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NIVEL I MATERIA: BIOLOGÍA CLASE 2: INTRODUCCIÓN A LAS CÉLULAS TEMAS: NIVELES DE ORGANIZACIÓN LA CÉLULA COMUNICACIÓN CÉLULA-CÉLULA EL METABOLISMO @2005 -ATFA- Todos los derechos reservados 1 CLASE 2 INTRODUCCIÓN A LAS CÉLULAS NIVELES DE ORGANIZACIÓN Representan la forma en que se organiza y agrupa la materia viva en relación a las funciones que realizan y el grado de complejidad de las mismas. A grandes rasgos podemos decir que el cuerpo humano está constituido por células, las cuales se agrupan para formar tejidos. Los tejidos se unen para construir órganos y los órganos integran sistemas (o aparatos). Cada una de estas estructuras corresponde a un nivel de organización diferente. La célula Representa la organización celular del cuerpo humano donde la estructura básica es la célula. Todos los organismos vivos están formados por células (más adelante nos detendremos en el desarrollo de la misma). Los tejidos Son la agrupación de células del mismo tipo que, en forma conjunta, realizan una función vital y especializada para un organismo. En el cuerpo humano existe una variedad de tejidos. Algunos de ellos son: nerviosos, musculares, sanguíneos, etc. A los tejidos de los seres humanos los podemos clasificar en cuatro grupos: - Tejido epitelial: está formado por capas unidas entre sí que puestas recubren todas las superficies libres del organismo, y constituyen el revestimiento interno de las cavidades, órganos, huecos, conductos del cuerpo y la piel. El tejido epitelial protege al cuerpo de los factores externos y los relaciona con el ambiente a través del tacto. Su principal función es la de @2005 -ATFA- Todos los derechos reservados 2 proteger al organismo contra las infecciones y lesiones, son células que están muy juntas. Incluyen la piel y membranas de recubrimiento interno del cuerpo. - Tejido conjuntivo o conectivo: es el tejido que sostiene el organismo animal y que conecta sus distintas partes.Su función es la de dar soporte y estructura al cuerpo. El tejido conectivo comprende: adiposos (donde se alojan lípidos), elásticos y fibrosos (dentro del organismo junto o dentro de los órganos), cartilaginosos y huesos. - Tejido muscular: está formado por células musculares con poco tejido intersticial entre ellas. Estos tejidos que se contraen y se relajan debido a las miofibrillas comprenden los músculos estriados, lisos y músculos cardiacos. Su función es la de relajación y contracción de los músculos - Tejido nervioso: Está constituido por células nerviosas o neuronas. Este complejo grupo de células es el encargado de llevar o transferir la información de una parte del cuerpo a otra para regular y coordinar el funcionamiento del cuerpo y regula su comportamiento. De estos grupos también derivan otros tejidos como: - Tejido sanguíneo y linfa: constituye la sangre en la cual están suspendidos elementos como los glóbulos rojos, glóbulos blancos y plaquetas en una sustancia. Entre sus funciones están el transporte de oxígeno, CO2 y las sustancias nutritivas. La linfa es un líquido en el que se hallan suspendidos ciertos elementos, se le relaciona con la distribución de sustancias nutritivas. Los órganos Cuando los tejidos se agrupan para cumplir una determinada función constituyen el nivel de organización orgánico. Un órgano sería entonces, un conjunto de tejidos que se agrupan para cumplir una determinada función, ejemplo, el Estómago órgano del sistema o aparato, los Pulmones órganos del sistema respiratorio encargado del intercambio gaseoso o Hematosis, etc. Además, los órganos no solo son diferentes en funciones, sino también en tamaño, forma, apariencia, y localización en el cuerpo humano. En los seres humanos se han desarrollado órganos muy complejos con funciones muy específicas. Algunos ejemplos son: los órganos sensoriales, el cerebro, los riñones, etc. Los aparatos y sistemas Representan el nivel más complejo de las unidades de organización del cuerpo humano. Involucra sistemas y aparatos. Sistema: es un grupo de órganos asociados que trabajan coordinados para efectuar una actividad biológica particular y están formados predominantemente por los mismos tipos de tejidos. Por ejemplo: el esquelético, el sistema cardiovascular, el sistema nervioso, etc. Aparato: es un grupo de sistemas que desempeñan una función común y más amplia. Por ejemplo el aparato locomotor, integrado por los sistemas muscular, óseo, articular y nervioso. Los aparatos realizan una función en común a pesar que sus órganos realizan diferentes funciones. Las funciones de estos órganos se complementan pero funcionan con el mismo “objetivo”. Los @2005 -ATFA- Todos los derechos reservados 3 aparatos presentes en el cuerpo humano son: aparato