El interior de la célula

Capítulo
5
El interior
de la célula
Un elefante que pesa dos toneladas está formado por las
mismas unidades de vida diminutas con las que está integrada una hormiga que camina a sus pies. Los elefantes y
las hormigas, las ballenas y los camarones, los caballos y
los colibríes, todos los organismos, grandes y pequeños,
están constituidos por células. Aunque hay células de distintas formas y tamaños, la mayoría son tan pequeñas que
sólo pueden verse con ayuda de un microscopio. Los organismos microscópicos, como bacterias y amibas, están
formados por células únicas. Las formas de vida de mayor
tamaño, como hormigas y elefantes, están constituidas
por miles, millones, e incluso miles de millones de célu-
las. El tamaño de un organismo depende de la cantidad de
células que lo conforman más que del tamaño de éstas.
Las actividades que tienen lugar en el interior de la célula son la base de los procesos vitales. ¿Cuáles son estos
procesos? ¿Qué hay en el interior de la membrana plasmática y qué ocurre ahí? En este capítulo se examinará
una célula típica y se describirá la forma y funciones de
las partes que la constituyen. Aprenderás en qué se diferencian las células de un organismo unicelular de las
que constituyen a organismos multicelulares, cómo están
organizadas estas últimas y cómo evolucionaron a partir
de formas más simples.
116
05U2_Oram.indd 116
12/18/06 1:51:53 AM
Contenido
¿Qué tienen en común el organismo de la
fotografía (amplificación: 725x) con los frijoles
verdes, los hongos y un ser humano? ¿Puedes
pensar en cualquier otro rasgo común entre estos
organismos?
5.1
5.2
Estructura de las células
Investiga El tamaño de las células
Minilab 1
Funciones e interacciones de las partes de la célula
Enlace con la química Tela de araña
Minilab 2
Laboratorio del pensamiento Interpreta los datos
Biología, tecnología y sociedad
Biotecnología Cultivo de piel artificial
Temas a debate No dejes que el Sol te fría
Enlace profesional Citólogo
118
120
122
125
128
130
130
138
138
139
139
117
05U2_Oram.indd 117
12/18/06 1:52:21 AM
Objetivos
Reconocer las diferencias generales
entre las células de organismos unicelulares y multicelulares.
Describir cómo están ordenadas
las células en niveles cada vez más
complejos de organización.
Discutir cómo contribuyen los organelos de la célula a la eficiencia de las
funciones celulares.
5.1 Estructura de las células
Ya has visto fotografías y dibujos de células. Quizá también has observado
células congeladas, teñidas o preparadas de algún modo para observarlas en
el microscopio. Estas imágenes pueden hacer pensar que las células son poco
interesantes e inactivas porque sólo muestran un instante de su vida. Pero imagina que en lugar de las fotografías tienes un microscopio que te permite ver
lo que ocurre en el interior de una célula viva: quizá de tu propio cuerpo.
Entonces te sorprenderás de las muchas actividades que tienen lugar en el
interior de una célula viva. Las moléculas entran y salen de la célula a través
de la membrana plasmática. Dentro de la célula hay movimiento constante.
Las moléculas son transportadas en forma continua de un sitio a otro. Algunas
moléculas se unen para sintetizar nuevas sustancias mientras otras se descomponen en partes más pequeñas. Has entrado en una fábrica dinámica de la vida
en donde se realiza un gran número de procesos muy complejos de síntesis.
Características de las células
para encontrar vínculos acerca
del interior de la célula.
Cuando observas una fotografía, lo que ves es una representación plana y
bidimensional de algo que en realidad es tridimensional. En las ilustraciones
las células aparecen como círculos, cuadrados o rectángulos. Sin embargo,
en realidad son esféricas, cúbicas o tienen forma de ladrillo. Muchas células
pueden cambiar de tamaño y forma, y otras tienen protuberancias o algunas
extensiones extrañas. Las bacterias son células de las más pequeñas; algunas
miden menos de medio micrómetro (que se representa por el símbolo griego
μm) de ancho. Un micrómetro es igual a un milésimo de milímetro (1 μm =
1/1 000 mm). Al colocar 20 000 células bacterianas lado a lado, tan sólo medirían un centímetro. En comparación, un óvulo humano es más grande, pues
mide casi un milímetro de diámetro. Al colocar 10 óvulos uno junto a otro tan
sólo medirían un centímetro.
Figura 5.1 Las células tienen forma de
cajas, cubos, cilindros o esferas y tienen
prominencias, abultamientos o hendiduras. ¿Te indica algo acerca de la función
de la célula la forma que tiene? Amplificación: 150x.
118
05U2_Oram.indd 118
Capítulo 5 El interior de la célula
12/18/06 1:52:24 AM
a
b
c
Organismos unicelulares Las bacterias, amibas y ciertas algas y levaduras
son ejemplos de organismos unicelulares, es decir, formados de una sola célula, la cual tiene la capacidad de realizar todas las funciones necesarias para la
vida. Algunas de estas células, como la amiba, obtienen alimento y oxígeno de
su entorno y mediante respiración celular liberan la energía de las moléculas
alimenticias. Esa energía se utiliza en la reproducción, la síntesis de enzimas,
la eliminación de productos de desecho y el movimiento. Las algas unicelulares toman dióxido de carbono y agua y los transforman en azúcares en el
proceso de la fotosíntesis. Después, a través de la respiración celular, también
obtienen la energía necesaria para su funcionamiento. Los organismos unicelulares deben ser versátiles, pues deben hacer todo por sí mismos.
Figura 5.2 Entre los ejemplos de
organismos unicelulares se incluyen
Gloeocapsa a), Oscillatoria b) y Euglena
c). Algunos organismos unicelulares se
encuentran en colonias o unidas entre sí
formando largas cadenas.
Amplificaciones: 400x a), 100x b), 180x c).
Organismos multicelulares Los organismos multicelulares, es decir, formados por muchas células, evolucionaron a partir de formas de vida unicelulares.
Casi todas las células de los organismos multicelulares han conservado la capacidad de llevar a cabo funciones muy básicas, como la síntesis de enzimas,
que desarrollaron por primera vez sus ancestros unicelulares. Sin embargo,
algunas células de organismos multicelulares están adaptadas para realizar tareas específicas. Por ejemplo, no todas las células de un árbol pueden realizar
la fotosíntesis, sólo las que contienen clorofila son capaces de llevarla a cabo.
Los alimentos que producen éstas son transportados a otras partes del árbol.
La mayoría de las células del cuerpo humano no pueden transmitir mensajes
de una parte del cuerpo a otra, sólo las células nerviosas lo hacen. Las células
que realizan funciones específicas se denominan especializadas.
Figura 5.3 Algunas células están especializadas para llevar a cabo funciones
específicas en organismos multicelulares.
¿Qué funciones llevan a cabo estas células nerviosas humanas? Amplificación:
300x.
5.1 Estructura de las células
05U2_Oram.indd 119
119
12/18/06 1:52:27 AM
Aunque los organismos multicelulares deben tener la capacidad de realizar todas las funciones necesarias para la vida, no es necesario que todas las
células estén equipadas para realizar funciones de todo tipo. En vez de ello,
muchos tipos distintos de células especializadas interactúan para mantener
vivo el organismo. Las células especializadas dependen unas de otras. Por
ejemplo, en muchos animales las células sanguíneas transportan oxígeno a
todas las demás células. Cuando las células sanguíneas no funcionan en forma
adecuada es probable que el animal no sobreviva. Las células especializadas
a menudo tienen formas o tamaños que les permiten llevar a cabo su función
de manera más eficaz. Las células nerviosas llevan mensajes de una parte del
cuerpo a otra. ¿Qué forma esperas que tengan?
Niveles de organización en el mundo vivo
Piensa por un momento en lo que significa formar parte de un equipo. Quizá seas miembro de un equipo de beisbol o futbol; quizá formes parte de un
Investiga
El tamaño
de las células
¿De qué tamaño es una célula? Sin duda, lo primero que se te ocurrirá responder es: “muy pequeña”. Sin embargo, las células nerviosas de tu cuerpo
pueden medir hasta 1.5 m de largo. Un óvulo de avestruz mide aproximadamente 100 mm de diámetro. Esta célula puede crecer más grande que otras
gracias a su alimento, la yema que se encuentra en el interior de la célula. Otras
células toman a través de su superficie los materiales que requieren para sobrevivir. A medida que la célula crece, su necesidad de materiales quizá exceda
la capacidad de la superficie a través de la cual los obtiene. A medida que la
célula aumenta de tamaño tiene una proporción menor de área superficial con
respecto a su volumen.
