y poligonales, el núcleo suele ser esférico; en las células cilíndricas, el núcleo suele ser elíptico, pero hay muchas excepciones. Cada célula suele tener un solo núcleo, pero también los hay binucleados o multinucleados. Hay una membrana muy delgada fuera del núcleo llamada membrana nuclear o envoltura nuclear. Dentro de la envoltura nuclear de las células vivas hay "huecos" ópticos en campo oscuro en los que sólo se pueden ver uno o dos nucleosomas (nucleolos). Después de la fijación y tinción, generalmente se pueden distinguir la membrana nuclear, el nucleolo, la matriz nuclear (o nucleoesqueleto, matriz nuclear o nucleoesqueleto) y la cromatina.
Bajo un microscopio electrónico se puede observar que la membrana nuclear está compuesta por una doble capa (2 membranas unitarias), con las capas interna y externa aproximadamente paralelas. La capa exterior está conectada al retículo endoplásmico rugoso. Hay muchos poros pequeños en la membrana nuclear, llamados poros nucleares, que se forman por la fusión de las membranas unitarias interna y externa. Tienen unos 50 nanómetros de diámetro y representan aproximadamente el 10% de la superficie total de la membrana. Núcleo de células de mamíferos. La membrana nuclear juega un papel importante en el control de la entrada y salida de materiales dentro y fuera del núcleo y en el mantenimiento de un ambiente nuclear constante. El nucléolo está compuesto por filamentos nucleolares (cuerpos nucleolares), gránulos y una matriz. Los filamentos y gránulos nucleolares están combinados con ácido ribonucleico y proteínas. No hay una membrana límite que rodee el nucléolo. La función principal del nucléolo es sintetizar ARN ribosómico (ARNr) y ensamblar partículas precursoras en subunidades ribosómicas. Muchos procesos metabólicos tienen lugar en la matriz nuclear, proporcionando pentosas, energía, enzimas, etc. La cromatina es una sustancia basófila que puede teñirse con tintes básicos, de ahí su nombre. La cromatina se compone principalmente de estructuras filamentosas, conocidas como filamentos de cromatina, compuestas de ADN e histonas. Los filamentos de cromatina se dispersan por todo el núcleo durante la interfase, por lo que estas estructuras filamentosas generalmente no son visibles bajo un microscopio óptico.
Durante la división celular, los filamentos de cromatina se enrollan, se enrollan y se pliegan para formar cromosomas claramente visibles. Los cromosomas contienen no sólo ADN e histonas, sino también grandes cantidades de proteínas no histonas y pequeñas cantidades de ARN. El gen es la unidad común de la herencia. Desde un nivel molecular, un gen equivale a un trozo de molécula de ADN (algunos virus son ARN), es decir, la parte correspondiente del ADN que determina la estructura molecular de una determinada proteína. Creemos que los diversos rasgos que controlan los organismos están codificados en moléculas de ácido nucleico en forma de códigos genéticos, y que la información genética se transmite a las generaciones futuras mediante la replicación de ácidos nucleicos. La información genética se transmite a las generaciones futuras mediante la replicación de ácidos nucleicos. La información genética se transmite de una generación a la siguiente mediante la transcripción (el proceso de transcribir el código de ADN en código de ARNm) y la traducción (el proceso de traducir el código de ARNm en proteína) (Figura 1-7). Hoy en día, la gente realiza investigaciones en profundidad, utiliza tecnología de ingeniería genética y la aplica a la práctica médica y al control y modificación específicos de organismos. En este sentido se han logrado importantes y valiosos avances.