circulatorio, aparato digestivo, aparato respiratorio, aparato excretor y el aparato reproductor. LA CÉLULA Es la unidad funcional y estructural más pequeña de los organismos vivos. La célula es una estructura compleja autosuficiente, esto significa que una célula se alimenta, crece, elimina sus desechos, respira y se reproduce por sí sola. Existen organismos donde todo su cuerpo está representado por una sola célula y son llamados unicelulares. Otros, como los seres humanos, que están formados por millones de células, son llamados pluricelulares. De hecho un ser humano, por ejemplo, está formado por unos 200.000 millones de células, presentando diversas formas y funciones, cuya finalidad es la supervivencia y la reproducción. @2005 -ATFA- Todos los derechos reservados 4 Existen dos tipos fundamentalmente distintos de células, las procariotas y las eucariotas. A su vez encontramos células eucariotas de diferentes formas, tamaños y especializadas, es decir cumplen con una función específica. Por ejemplo las neuronas pertenecen al sistema nervioso y transmiten los impulsos eléctricos desde el cerebro a las diferentes partes del cuerpo, los glóbulos rojos son los encargados de transportar el oxigeno hacia todas las células del organismo. Hasta el huevo que todo el mundo conoce, no es más que el óvulo (célula sexual femenina) de las gallinas, etcétera. Estructura de la célula La célula se compone de partes características, una membrana semipermeable que la cubre en toda se extensión, el núcleo y el protoplasma. El protoplasma es la sustancia básica de la vida, es una masa de consistencia gelatinosa, y de acuerdo a donde se encuentre se denomina Carioplasma (si se encuentra en el núcleo) y citoplasma (si se encuentra en el cuerpo de la célula). @2005 -ATFA- Todos los derechos reservados 5 o Membrana celular o plasmática Rodea a toda la célula y mantiene su integridad, separa el citoplasma de la célula de su ambiente externo. No solamente define los límites de la célula, sino que además permite que la célula exista como un organismo diferente de su entorno. Esta membrana regula el tránsito de sustancias hacia fuera y hacia adentro de la célula, constituida por en una delgada capa de fosfolípidos y proteínas. Las membranas están generalmente rodeadas por agua, lo que hace que las moléculas de fosfolípidos se dispongan formando una bicapa en las cuales están incluidas moléculas de proteínas y colesterol. La mayoría de las membranas tiene aproximadamente 40% de lípidos y 60% de proteínas. Las proteínas, pueden desarrollar muchas actividades diferentes y son las responsables de la mayoría de las funciones que cumplen las membranas de la célula. Algunas proteínas son enzimas y regulan reacciones químicas bien especificas; otras son receptores, relacionados con en el reconocimiento y unión de moléculas señalizadoras, (las hormonas), otras son proteínas de transporte, desempeñando un papel fundamental en la entrada y salida de sustancias. o Núcleo Es voluminoso y ocupa una posición central en la célula. Está separado del citoplasma por una envoltura. Formado por dos membranas, que poseen poros por los cuales se desplazan algunas sustancias desde y hacia el citoplasma. En su interior se encuentra el material genético (ADN), responsable del funcionamiento celular y de la transmisión de las características que se heredan de padres a hijos. @2005 -ATFA- Todos los derechos reservados 6 o Citoplasma: Es una estructura celular que se ubica entre la membrana celular y el núcleo. Químicamente, está formado por agua, y en él se encuentran en suspensión, o disueltas, distintas sustancias como proteínas, enzimas, líquidos, hidratos de carbono, sales minerales, etcétera. Contiene un conjunto de estructuras muy pequeñas, llamadas organelas celulares, entre ellas encontramos, por ejemplo: Mitocondrias: Organismos fundamentales para la obtención de la energía. Son organelas de forma elíptica, están delimitados por dos membranas, una externa y lisa, y otra interna, que presenta pliegues, capaces de aumentar la superficie en el interior de la mitocondria. Poseen su propio material genético llamado ADN mitocondrial. Función de la mitocondria es producir la mayor cantidad de energía útil para el trabajo que debe realizar la célula, almacenada en una molécula especial llamada ATP (adenosin trifosfato). @2005 -ATFA- Todos los derechos reservados 7 Retículo endoplasmático: Corresponde a un conjunto de canales y sacos aplanados, que ocupan una gran porción del citoplasma. Por el interior de ellos circulan sustancias de una parte a otra de la célula. Existen dos tipos de retículo. Uno es el llamado rugoso, en la superficie externa de su membrana van adosados ribosomas, y otro llamado liso que carece de