En este laboratorio determinarás el tamaño de células vegetales y animales. Tu profesor te proporcionará una pequeña regla transparente milimétrica
y diversas células vegetales y animales. Si tienes problemas para observarlas
puedes emplear solución de Lugol o colorante de azul de metileno. Puedes
medir el diámetro del campo visual a baja potencia con tu regla milimétrica.
Hay 1 000 micrómetros (μm) en 1 mm. Quizá te resulte más fácil medir tus
células en micrómetros porque las células son muy pequeñas.
Problema
Hipótesis
¿De qué tamaño son las células?
¿Cuál es su hipótesis de grupo? Explica tus razones de por qué propones
esa hipótesis.
Precauciones Las soluciones colorantes pueden
producir manchas permanentes en la
ropa y teñir la piel por mucho tiempo.
Enjuágate de inmediato si tienes
contacto con ellas. Lávate las manos
al terminar el laboratorio.
120
05U2_Oram.indd 120
Plan del experimento
1. Con tu grupo haz una lista de los
posibles métodos mediante los
cuales podrías probar tu hipótesis
Capítulo 5 El interior de la célula
12/18/06 1:52:28 AM
coro, una banda o un grupo de actores. Tu director organiza a los miembros
del grupo aprovechando los talentos y capacidades de cada uno. Tú haces la
parte que se te asigna, la cual depende de que los demás miembros del equipo
realicen la suya; es decir, trabajan todos en conjunto. De manera similar, las
células especializadas de los organismos multicelulares trabajan en conjunto
para realizar una tarea.
Tejido Un grupo de células que tienen la misma estructura y funcionamiento
básicos se denomina tejido. Por ejemplo, las células que constituyen el tejido
muscular de tus piernas trabajan en conjunto para que puedas caminar. Las células nerviosas están agrupadas en tejidos que se extienden por todo el cuerpo
para transportar y recibir mensajes del cerebro. El tejido epitelial constituye la
capa externa protectora de la piel y el recubrimiento de las cavidades internas.
Los tejidos de las plantas incluyen tejidos de protección como la corteza y
tejidos conductivos que transportan agua, minerales y moléculas orgánicas de
una parte de la planta a otra.
2.
3.
4.
5.
usando los materiales que te proporcionó tu profesor.
Escojan una idea de su lista que
pueda investigarse en el salón de
clases.
Diseña un experimento para obtener datos cuantitativos.
Escribe en forma de receta una
lista numerada de instrucciones
para realizar el experimento que
pueda ser seguida por cualquiera.
Haz una lista de los materiales y
las cantidades que requerirás.
Revisión del plan
Discute los siguientes puntos con
otros miembros de tu grupo para decidir los procedimientos finales para
realizar el experimento.
1. ¿Cuántos tipos de células emplearás?
2. ¿Es importante emplear muestras
vegetales y animales?
3. ¿Cuántas células de cada tipo
medirás?
4. ¿En qué circunstancias requerirás
de una solución colorante?
5. ¿De qué manera podrías emplear
la estimación en tus cálculos?
Análisis y conclusiones
6. Si mides el campo visual con la
regla milimétrica, ¿qué utilidad
tendrá esta información para determinar el tamaño de las células?
7. ¿Diseñaste y elaboraste una tabla
para recopilar los datos?
Asegúrate de que tu maestro apruebe
tu plan experimental antes de ponerlo en práctica.
Datos y observaciones
Realiza el experimento, efectúa cualquier medición necesaria y completa
tu tabla de datos. Elabora una gráfica
de tus resultados.
5.1 Estructura de las células
05U2_Oram.indd 121
1. ¿Cuál fue el tamaño promedio de
las células que mediste?
2. ¿Qué células son más grandes, las
vegetales o las animales? Reflexiona en el porqué.
3. ¿Qué tipo de células fue más
pequeño? Reflexiona por qué es
una ventaja para esta especie de
células ser tan pequeñas.
4. ¿Qué tipo de células fue de mayor
tamaño? Reflexiona por qué constituye una ventaja que las células
de esa especie sean de mayor
tamaño.
5. ¿Por qué crees que las células son
de distinto tamaño?
Más a fondo
Con base en esta experiencia de laboratorio diseña un experimento que
te ayude a responder otra pregunta
que haya surgido de tu experimento.
Supón que cuentas con recursos ilimitados y que no realizarás este experimento en el laboratorio escolar.
121
12/18/06 1:52:30 AM
Minilab 1
¿Cuáles son las diferencias
entre las células de la raíz y
las del bulbo de la cebolla?
Retira una pequeña sección de la
membrana interna transparente
de un anillo de cebolla cruda.
PRECAUCIÓN: ten cuidado al
usar una hoja de afeitar. Haz una
preparación fresca de este tejido
con una gota de azul de metileno.
Con una hoja de afeitar, haz un corte
del grueso de un papel de una raíz
de cebolla. Haz una preparación
fresca de este tejido con una gota
de azul de metileno. Observa ambas
preparaciones al microscopio.
Análisis: ¿en qué se parecen los
dos tipos de células? ¿En qué difieren?
Especula acerca de las diferencias
observadas.
Órgano Del mismo modo que las células de un tejido trabajan unidas
como miembros de un equipo para realizar una tarea, los tejidos se unen para
realizar funciones más complejas. Los tejidos del interior de una hoja trabajan
en conjunto para llevar a cabo el complejo proceso de la fotosíntesis. El tejido
que contiene clorofila absorbe la luz solar, mientras otros tejidos obtienen
dióxido de carbono, agua y minerales necesarios para atrapar la energía de la
luz solar en los enlaces químicos de azúcares simples y otros carbohidratos.
Otros tejidos desplazan los azúcares de la hoja hacia otras partes de la planta.
Los tejidos de la hoja trabajan en conjunto para suministrar alimento y otros
nutrientes a la planta. Una hoja es como un órgano para la planta. Un órgano
es una estructura formada por muchos tejidos distintos que trabajan juntos
para realizar una función específica. Tu estómago es un órgano.
Sistema Tu estómago almacena alimentos y en él comienza la digestión
de proteínas. Sin embargo, él solo no puede digerir toda una comida. Otros
órganos, como el hígado y el intestino delgado y grueso, son necesarios para
completar el proceso. Un grupo de órganos que trabaja en conjunto se denomina sistema. Tu estómago forma parte de tu sistema digestivo. Otros sistemas
de órganos humanos son los sistemas respiratorio, circulatorio y reproductivo.
Organismo Los organismos multicelulares están formados de un grupo de
sistemas de órganos que trabajan juntos. Se podría pensar que un organismo
representa el nivel más alto de organización en el mundo vivo, pero no es así.
Piensa en tu vecindario. Es una comunidad constituida por muchas personas,
plantas y animales. Como sabes, los organismos viven juntos en comunidades.
Por ejemplo, una comunidad de bosque está integrada por árboles, arbustos,
flores, aves, mamíferos y otras formas de vida. Hay niveles de organización
aún más complejos en el mundo vivo y aprenderás más acerca de ellos en
capítulos posteriores.
Como ves, cada nivel de organización (célula, tejido, órgano, sistema, organismo y comunidad) implica interdependencia. Las células que dependen unas
de otras forman tejidos. Los tejidos que trabajan juntos integran órganos. Los
órganos dependen de otros órganos para funcionar como sistema. Los sistemas trabajan de manera conjunta formando un organismo y los organismos
cooperan para formar comunidades.
Cutícula
Epidermis superior
Capa en empalizada
Capa esponjosa
Tejido vascular
Figura 5.4 Una hoja es un órgano de
una planta constituido por varios tipos
de tejido. Cada tejido tiene una función
específica. Por ejemplo, la cutícula impide
que el tejido de la hoja se seque, mientras
que la epidermis superior constituye una
barrera para las infecciones.
122
05U2_Oram.indd 122
Epidermis inferior
Capítulo 5 El interior de la célula
12/18/06 1:52:32 AM
Figura 5.5 Los arrecifes de coral son un
tipo de comunidad en la cual los organismos cooperan unos con otros. El sitio
donde vives es otro tipo de comunidad.
¿Cómo cooperan los organismos que
viven en tu comunidad?
Citoplasma
Cuando Hooke realizó sus primeras observaciones de células, observó sólo
células muertas y vacías. El hecho de que las células vivas contienen la sustancia
llamada citoplasma se reconoció hasta la década de 1830. El análisis del citoplasma indica que está formado aproximadamente de 70 por ciento de agua y
30 por ciento de proteínas, grasas, carbohidratos, ácidos nucleicos y iones. Su
consistencia es como la de una gelatina que no se ha solidificado por completo.