La función del núcleo es preservar el material genético, controlar la síntesis bioquímica y el metabolismo celular, determinar las características de funcionamiento de las células u organismos y pasar el material genético de las células (o individuos) de generación en generación. Sin embargo, el núcleo no funciona de forma aislada, sino que interactúa con el citoplasma y es interdependiente, encarnando el proceso vital unificado de la célula. El núcleo controla el citoplasma; el citoplasma también juega un papel importante en la diferenciación, el desarrollo y la herencia celular. El protoplasma que existe entre la membrana plasmática y la envoltura nuclear se llama citoplasma, y las estructuras de la célula que tienen formas identificables y pueden realizar funciones específicas se llaman orgánulos. Aparte de los orgánulos, el resto del citoplasma se denomina matriz citoplasmática o citoplasma, que representa aproximadamente la mitad del citoplasma. La matriz citoplasmática no es una estructura sol uniforme sino que también contiene una estructura citoesquelética compuesta por microtúbulos, microfilamentos y fibras intermedias.
Funciones de la matriz citoplasmática:
1) Tiene una gran capacidad tampón y proporciona un entorno iónico relativamente estable para el progreso normal de diversas reacciones bioquímicas en la célula.
2) Muchos procesos metabólicos se completan en la matriz celular, como ① síntesis de proteínas, ② síntesis de ARNm, ③ síntesis de ácidos grasos, ④ glucólisis, ⑤ vía de las pentosas fosfato, ⑥ metabolismo del glucógeno, ⑦ transducción de señales. etc.
3) Suministro de todos los sustratos necesarios para que los orgánulos realicen sus funciones.
4) El citoesqueleto participa en el mantenimiento de la morfología celular, es el punto de unión de orgánulos y enzimas, y participa en el movimiento celular, el transporte de materiales y la transducción de señales.
5) El control de la expresión genética y el núcleo intervienen en la diferenciación celular. Por ejemplo, los diferentes ARNm en los ovocitos se encuentran en diferentes partes del citoplasma y la aparición de óvulos no es igual.
6) Participan en la síntesis, procesamiento, transporte y degradación selectiva de proteínas.
Dos orgánulos principales
⒈Retículo endoplásmico (retículo endoplásmico): un sistema tubular continuo rodeado de membranas. El retículo endoplasmático rugoso (retículo endoplásmico rugoso, RER), con ribosomas en la superficie, participa en la síntesis y el procesamiento de proteínas; el retículo endoplasmático liso (retículo endoplásmico liso, SER) no tiene ribosomas en la superficie y participa en la síntesis de lípidos.
Cuerpo de Golgi (Golgibody; Golgiapparatus; Golgi): Está compuesto por montones de vesículas y vesículas planas. Está relacionado con las actividades secretoras de las células y con la formación de lisosomas. de las paredes celulares al final de la mitosis vegetal.
Lisosoma: orgánulo que realiza la digestión intracelular en células animales y contiene una variedad de hidrolasas ácidas.
Mitocondrias de canto: Organelos de doble membrana relacionados con el metabolismo energético, que sintetizan ATP mediante fosforilación oxidativa.
Cabe destacar que los cloroplastos: orgánulos implicados en la fotosíntesis de las células vegetales, rodeados por una doble membrana.
Atención al citoesqueleto (citoesqueleto): La estructura del citoesqueleto compuesta por fibras proteicas está estrechamente relacionada con el movimiento celular, la división, la diferenciación, el transporte de materiales, la conversión de energía, la transmisión de información y otras actividades de la vida.
Centriolos: Situados en el centro de las células animales, reciben su nombre de dos grupos de 9+0 tres microtúbulos que son perpendiculares entre sí. Los centríolos más el material extraplasmático de los centríolos se denominan centrosomas.
Microcuerpo: estructura en forma de saco rodeada por una sola membrana, que contiene una variedad de oxidasas, que participan en la descomposición del peróxido de hidrógeno y el ciclo del ácido glioxílico. Es una estructura tubular hueca compuesta por 13 protofilamentos con un diámetro de 22-25 nm.
Ribosomas: gránulos ovalados. Los ribosomas no tienen estructura de membrana y están compuestos principalmente por proteínas (histonas) (40%) y rRNA (60%).