ribosomas Función del retículo endoplasmático rugoso: consiste en transportar proteínas que fueron sintetizadas, y también algunas proteínas que forman parte de ciertas membranas de distintas estructuras de la célula. Función del retículo endoplasmático liso: colabora con la producción de sustancias de naturaleza lipídica y actúa como medio para transportar sustancias secretorias hacia el exterior de la célula. @2005 -ATFA- Todos los derechos reservados 8 Célula muscular: la fibra Los músculos estriados están constituidos por un conjunto de células musculares denominadas fibras musculares. Estas se agrupan por fascículos y dentro de cada fascículo encontramos la fibra muscular. En esta asignatura conoceremos más a fondo la estructura de las fibras musculares. @2005 -ATFA- Todos los derechos reservados 9 - Endomisio: capa fina de tejido conjuntivo que rodea directamente a cada célula muscular Perimisio: capa fina de tejido conjuntivo que rodea paquetes o haces de células musculares. Epimisio: reviste el músculo en su conjunto, esta por fuera del todo, y es bastante más grueso que el resto. Sarcolema: es el nombre que recibe la membrana de la célula muscular. Sarcoplasma: es el nombre que recibe el citoplasma de la célula muscular a diferencia del citoplasma de la mayoría de las células, el sarcoplasma contiene una gran cantidad de depósitos de glucógeno y un compuesto similar a la hemoglobina llamado mioglobina. Célula nerviosa: la neurona Las neuronas son las células fundamentales del sistema nervioso, representan la unidad anatómica y funcional del cerebro humano y están especializadas en procesar la información: reciben señales internas y externas para transmitirla a los centros nerviosos. Una neurona típica se compone de tres regiones: cuerpo celular, dendrita y el axón. - El cuerpo celular está compuesto por el núcleo y dendrita. El núcleo, es el almacén de información genética. Las dendritas, son prolongaciones del cuerpo celular y actúan como receptores de las señales procedentes de otras neuronas o impulsos de los estímulos ambientales. El axón es la vía a través de la cual se transmite la información de una célula a otra, su función es conducir los impulsos fuera del cuerpo celular y llevarlos a otras neuronas o hacia otros órganos. La terminal del axón contiene sacos denominados vesículas, que a su vez contienen sustancias químicas denominadas neurotransmisores. @2005 -ATFA- Todos los derechos reservados 10 COMUNICACIÓN CÉLULA-CÉLULA En los organismos multicelulares es esencial que las células individuales se comuniquen entre sí, de modo que puedan "colaborar" para crear un órgano o un tejido que funcione armoniosamente. La comunicación entre células es una tarea que cumplen tanto el sistema endócrino (a través de las hormonas) como el sistema nervioso (por medio de neurotransmisores). Sistema endócrino: Hormonas Las células en el cuerpo de los seres humanos liberan hormonas, estas no son más que mensajeros químicos que se trasladan de un lugar a otro del cuerpo y afectan a otras células del mismo organismo. Las hormonas son liberadas por glándulas, las más conocidas son la tiroides, suprarrenal, hipófisis, etc. Las hormonas liberadas tienen un destino final denominado célula blanco. Cuando las hormonas alcanzan la membrana de la célula blanco, el mensaje puede ser transportado hacia su interior Al unirse el mensajero químico al receptor, se ponen en marcha reacciones químicas dentro de la célula, transmitiéndose así el mensaje a una serie de emisarios dentro de la célula. De esta manera la célula blanco “actúa” según la “orden” que recibió. @2005 -ATFA- Todos los derechos reservados 11 Sistema nervioso: neurotransmisores Las comunicaciones entre células se cumplen por medio de señales químicas y/o eléctricas conocidas como impulso nervioso. Los impulsos nerviosos se transmiten de neurona a neurona (unión sináptica), o de neurona a músculo (unión neuromuscular), a través de sustancias llamadas neurotransmisoras (Acetilcolina y la Noradrenalina). o Unión sináptica Es la unión de dos neuronas. Está constituida por tres elementos: el terminal presináptico (axón de las neuronas), cuerpo o dendritas de la célula postsináptica y el espacio sináptico. o Unión Neuromuscular Es la unión de una neurona con la fibra muscular. El axón de la neurona motora se conecta con el sarcolema de la fibra muscular a través de una invaginación. Similar a la sinápsis, existe un elemento el terminal presináptico (axón de las neuronas), una célula postsináptica (la fibra muscular) y el espacio sináptico. @2005 -ATFA- Todos los derechos reservados 12 EL METABOLISMO El metabolismo es el conjunto de transformaciones de materia y/o energía que se produce en todas y cada una de las células. De