La composición exacta del citoplasma varía de una a otra célula y siempre experimenta cambios porque las sustancias que la constituyen participan de manera
constante en reacciones químicas. Se realizan tantos cambios químicos dentro
de la célula ¡que es posible que sintetice hasta 100 000 proteínas en un segundo!
Las reacciones celulares sintetizan y descomponen moléculas complejas. La
suma de cambios químicos en las células se denomina metabolismo. Algunas
reacciones químicas, como las de condensación o hidrólisis, tienen lugar en
uno o algunos pasos. Sin embargo, a menudo se realiza un conjunto complejo
de reacciones relacionadas, como en el proceso de la fotosíntesis y en la respiración celular.
Figura 5.6 El citoplasma contiene una
mezcla compleja de enzimas, azúcares
y aminoácidos. Las células están llenas
de citoplasma, como puedes ver en esta
fotografía a color. Amplificación: 15 000x.
5.1 Estructura de las células
05U2_Oram.indd 123
123
12/18/06 1:52:42 AM
Organización en el interior de las células
Figura 5.7 Diversas funciones de las
células se llevan a cabo en los organelos
que contiene. Amplificación: 400x.
Imagina que tú y tus amigos están planeando una fiesta de disfraces. ¿Cómo
se prepararían para la gran noche? Uno o dos de tus compañeros podrían conseguir grabaciones de tu música favorita para bailar, mientras otros se dedican
a preparar los alimentos y otros más a la decoración. Dividirían el trabajo
necesario.
La división del trabajo es evidente en todos los niveles de organización
biológica. Ya se ha visto cómo ilustran este concepto los tejidos, órganos,
sistemas, organismos y comunidades. La división del trabajo también
es un factor importante en la vida
de las células individuales. Algunas
reacciones celulares ocurren en el
citoplasma. En las células se realizan
miles de reacciones de manera simultánea. ¿Sería eficaz que todas ellas se
realizaran en el citoplasma? Del mismo modo que se emplean distintas
cacerolas para hornear un pastel que
para cocinar sopa, la célula contiene
muchas estructuras especializadas
que llevan a cabo diversas reacciones químicas. Dichas estructuras
se encuentran en el citoplasma y se
denominan organelos.
Las diversas funciones que realizan los distintos organelos son interdependientes y contribuyen a la supervivencia de toda la célula. Recuerda que
muchas partes internas de la célula están encerradas por membranas que tienen
estructura de mosaico fluido y que varían en función de las partículas a las que
son permeables. Estas membranas permiten que los organelos estén separados
entre sí y del citoplasma. Las membranas mantienen ambientes separados en
los que se llevan a cabo conjuntos específicos de reacciones.
Repaso de la sección
Comprensión de conceptos
1. Compara los conocimientos actuales
sobre la estructura básica de las células
con los que tenía Hooke.
2. El paramecio es un consumidor unicelular. ¿Qué funciones debe realizar que
no serían efectuadas por las células de
un organismo multicelular?
3. ¿Crees que una célula nerviosa y una
célula muscular tienen el mismo tamaño y forma? Explica tu respuesta.
124
05U2_Oram.indd 124
4. R
epaso de habilidades. Observación
e inferencia: observas dos fotografías
de células obtenidas con un microscopio electrónico. Encuentras muchas
estructuras en común en ambas, pero
una contiene muchas estructuras
adicionales. ¿Cuál de ellas es probable
que sea un organismo unicelular? Para
más ayuda, consulta Observar e inferir
en el Manual de habilidades.
5. P
ensamiento crítico: todas las células
de un organismo multicelular llevan
a cabo la respiración. ¿Por qué los
organismos multicelulares no tienen
células especializadas para realizar esta
función?
Capítulo 5 El interior de la célula
12/18/06 1:52:43 AM
5.2 Funciones e interacciones de las partes de la célula
En el capítulo 4 se vieron los distintos modos mediante los cuales los materiales penetran en las células. Algunos de éstos sirven para sintetizar nuevas
moléculas que contribuyen al crecimiento celular. Otros se emplean para sintetizar moléculas que regulan el funcionamiento de la célula o de otras células.
Otros más son fuente de la energía que se utiliza en estas actividades. En el
curso de estos procesos metabólicos se forman subproductos. También se vio
cómo salen éstos de la célula. Ahora se puede estudiar cómo funcionan los
organelos y otras partes de la célula y cómo trabajan de manera conjunta para
que las células constituyan la unidad básica de la vida.
Objetivos
Comparar la estructura y la función
de los organelos celulares, incluyendo
el núcleo, la mitocondria, el cloroplasto, el lisosoma, el retículo endoplásmico, el aparato de Golgi, la vesícula y
la vacuola.
Discutir cómo se interrelacionan
las funciones de los ribosomas, el
retículo endoplásmico y el aparato de
Golgi.
Describir la estructura y la función
de otras partes de células eucariontes.
Tipos de células
Casi todas las células que se encuentran en el mundo vivo contienen organelos
que están rodeados de una membrana. Las células que poseen un organelo
rodeado de membrana llamado núcleo se denominan eucariontes, células que
contienen un núcleo. Las células de plantas, animales, protistas y hongos son
ejemplos de células eucariontes. Las células que carecen de núcleo rodeado
por membrana se llaman procariontes, “antes del núcleo”. Las bacterias son
procariontes porque carecen de núcleo y de otros organelos recubiertos de
membrana. Los procariontes contienen un tipo de organelo que sintetiza proteínas, pero la mayoría de las funciones metabólicas ocurren en el citoplasma.
La gran mayoría de células del mundo vivo son eucariontes.
Figura 5.8 Los árboles, helechos, hongos, aves, flores, insectos y gusanos están
todos formados por células eucariontes.
La mayoría de los organismos multicelulares tienen células eucariontes.
5.2 Funciones e interacciones de las partes de la célula
05U2_Oram.indd 125
125
12/18/06 1:52:48 AM
Organelos de la célula eucarióntica
Del mismo modo que el cuerpo de un recién nacido transforma los alimentos
y el oxígeno en nutrientes para su crecimiento y desarrollo, una célula recién
producida debe sintetizar las proteínas que necesita para llevar a cabo sus
tareas especializadas. Estas proteínas podrían emplearse, por ejemplo, como
enzimas.
Los ribosomas y el retículo endoplásmico Las proteínas se sintetizan a
partir de aminoácidos en organelos llamados ribosomas, diminutas partículas
formadas de ARN y proteína. El microscopio electrónico muestra que algunos ribosomas flotan con libertad en el citoplasma. Las proteínas sintetizadas
en los ribosomas libres se utilizan en reacciones químicas que ocurren en el
citoplasma. Los ribosomas libres se encuentran en el citoplasma de células
procariontes y eucariontes. Los ribosomas son el organelo más común de cualquier célula. Una sola célula procarionte puede tener hasta 15 000 ribosomas;
una célula eucarionte contiene muchos más, en ella los ribosomas están unidos
con las membranas del retículo endoplásmico, o RE, que es una red de
estructuras interconectadas, planas o tubulares que terminan en callejones sin
salida, como se muestra en la figura 5.9. El retículo endoplásmico en el que están ubicados los ribosomas tiene apariencia rugosa y se conoce como retículo
endoplásmico rugoso. Las proteínas que se sintetizan en los ribosomas entran
en los canales de la membrana del retículo endoplásmico y son transportadas a
otras partes de la célula. ¿Comprendes de qué manera la estructura tubular del
retículo endoplásmico se encuentra adaptada a su función de transporte?
El retículo endoplásmico que carece de ribosomas se denomina retículo
endoplásmico liso. En las células del hígado humano las enzimas ubicadas
en las membranas del retículo endoplásmico liso descomponen las sustancias
dañinas, como el alcohol. Otras proteínas de la membrana del retículo endoplásmico liso sirven como enzimas para producir fosfolípidos. El retículo
endoplásmico liso en ocasiones está conectado con el rugoso; en estos casos
aquel puede ayudar a transportar proteínas que proceden de éste.
Retículo endoplásmico
Ribosomas
Figura 5.9 Los ribosomas que se
encuentran en el retículo endoplásmico
trasladan las instrucciones del ARN para
sintetizar proteínas, las cuales son transportadas al exterior de la célula. Amplificación: 38 000x.
126
05U2_Oram.indd 126
Capítulo 5 El interior de la célula
12/18/06 1:52:51 AM
Aparatos de Golgi
Sacos de proteína que se
desplazan hacia el exterior
Aparato de Golgi Muy cerca del retículo endoplásmico se encuentran
conjuntos de sacos aplanados, ligeramente curvos, como se muestra en la
figura 5.10. Aunque se parecen al retículo endoplásmico son distintos y mucho
más pequeños. Estos grupos con estructuras en forma de saco se denominan
aparatos de Golgi.
Cuando las proteínas llegan al final del retículo endoplásmico rugoso son
rodeadas por un saco pequeño llamado vesícula, que se forma a partir de la
membrana del retículo endoplásmico y se desprende de él. Dicha vesícula se
desplaza hacia la membrana del saco más cercano del aparato de Golgi, se fusiona con él y vacía dentro sus moléculas de proteína. Éstas pasan de un saco a otro
en vesículas que se forman a partir de la membrana de Golgi; son las vesículas
visibles cerca de los aparatos de Golgi de la figura 5.10. Como cartas que llegan
a la oficina de correo, las diversas proteínas que viajan por el aparato de Golgi
son clasificadas y enviadas después a su destinatario correcto dentro o fuera
de la célula. Las proteínas se modifican químicamente mientras se encuentran
en cada saco. La modificación es parte del proceso por el cual las proteínas se
identifican y clasifican de manera correcta. Una vez clasificadas, las proteínas
se empacan en una vesícula que se forma a partir del saco final de Golgi. Cada
vesícula contiene las proteínas necesarias para cada función en particular. Por
ejemplo, algunas contienen enzimas que permanecen en la célula, otras, hormonas que serán transportadas a otras células dentro del mismo organismo. Algunas contienen productos químicos como venenos, que más tarde serán utilizados
para afectar a otros organismos. Las vesículas que contienen materiales destinados para usarse fuera de la célula se fusionan con la membrana plasmática y los
liberan por exocitosis.
La interacción entre los ribosomas, el retículo endoplásmico y los aparatos
de Golgi ilustra cómo funcionan de manera conjunta las partes de una célula.
También demuestra que muchas membranas presentes en la célula son intercambiables. Por ejemplo, las vesículas que se forman a partir de la membrana
del retículo endoplásmico y de los sacos de Golgi pueden fusionarse con
la membrana de la célula y reciclarse de una parte de la célula a otra. Este
intercambio de membranas es posible porque todas tienen la misma estructura
básica de mosaico fluido.
5.2 Funciones e interacciones de las partes de la célula
05U2_Oram.indd 127
Figura 5.10 En los bordes de los aparatos de Golgi, las vesículas que contienen
proteínas se desprenden y se desplazan a
otros sitios dentro de la célula. Los aparatos de Golgi son el sistema de transporte
en la célula eucarionte. Amplificación:
48 000x.
127
12/18/06 1:52:54 AM
Mitocondria El reloj despertador suena, pero lo apagas y duermes un poco
más. Finalmente te despiertas, tienes 15 minutos para estar listo y salir de
inmediato, de modo que no desayunas. Dos horas después cabeceas en clase
de matemáticas o no puedes ir al paso de tu compañero en ciencias. ¿Qué ha
ocurrido? No le diste a tu cuerpo la energía necesaria para desempeñarse al
máximo de su capacidad.
La célula también necesita energía para desempeñarse al máximo de su
capacidad. Un organelo de las células eucariontes suministra el “desayuno” de
energía que éstas requieren. Las mitocondrias, que se encuentran en todas las
células eucariontes, son las productoras de esta energía. Las moléculas orgánicas se descomponen en la mitocondria liberando energía, la cual se emplea para
producir otras moléculas que liberan la energía necesaria para las reacciones
celulares. En la medida que una célula necesite más energía, más mitocondrias
tendrá. Éstas suelen encontrarse en grupos en partes de la célula donde se emplea mucha energía. Aunque son de los organelos de mayor tamaño de la célula
tienen tamaño y forma variables. Algunas son semejantes a esferas, cilindros o
cacahuates. Son de gran tamaño en células que emplean mucha energía, como
las del músculo cardiaco. Un corte transversal de una mitocondria, como el que
se muestra en la figura 5.11, revela que tiene doble membrana. Las reacciones
finales de la respiración celular tienen lugar en la membrana interna que está
muy replegada dentro de la cavidad central llena de líquido. Estos abundantes
pliegues de la membrana aumentan el área superficial para que se realicen los
pasos finales. Al contar con mayor área superficial es posible que ocurra un
mayor número de reacciones y se libere más energía.
Enlace
con la química
Tela de araña
El ejército estadounidense está
interesado en definitiva, también la
128
05U2_Oram.indd 128
Armada. Los fabricantes de equipos
médicos están realizando sus propios
experimentos, e incluso el mundo
de la alta costura se encuentra muy
pendiente de los nuevos desarrollos.
¿Qué se encuentra en el centro de
todo este interés?
¿Alguna nueva tela
sintética maravillosa,
producto de investigación química
avanzada? No, se
trata de la tela de
araña, y los científicos intentan investigar sus propiedades
químicas y genéticas
para producirla
comercialmente.
Hilos maravillosos El motivo de
todo ese interés en la tela de araña
son sus características singulares.
Onza por onza, es cinco veces más
resistente que el acero, es increíblemente elástica; puede estirarse hasta
130 por ciento de su longitud original
antes de romperse; además, es resistente al agua y no alergénica.
La seda de la tela de araña
producida comercialmente tendría
cientos de aplicaciones. Pero antes de
poder fabricarla en el laboratorio los
científicos deben descubrir cómo la
producen las arañas.
Química interna Las arañas
producen diversas sedas: seda de
arrastre para descolgarse con el fin
de ocultarse de la vista cuando se
sienten amenazadas, seda para tejidos con los que atrapan a sus presas,
seda para envolver con funciones de
protección y aislamiento y de otras
Capítulo 5 El interior de la célula
12/18/06 1:52:56 AM
Membrana externa
Membrana
interna
Mitocondria
Figura 5.11 Las reacciones químicas finales de la respiración celular
tienen lugar en la membrana interna de la mitocondria. Las moléculas ricas
en energía producidas se difunden a través de sus membranas hacia el
citoplasma. Amplificación: 90 000x
clases. Aunque los tipos de seda son
variables, los métodos de producción
son similares.
Dentro del abdomen de la araña
se encuentran varias glándulas de
seda. Cada una está llena de proteínas solubles constituidas por cadenas
de aminoácidos. Las células en las
glándulas que producen estas proteínas consumen muchísima energía, lo
cual implica que tienen mitocondrias
en abundancia; además producen
grandes cantidades de proteína, por
lo cual tienen muchos ribosomas.
Las proteínas producidas en una
glándula de seda atraviesan por un
angosto tubo en su camino hacia las
hileras, estructuras similares a espigas en las cuales se extruye la seda.
A medida que las proteínas solubles
atraviesan por este angosto tubo, las
moléculas de proteína son forzadas
a alinearse en un mismo sentido
formando un hilo sólido de hasta 34
aminoácidos de longitud. Las proteínas que constituyen la seda extruida
tienen regiones rígidas similares a
varas, que le dan resistencia a la seda
y regiones curvas y elásticas que le
dan elasticidad.
Para manufacturar grandes cantidades de seda de araña los científicos
primero deben obtener por ingeniería
los genes responsables de la producción de las proteínas de la seda.
Después, éstos serán implantados
en organismos cooperativos como
bacterias o levaduras de laboratorio.
Los científicos esperan que estos receptores genéticamente alterados se
transformen en fábricas miniatura de
tela de araña, haciendo así realidad
su producción comercial.
5.2 Funciones e interacciones de las partes de la célula
05U2_Oram.indd 129
1. Explora más a fondo: ¿cómo han
empleado los curanderos la tela
de araña a lo largo de la historia?
¿Qué aplicaciones médicas tendrá
en un futuro?
2. Escribe acerca de biología:
explica por qué motivo los científicos no pueden usar arañas vivas
para producir cantidades comerciales de tela de araña.
129
12/18/06 1:52:59 AM
Minilab 2
¿Por qué se usan colorantes
cuando se observan células?
Coloca en un portaobjetos un
paramecio y obsérvalo bajo el
microscopio. Pon una gota de azul
de metileno diluido en el borde del
cubreobjetos. Coloca papel filtro en
el borde opuesto del cubreobjetos
para extraer el líquido. Observa
que el núcleo y los gránulos del
citoplasma absorben el colorante.
Pon en otro portaobjetos un
paramecio. Agrégale una gota de
solución de Lugol del mismo modo
que se describió antes.
Análisis: ¿qué crees que son
los gránulos que se observan en el
citoplasma? ¿Qué organelos absorben
la solución de Lugol?
Núcleos Como en cualquier organización, la célula debe tener un área de
control central que coordine las diversas actividades que se realizan en su
interior. En las células eucariontes el área de control es el núcleo, que está
separado del resto de la célula por una doble membrana. En el interior del
núcleo hay una masa densa de material llamada cromatina que está formada
de cromosomas individuales. Los cromosomas constan de proteínas y ADN,
el código genético. El ADN contenido en el núcleo controla en último término
toda la actividad que tiene lugar en la célula. Lo hace codificando ARN. El
ADN permanece en el núcleo, pero el ARN puede desplazarse del núcleo al
citoplasma. Parte del ARN actúa como mensajero llevando las instrucciones
del código del ADN para dirigir la síntesis de proteínas en los ribosomas.
Antes de que una célula se reproduzca, sus cromosomas se copian. Después, cuando comienza su reproducción, los cromosomas, que constituyen
la enmarañada masa de cromatina, se separan y se diferencian. Durante la
reproducción un conjunto de cromosomas pasa al núcleo de cada nueva célula
dotándola de la información genética necesaria para controlar sus actividades.
Aunque el núcleo está encerrado en su propia membrana, debe comunicarse
con el resto de la célula. Moléculas de gran tamaño, el ARN y algunas proteínas, penetran y salen por los poros, verdaderas aberturas entre porciones de la
membrana. Partículas más pequeñas pasan a través de la propia membrana, ya
sea en forma directa por la bicapa o con ayuda de proteínas de membrana.
En el núcleo hay uno o más cuerpos prominentes llamados nucleolos y
constituidos de partes de cromosomas; constan de copias múltiples de ADN
que codifican el ARN presente en los ribosomas. Éstas son necesarias para
sintetizar los abundantes ribosomas que cada nueva célula debe producir.
Laboratorio del pensamiento
Interpreta los datos
¿Qué organelo dirige la actividad celular?
Antecedentes
La acetabularia, un tipo de alga marina,
crece en forma de células únicas de
gran tamaño, de 2 a 5 cm de altura. El
núcleo de estas células se encuentra
en los “pies”. Las distintas especies
de estas algas tienen distinto tipo de
sombrerillo. Algunos son similares a
pétalos y otros a sombrillas. Si se retira
el sombrerillo del alga, éste se regenera con rapidez. Si se retira el sombrerillo y el pie de la célula de una especie
de alga y se le une el pie de otra
especie, crecerá un nuevo sombrerillo, el cual tendrá una estructura con
características de ambas especies. Sin
embargo, si éste se retira de nuevo, el
siguiente sombrerillo que crezca será
igual a la célula que donó el núcleo.
130
05U2_Oram.indd 130
El científico que descubrió estas
propiedades fue Joachim Hämmerling. Se preguntó por qué el primer
sombrerillo que crecía presentaba
características de ambas especies. Sin
embargo, el segundo era claramente
igual a la célula que donaba el núcleo.
Núcleos
Inténtalo
Observa los siguientes diagramas e
interpreta los datos para explicar
los resultados. ¿Por qué el sombrerillo
final es igual al de la célula de la cual
se toma el núcleo?
Núcleos
Capítulo 5 El interior de la célula
12/18/06 1:53:01 AM
Núcleo de la célula
Cromatina
Poros
nucleares
Nucleolos
Membrana
nuclear interna
Membrana
nuclear externa
Figura 5.12 El núcleo contiene cromatina y un nucleolo. Se comunica con el
resto de la célula a través de poros en la
membrana externa.
Amplificación: 1 750x.
Otras estructuras de células eucariontes
Además de los organelos que se analizaron antes, algunas células eucariontes
contienen organelos adicionales, como plástidos y lisosomas. El uso de los
nuevos microscopios electrónicos de alto voltaje ha permitido tener una mejor
comprensión de otras estructuras de la célula y ha conducido al descubrimiento de algunas nuevas, incluyendo partes que ayudan a la célula a moverse.
Plástidos Mientras que todas las células eucariontes tienen mitocondrias,
núcleo, ribosomas, retículo endoplásmico y aparato de Golgi, sólo ciertas
células de algunas plantas y algas contienen organelos llamados plástidos. Algunos se emplean en el almacenamiento de lípidos y almidones, mientras que
otros contienen pigmentos. Los plástidos más comunes que contienen pigmentos son los cloroplastos, que a su vez contienen clorofila y otros pigmentos
necesarios para la fotosíntesis. Recuerda que sólo aquellas plantas que realizan la fotosíntesis contienen cloroplastos. El cloroplasto consta de una doble
membrana que rodea un interior lleno de líquido y con abundantes membranas
internas. En el curso de la fotosíntesis las membranas internas atrapan energía
luminosa, la cual se emplea para producir azúcares simples y otras moléculas
orgánicas.
Figura 5.13 Un cloroplasto es un organelo de doble pared que se encuentra en
las plantas y algunas algas. Las membranas internas del cloroplasto atrapan la luz
solar que se emplea en la fotosíntesis.
Amplificación: 7 000x.
Cloroplasto
Membrana
interna
Membrana
externa
Clorofila en
apilamientos
de membranas
5.2 Funciones e interacciones de las partes de la célula
05U2_Oram.indd 131
131
12/18/06 1:53:05 AM
Figura 5.14 Las amibas atrapan los
alimentos y los absorben por fagocitosis.
A continuación se realiza la digestión a
medida que los lisosomas se fusionan
con las vesículas que contienen alimentos y liberan enzimas en su interior para
descomponerlos.
Amplificación: 80x.
Lisosomas ¿Recuerdas el proceso de fagocitosis que se describió en el
capítulo 4? Es el proceso mediante el cual células como las amibas atrapan y
toman sus alimentos. Estos alimentos deben digerirse para que la célula pueda utilizar la glucosa, los aminoácidos y otras sustancias que contienen. Los
organelos llamados lisosomas son vesículas que se forman a partir del aparato de Golgi y contienen enzimas digestivas que descomponen los alimentos.
Por ejemplo, una amiba toma alimentos por fagocitosis, los cuales quedan
encerrados en una vesícula (llamada en ocasiones vacuola alimenticia). Un
lisosoma se fusiona con la vesícula y libera enzimas digestivas en su interior,
las cuales descomponen los alimentos en moléculas más pequeñas como
aminoácidos y glucosa que pueden difundirse a través de la membrana de la
vacuola para salir al citoplasma. ¿Qué crees que ocurre con los aminoácidos?
¿Para qué se usan? Y, ¿qué pasa con la glucosa? Los lisosomas también se
emplean para digerir partes desgastadas de la célula. Sus componentes pueden reciclarse o digerirse para aportar energía. Los lisosomas se encuentran
principalmente en células animales o similares a ellas.
La segregación de enzimas digestivas dentro de los lisosomas es un ejemplo de la importancia que tiene que ciertos productos químicos y reacciones
se lleven a cabo dentro de una membrana. Si los lisosomas se rompieran, las
enzimas liberadas podrían destruir toda la célula. Dicha célula está protegida
de las enzimas digestivas por la membrana del lisosoma.
Vacuolas Las células a menudo producen sustancias que se almacenan para
un uso posterior. Las vacuolas son estructuras recubiertas de membrana y
llenas de líquido que almacenan dichas sustancias. Muchas vacuolas actúan
como reservorios celulares de alimento, agua y minerales. En las células
vegetales las vacuolas pequeñas se fusionan formando una sola vacuola de
gran tamaño que casi llena el interior de la célula madura. Muchos protistas
unicelulares de agua dulce tienen vacuolas contráctiles únicas llamadas así
porque se contraen actuando como bombas para eliminar el exceso de agua.
Una vacuola contráctil es un ejemplo de adaptación para mantener el equilibrio osmótico en un ambiente de agua dulce.
Figura 5.15 En las células vegetales
las vacuolas se fusionan formando una
sola vacuola de gran tamaño que puede
contener pigmentos, aminoácidos, carbohidratos y productos de desecho celular.
Amplificación: 7 800x
132
05U2_Oram.indd 132
Capítulo 5 El interior de la célula
12/18/06 1:53:07 AM
Citoesqueleto Las proteínas de la célula también se emplean para sintetizar estructuras delgadas y largas que dan
forma y soporte a la célula. Tales estructuras se denominan
citoesqueleto y suministran un marco a la célula, del mismo
modo que lo hace el esqueleto óseo al cuerpo humano.
Una estructura del citoesqueleto, llamada microfilamento,
está formada de las proteínas actina y miosina. Los microfilamentos se observan en muchos tipos de células eucariontes.
Además de dar apoyo estructural, los microfilamentos ayudan
al movimiento de la célula. Por ejemplo, hacen posible el uso
de los músculos. Cuando doblas una rodilla o estiras un
brazo, tus músculos se contraen. Tus músculos dependen de
los microfilamentos para realizar esas contracciones. También
participan en modificar la forma de las células y en el desplazamiento de algunos organismos unicelulares, como las
amibas.
Otra estructura del citoesqueleto se denomina microtúbulo, y suele ser más largo y grueso que un microfilamento.
Algunos microtúbulos se extienden desde el centro de la
célula en las cercanías del núcleo, hasta el área limítrofe con
la membrana celular. Estos microtúbulos ayudan a que ciertos
organelos se desplacen de un sitio a otro dentro de la célula.
Por ejemplo, las vesículas y mitocondrias viajan a lo largo
de los “carriles” de un microtúbulo en vez de simplemente
deslizarse por el citoplasma.
Figura 5.16 El citoesqueleto de las células eucariontes no
es estable, sino que se ensambla y desensambla de manera
constante. En esta fotografía tratada de manera especial se
ve el citoesqueleto de una célula. Amplificación: 1 100x.
Centriolos
Cromosomas
Figura 5.17 En las células de animales
y algunas algas y hongos, dos pares de
centriolos desempeñan un papel en la
división celular.
Centriolos Los microtúbulos también sirven como componentes de algunos organelos. Por ejemplo, las células de animales y algunas algas y hongos
contienen dos pares de centriolos que desempeñan un papel importante en la
reproducción celular. Cada centriolo está formado de conjuntos de microtúbulos ordenados para darle forma de cilindro. En la figura 5.17 se muestra cómo
funcionan los centriolos en la división celular.
Cilios y flagelos Los microtúbulos desempeñan otro papel en la célula; son
un componente importante de dos partes de ella que participan en su movimiento. Los cilios y flagelos son proyecciones flexibles que se extienden hacia
el exterior de la célula aunque aún están circundados por la membrana celular.
Los flagelos son más largos que los cilios y menores en número. El ordenamiento de microtúbulos en cilios, flagelos y centriolos es muy similar.
5.2 Funciones e interacciones de las partes de la célula
05U2_Oram.indd 133
133
12/18/06 1:53:09 AM
Figura 5.18 Este paramecio se desplaza
por el movimiento de sus cilios similar a
un latigazo. ¿Cómo están constituidos los
cilios? Amplificación: 1 500x.
El movimiento de cilios o flagelos,
similar al de un látigo, permite que los
organismos unicelulares se desplacen en
su entorno. También se encuentran cilios y
flagelos en algunas células de los organismos multicelulares. Por ejemplo, algunas
de las células que recubren la tráquea humana tienen abundantes cilios; éstas no se
desplazan, pero el movimiento de sus cilios
permite que la mucosidad de los pulmones
ascienda y sea expulsada. Un espermatozoide se mueve mediante un solo flagelo.
En la figura 5.19 se ilustran células
animales y vegetales de tipo general. Los dibujos se basan en observaciones
realizadas con microscopio electrónico. Aunque estos dibujos sirven para
examinar las partes de la célula, ten presente que no representan a ninguna
célula en particular. La forma y el tamaño de las células es variable, igual que
el número y tipo de organelos que contiene. En la tabla 5.1 se da una lista de
las estructuras de las células eucariontes y sus funciones.
Tabla 5.1 Estructuras de las células eucariónticas
Estructura
Se encuentran en las células de
Funciones
Pared celular
Plantas; algas; hongos
Soporte; protección
Centriolos
Animales; algunas algas y hongos
Reproducción celular
Cloroplastos
Plantas; algas
Fotosíntesis
Citoplasma
Todos los eucariontes
Metabolismo
Retículo endoplásmico
Todos los eucariontes
Transporte intracelular de proteínas (liso y
rugoso); las enzimas del retículo endoplásmico liso descomponen sustancias
Aparatos de Golgi
Todos los eucariontes
Modificación y empaque de algunas
proteínas; en las plantas, secreción y
procesamiento de carbohidratos
Lisosomas
Muchas células de animales o similares a ellas
Digestión en el interior de la célula
Microfilamentos
Todos los eucariontes
Movimiento; soporte
Microtúbulos
Todos los eucariontes
Movimiento; soporte
Mitocondria
Todos los eucariontes
Descomposición de moléculas orgánicas para
liberar energía que se usa en las reacciones
celulares
Nucleolo
Todos los eucariontes
Producción de ribosomas
Núcleo
Todos los eucariontes
Control de actividades celulares y
reproducción
Membrana plasmática
Todos los eucariontes
Límite; regula el paso de materiales hacia el
interior y exterior de la célula
Ribosomas
Todos los eucariontes
Síntesis de proteínas
Vacuolas
Más prominente en plantas y algas
Almacenamiento, digestión, mantenimiento
del equilibrio osmótico
134
05U2_Oram.indd 134
Capítulo 5 El interior de la célula
12/18/06 1:53:10 AM
Célula animal típica
Microfilamentos
Citoplasma
Centriolo
Cromatina
Núcleo
Membrana nuclear
Nucleolo
Microtúbulos
Vacuola
Retículo endoplásmico
Ribosomas libres
Aparato de Golgi
Membrana nuclear
Mitocondrias
Lisosoma
Cromatina
Nucleolo
Cloroplasto
Núcleo
Membrana plasmática
Retículo
endoplásmico
Mitocondrias
Citoplasma
Pared celular
Microtúbulos
Vacuola
Aparato de Golgi
Célula vegetal típica
Figura 5.19 Las estructuras de una célula animal y una célula vegetal típicas muestran sus semejanzas y diferencias.
5.2 Funciones e interacciones de las partes de la célula
05U2_Oram.indd 135
135
12/18/06 1:53:15 AM
Evolución de los eucariontes
Los procariontes del tipo de las bacterias fueron los primeros organismos
en evolucionar. Como ya has visto, estas células simples carecían de núcleo.
Tenían ADN, pero en forma de un cromosoma circular único de doble cadena.
Los procariontes antiguos y actuales son iguales en esencia. Las bacterias
de la actualidad carecen de núcleo pero tienen un cromosoma único. Dichos
procariontes también carecen de organelos como el retículo endoplásmico, el
aparato de Golgi y la mayoría de las demás partes de la célula que has estudiado hasta el momento. Los ribosomas, aunque están presentes, son de menor
tamaño que los de células eucariontes. En la tabla 5.2 se comparan algunas de
las características de procariontes y eucariontes.
Figura 5.20 Un liquen es un ejemplo
de simbiosis entre células fúngicas y las
células de moneras o protistas. Amplificación: 67x.
Simbiosis Los científicos han combinado la lógica y la evidencia indirecta
para armar el rompecabezas de la probable evolución de los eucariontes a partir de los procariontes. El modelo más aceptado se denomina teoría simbiótica.
Se basa en el concepto de simbiosis, una relación en la cual dos organismos
viven en asociación cercana. Por ejemplo, ciertas bacterias que habitan en el
intestino de la vaca producen una enzima que digiere la celulosa. Sin las bacterias, la vaca no podría digerir el pasto. Si no tuvieran el intestino de la vaca
para vivir, y la celulosa y otros alimentos que ésta ingiere, las bacterias morirían. Tanto la vaca como las bacterias se benefician de esta relación simbiótica.
Evidencia de la teoría simbiótica Establece que en algún momento en el
curso de la evolución las células procariontes fueron envueltas por otras células y se transformaron para dar origen así a los ancestros de los eucariontes.
Es decir, las células procariontes se hicieron compañeras simbióticas de otras
células dando lugar a células eucariontes. La evidencia de la teoría simbiótica se deriva del estudio de las mitocondrias y los cloroplastos que contienen
su propio ADN, ARN y ribosomas. Estas estructuras parecen duplicar lo
que ya se encuentra en otros sitios de la célula. ¿Por qué las mitocondrias y
los cloroplastos tienen su propia versión de estas estructuras? Se cree que
las mitocondrias y los cloroplastos modernos son los remanentes de lo que
Tabla 5.2 Comparación de procariontes y eucariontes
Procariontes
Eucariontes
no tiene núcleo verdadero ni membrana nuclear
núcleo verdadero y membrana nuclear
cromosoma circular único de ADN de doble cadena
varios cromosomas lineales de ADN y proteína
no tiene mitocondria, retículo endoplásmico, aparatos de Golgi
ni lisosomas
mitocondrias, retículo endoplásmico, aparatos de Golgi y
lisosomas
membrana fotosintética, si está presente, no está encerrada en
un organelo
membrana fotosintética, si está presente, en cloroplastos
pared celular, si está presente, contiene mureína u otras
sustancias
pared celular, si está presente, contiene celulosa u otras
sustancias
no hay microtúbulos en los flagelos
microtúbulos en flagelos y cilios
ribosomas más pequeños
ribosomas de mayor tamaño
136
05U2_Oram.indd 136
Capítulo 5 El interior de la célula
12/18/06 1:53:16 AM
antes eran procariontes de vida libre. Éstos fueron
envueltos por otros procariontes y permanecieron
en su interior formando una relación simbiótica. Si
las mitocondrias y los cloroplastos vivían antes en
libertad tiene sentido que cuenten con el equipo para
sintetizar proteínas y para regular su reproducción.
También, igual que el ADN de los procariontes,
el ADN de las mitocondrias y los cloroplastos es
circular y sus ribosomas son más pequeños. Por otra
parte, sus enzimas para sintetizar ácidos nucleicos
y proteínas son similares a las que se encuentran en
los procariontes.
Este modelo del origen de los eucariontes es
lógico y atractivo, pero incompleto. Por ejemplo, ¿de
qué modo evolucionaron la membrana nuclear, los diversos organelos recubiertos de membrana y todas las demás estructuras de la célula eucarionte?
Estas preguntas aún no tienen respuesta.
Figura 5.21 Las células procariontes
carecen de núcleo pero tienen ADN de
doble cadena. El ADN de los procariontes
se encuentra en un círculo dentro de la
célula. Amplificación: 6 000x.
Adelantos
La división del trabajo es característica de las células. Los organelos y otras
partes de la célula llevan a cabo determinadas funciones de manera eficaz.
En conjunto, todas las partes contribuyen a la supervivencia de la célula, la
unidad básica de los sistemas vivos. Hasta el momento se han identificado
las funciones de los organelos pero no se han estudiado con detalle. En el
siguiente capítulo se analizarán de manera más profunda dos de estas funciones: la respiración celular y la fotosíntesis. Aprenderás de qué modo estos
procesos son fundamentales en la capacidad del organismo para satisfacer sus
requerimientos de energía y cómo se relacionan uno con otro.
Repaso de la sección
Comprensión de conceptos
de Golgi cercano. ¿Qué estructura es y
qué contiene?
1. Se descubre un organismo unicelular
que presenta ADN y ribosomas pero
no tiene mitocondria ni retículo endoplásmico. ¿Es una célula procarionte o
una eucarionte? Explica tu respuesta.
3. ¿Por qué la digestión que ocurre en
el interior de la célula debe realizarse
dentro de una vacuola alimenticia en
vez de en el citoplasma?
2. Un biólogo observa una fotografía
tomada con microscopio electrónico y
encuentra lo que parece ser una diminuta estructura en forma de saco entre
el retículo endoplásmico y un aparato
4. Repaso de habilidades. Clasificación:
divide las partes de la célula en dos
categorías: las que se encuentran en
todas las células eucariontes y las que
se encuentran sólo en algunas células
5.2 Funciones e interacciones de las partes de la célula
05U2_Oram.indd 137
eucariontes. Haz una lista de las funciones de cada parte. Para más ayuda,
consulta Organización de información
en el Manual de habilidades.
5. Pensamiento crítico: con base en tu
respuesta a la pregunta 4, explica por
qué los eucariontes tienen en común
ciertas partes.
137
12/18/06 1:53:18 AM
Biología,
Tecnología y sociedad
Biotecnología
Cultivo de piel artificial
En un día cálido de julio de 1983, la
vida de dos hermanos, Jamie y Glen
Selby, de cinco y seis años, cambió
de manera repentina. Los niños estaban usando un solvente para retirar
pintura de su cuerpo cuando éste se
incendió. Cuando lograron extinguir
las llamas, Jamie y Glen habían sufrido quemaduras de tercer grado en
casi 90 por ciento de su cuerpo.
El pronóstico para estos dos niños
de Wyoming fue muy triste. La piel
es la principal defensa del cuerpo
contra las lesiones y las infecciones.
Cuando tanto la capa interna como la
externa de la piel se queman, como
ocurre en las quemaduras de tercer
grado, las bacterias y otros organismos dañinos tienen acceso a los
sistemas del cuerpo. Los doctores
predijeron que Jamie y Glen presentarían infecciones masivas, entrarían
en estado de choque y morirían.
138
05U2_Oram.indd 138
Sin embargo, eso no ocurrió.
Los hermanos fueron llevados en
avión al Shriners Burn Institute en
Boston, Massachusetts, en donde
pedazos de su piel no quemada, del
tamaño de una moneda de cinco
centavos de dólar, fueron cultivados
en delgadas hojas de células epiteliales. Esta piel artificial se utilizó como
injerto en los cuerpos de los niños
quemados, donde creció formando
nueva piel permanente.
La estructura de la piel ¿Cómo se
produce la piel artificial? La piel tiene dos estratos de células: la dermis,
que es la capa interna más gruesa y
la epidermis, que es la capa delgada
externa. La dermis está constituida
por tejido conectivo. Dentro de ella
se encuentran las glándulas sebáceas
y sudoríparas, los folículos capilares,
los vasos sanguíneos y los nervios.
La epidermis consta de 20 capas
de células epiteliales similares a escamas. Éstas, llamadas queratinocitos, se producen en el área de la base
de la epidermis. A medida que se
producen nuevos queratinocitos por
mitosis, las células más antiguas se
deshidratan y secan al ser empujadas
hacia la superficie de la piel y con el
tiempo se desprenden.
Cultivo de epidermis El proceso
para cultivar piel artificial se inicia
con algún tipo de medio de cultivo en
el cual las células de la piel puedan
crecer. Se colocan queratinocitos en
el medio y se lavan con la mezcla
líquida de proteínas y nutrientes
similar a la que se encuentra en los
vasos sanguíneos de la dermis.
Los queratinocitos se dividen y se
multiplican. Después se forma una
delgada capa de la dermis y la hoja de
piel artificial queda lista para usarse.
Problemas por resolver Hay varios inconvenientes que será necesario superar para perfeccionar el uso
de piel artificial como reemplazo de
la piel quemada. Por ejemplo, la piel
artificial es muy frágil: las bacterias
pueden atacarla y disolverla.
La piel artificial puede poner
en marcha la respuesta inmune del
organismo. Si se cultiva a partir de
células de un donador, es probable
que el cuerpo la rechace.
Sin embargo, la posibilidad de
crear piel artificial en un futuro es
muy promisoria y real. Jaime y Glen
Selby y miles de otras víctimas de
quemaduras son prueba de que el
cultivo de tejidos se ha transformado
en mucho más que un simple procedimiento experimental. Permite
salvar vidas.
1. Explora más a fondo: ¿qué otras
aplicaciones comerciales tiene la
piel producida de manera artificial?
2. Temas de debate: ¿deberían
emplearse animales para probar
la eficacia de la piel artificial para
el tratamiento de quemaduras
severas?
Capítulo 5 El interior de la célula
12/18/06 1:53:19 AM
Temas a debate
No dejes que el Sol te fría
Durante la era victoriana, a fines del
siglo xix y comienzos del xx, ninguna mujer culta y de cierta posición
social hubiese expuesto su piel a los
rayos del Sol. Los sombreros de ala
ancha y los parasoles se consideraban
accesorios femeninos indispensables
en los días soleados.
Sin embargo, a mediados del siglo
xx, broncearse al Sol aumentó su popularidad como pasatiempo favorito.
Se consideraba que un cuerpo bien
bronceado era signo de salud y vitalidad en personas de raza blanca, por
lo que los sombreros y los parasoles
se sustituyeron por lentes de sol y
aceites para broncear.
Sin embargo, en la actualidad este
“culto al Sol” está llegando a su fin.
La incidencia de melanoma maligno, una forma virulenta y a menudo
mortal de cáncer de la piel, continúa
aumentando en forma alarmante. En
la actualidad en Estados Unidos se
diagnostica melanoma a alrededor
de 32 000 personas y 6 000 mueren a
causa de él cada año. En el año 2000
algunos investigadores estimaron
que uno de cada 90 estadounidenses
desarrollaría esta enfermedad. Los
científicos están de acuerdo en que
una de las causas principales es la
radiación solar ultravioleta.
Dos longitudes de onda luminosas
distintas provocan daño a la piel.
La luz ultravioleta A (UVA) es una
radiación solar de larga longitud de
onda que penetra la epidermis y llega
hasta la dermis. En ese sitio ataca a
dos proteínas: el colágeno y la elastina, que dan a la piel apariencia lisa
y elástica. La UVA destruye estas
proteínas y como resultado la piel se
arruga y pierde su turgencia.
La luz ultravioleta B (UVB) es
radiación solar de longitud de onda
más corta que provoca daños en la
epidermis. Los rayos UVB destru-
yen ciertos enlaces del ADN en los
núcleos de células llamadas queratinocitos. Aunque estas células tienen
la capacidad para reparar el ADN
destruido, en ocasiones reordenan el
material genético de manera incorrecta. El resultado es una célula
dañada que puede comenzar a multiplicarse de manera incontrolable,
ocasionando cáncer de piel.
Aunque los científicos están de
acuerdo en que la radiación solar es
la causa de la mayoría de los cánceres cutáneos, hay cierto desacuerdo
sobre la causa por la cual el cáncer
de la piel, en particular el melanoma
maligno, ha comenzado a extenderse
en forma tan repentina. Muchos científicos señalan como causa los aguje-
Enlace profesional
Si disfrutas resolver misterios,
quizá te interese la carrera de
citología. Un citólogo descubre y
analiza estructuras celulares antes
desconocidas. Los citólogos se
especializan en el estudio de células
vegetales y tejido animal para
aumentar su comprensión acerca de
la unidad básica de toda la vida: la
célula.
Capítulo 5 El interior de la célula
05U2_Oram.indd 139
ros en la capa de ozono, que bloquea
gran parte de la radiación solar
dañina. A medida que los productos
químicos gaseosos contaminantes,
como los clorofluorocarbonos, suben
a la atmósfera, destruyen parte de la
capa de ozono, permitiendo que mayores cantidades de radiación solar
lleguen a la Tierra.
Otros científicos aceptan esta
hipótesis con escepticismo y afirman
que el aumento de cáncer de la piel
quizá se relacione con cambios en
el estilo de vida. Un número mayor
de personas pasa más tiempo en el
exterior vestidas con menos ropa que
en el pasado. El resultado es mayor
exposición a las radiaciones UV.
A pesar de algunas diferencias
de opinión, los científicos están de
acuerdo en cómo prevenir el cáncer
de piel: reducir la exposición al Sol y
usar bloqueadores solares formulados especialmente con un factor de
protección solar (SPF) de 30 o más.
Parece ser que protegerte del Sol
es la única manera de impedir sus
daños (potencialmente mortales).
Comprensión del problema
1. Muchas personas siguen considerando que la piel bronceada es
saludable y atractiva. ¿De qué
manera podría cambiar su opinión
al respecto?
2. ¿Crees que es bueno tomar el Sol
siempre y cuando uses un bloqueador solar? Explica tu razonamiento.
Lecturas
• Saltus, Richard, “Genetic Damage
and Skin Cancer”, en Technology
Review, febrero-marzo de 1992, pp.
11-12.
• Fischman, Ben, “Sun: Let the
Fryer Beware”, en Science World,
mayo de 1991, pp. 4-6.
139
12/18/06 1:53:21 AM
Repaso del capítulo 5
Resumen
Lenguaje de la biología
Los organismos multicelulares evolucionaron a partir de organismos unicelulares versátiles. En este proceso, sus células
se especializaron y se hicieron interdependientes.
Escribe una oración que demuestre tu comprensión de cada
uno de los siguientes términos.
aparato de Golgi
centriolo
cilios
citoplasma
cloroplasto
cromatina
cromosoma
eucarionte
flagelos
lisosoma
metabolismo
microfilamento
Las células de organismos multicelulares trabajan de
manera concertada en niveles de organización cada vez más
complejos. De este modo, todo el organismo y también cada
una de sus células se benefician de la división del trabajo.
La división del trabajo en los eucariontes es posible
debido a los diversos organelos y partes de la célula en el
citoplasma. Éstas mantienen entornos separados en el interior de la célula, donde se llevan a cabo funciones específicas
que se realizan de manera conjunta para conservar la vida de
la célula.
Los procariontes, las primeras células que evolucionaron,
tienen estructura muy simple y carecen de la complejidad de
sus descendientes eucariontes. El modelo simbiótico sugiere
cómo es probable que haya ocurrido la evolución de eucariontes a partir de procariontes.
Comprensión de conceptos
1. En los animales los nervios y los músculos son dos
tipos de células especializadas. ¿Cómo dependen los
músculos de los nervios?
2. Disecas una parte de un animal y observas que contiene nervios, músculos y epitelio. ¿Cuál es el nivel de
organización de esta parte?
3. Para responder una pregunta de un examen, un estudiante identifica las partes de la célula de una raíz:
pared celular, citoplasma, cloroplasto y núcleo. ¿Qué
es incorrecto en su respuesta? Explica por qué.
4. ¿Qué organelos serían particularmente abundantes
en una célula especializada en la secreción de una
hormona proteica?
5. Con base en tu respuesta a la pregunta 4 describe los
pasos para producir y secretar dicha hormona.
6. Los espermatozoides deben nadar hasta el óvulo. ¿Qué
tipo de organelo interno requieren los espermatozoides
en gran número? ¿Por qué?
7. Cuando una célula animal se reproduce, su membrana
se contrae y después la célula se divide en dos. ¿Qué
estructura celular desempeña un papel en este proceso
de contracción?
140
05U2_Oram.indd 140
microtúbulo
mitocondria
núcleo
nucleolo
órgano
procarionte
retículo endoplásmico
ribosoma
simbiosis
sistema
tejido
vacuola
8. Explica por qué las bacterias pueden sobrevivir sin
organelos recubiertos de membrana, pero no sin
ribosomas.
Aplicación de conceptos
9. Un leucocito de tu cuerpo envuelve una bacteria y la
digiere. ¿Mediante qué proceso la bacteria es llevada
al interior de la célula? ¿Dónde y cómo es digerida? ¿En dónde fueron producidas y empacadas las
enzimas necesarias para la digestión? ¿Cómo serán
expulsadas del leucocito las partes no digeribles de la
bacteria?
10. ¿Puedes sugerir alguna causa de por qué hay poros
de gran tamaño en la membrana nuclear, pero no en
la membrana plasmática?
11. ¿Por qué los lisosomas se encuentran principalmente
en las células de consumidores?
12. Además de la síntesis proteica y la reproducción
¿qué otra función fundamental deben ser capaces de
realizar todos los procariontes?
13. ¿Podrías explicar la probable relación entre los lisosomas y el proceso de envejecimiento? (Sugerencia:
¿qué podría ocurrir mal?)
Capítulo 5 El interior de la célula
12/18/06 1:53:22 AM
14. Dado que los procariontes carecen de organelos
recubiertos de membrana, ¿en dónde supones que se
realiza la mayoría de sus reacciones químicas? Compara su eficiencia con la de los eucariontes.
15. Biotecnología: ¿por qué sería una ventaja para las
víctimas de quemaduras recibir injertos cutáneos de
piel artificial cultivada a partir de sus propias células?
¿Sería diferente tu respuesta si se requiriera mucho
tiempo para que creciera nueva piel en cantidad suficiente para cubrir las áreas quemadas?
16. Temas a debate: tu mejor amigo hace ejercicio, bebe
mucha agua, sigue una dieta vegetariana balanceada,
duerme lo suficiente, no fuma y tiene un agradable
bronceado. ¿Está saludable tu amigo? ¿Por qué?
Interpreta los laboratorios
17. Investiga: los siguientes son campos visuales del
microscopio. Estima el tamaño de los objetos en estos
diagramas. Explica cómo obtuviste las respuestas.
1500 Km
1500 Km
1500
1500 Km
Km
células se recombinan como se indica. Haz diagramas de las posibles células resultantes.
B
A
?
?
19. Minilab 1: estás tratando de clasificar algunos protozoarios y necesitas saber si tienen cilios o flagelos, pero se mueven muy rápido e incluso el uso de
metilcelulosa para reducir su velocidad no te permite
realizar la observación. ¿Qué podrías hacer para
determinar si tienen cilios?
Relación de ideas
A
B
C
18. Laboratorio del pensamiento: examina el diagrama
de las siguientes células. Predice qué ocurrirá si las
20. El paramecio es un protista unicelular de agua dulce.
¿Qué problema osmótico afronta? ¿Qué organelo
debe tener para resolver este problema?
21. Algunos biólogos creen que la membrana en el
interior de células y eucariontes puede haber evolucionado a partir de partes de la membrana celular que
se rompieron en el interior de una célula y se desplazaron. ¿Qué evidencia apoyaría esta hipótesis?
Capítulo 5 El interior de la célula
05U2_Oram.indd 141
141
12/18/06 1:53:39 AM