este concepto básico derivan otros conceptos como: - - - Metabolismo energético: proceso de transformación de una forma de energía en otra forma. Metabolismo material: forma utilizada en entrenamiento para referirse al proceso de transformación de una forma de materia en otra forma. Metabolismo celular: Es el conjunto de reacciones químicas a través de las cuales la célula intercambia materia y energía con el medio Metabolismo muscular: expresión utilizada habitualmente en entrenamiento y fisiología del ejercicio que alude al conjunto de reacciones químicas que sucede en la célula muscular, a través de las cuales el organismo intercambia materia y energía con el medio. Metabolismo aeróbico: todas las transformaciones de materia y/o energía se realizan en presencia de oxígeno (O2). Metabolismo anaeróbico: todas las transformaciones de materia y/o energía se realizan sin la presencia suficiente de oxígeno (O2). Hay una carencia parcial de oxígeno, si este falta en su totalidad, la célula muere. Metabolismo basal: Son el conjunto de reacciones que realiza una célula cuando no está en actividad. Metabolismo celular En el interior de la célula tienen lugar numerosas reacciones químicas que involucran transformaciones de los materiales y de la energía. Estas transformaciones pueden ser para formar sustancias complejas o sustancias simples. - Formación de sustancias complejas: A la célula entran sustancias simples que al unirse a otras forman sustancias complejas, por ejemplo, cuando se forma una proteína a partir de la unión de varios aminoácidos. Como lo hemos mencionado en la clase anterior, Este tipo de proceso, que @2005 -ATFA- Todos los derechos reservados 13 transforman sustancias simples en otras más complejas, se denomina síntesis y, para que se produzca, se consume energía. - Formación de sustancias simples: Otras sustancias, luego de entrar en la célula, son transformadas en sustancias más chicas o simples. Por ejemplo, el almidón es transformado para dar como resultado varias moléculas de glucosa. Este tipo de proceso en donde se transforman grandes y complejas moléculas en moléculas más pequeñas y simples, se denomina degradación. El conjunto de las reacciones de síntesis y degradación que tienen lugar en la célula constituye el metabolismo celular. Acción enzimática Las reacciones metabólicas realizan funciones determinadas en la célula. Cada paso es controlado por una enzima específica y le permiten a las células llevar a cabo sus actividades químicas y físicas. Las enzimas funcionan como aceleradores biológicos, incrementando enormemente la velocidad a la que se producen las reacciones químicas. Los principales factores que influyen sobre la velocidad de las reacciones enzimáticas son las concentraciones de enzima y de sustrato. Muchas enzimas son sintetizadas por las células o activadas sólo cuando son necesarias. Energía para la actividad celular La energía se obtiene de los alimentos (hidratos de carbono, grasas y, en casos puntuales, las proteínas) y se almacena en un compuesto altamente energético llamado ATP. El ATP es una fuente energética necesaria para todas las funciones biológicas, como la contracción muscular, la digestión, la transmisión nerviosa, la secreción de las glándulas, la fabricación de nuevos tejidos, la circulación de la sangre, etc. La energía química de los alimentos se almacena en los enlaces químicos que los constituyen, de manera que, cuando un alimento es degradado, se rompen esos enlaces liberando energía. Estos enlaces son débiles y proporcionan poca energía cuando se descomponen, en consecuencia, los alimentos no se usan directamente como energía. En lugar de esto, la energía liberada por los @2005 -ATFA- Todos los derechos reservados 14 enlaces de los alimentos, se almacena en una forma de un compuesto altamente energético: El ATP. El ATP es una molécula compuesta por una Adenosina y tres átomos de fosforo llamados fosfatos o trifosfato de adenosina. La ruptura de los enlaces de esta molécula libera la energía necesaria que requieren los músculos cuando requieren para realizar una contracción. Resíntesis del ATP Como la célula muscular contiene una cantidad muy pequeña de ATP, esta molécula debe sostenerse con una regeneración o resíntesis constante. La resíntesis del ATP tiene lugar a través de tres vías: anaeróbica aláctica, anaeróbica láctica y aeróbica. Estas vías de resíntesis del ATP funcionan todas al mismo tiempo, y de acuerdo a las necesidades y disponibilidad inmediata, predomina una sobre la otra. Comúnmente se las conoce como Sistemas energéticos. @2005 -ATFA- Todos los derechos reservados 15 o Sistema ATP-PC (o vía anaeróbica aláctica) Es el más sencillo de los sistemas y corresponde al primer mecanismo de resíntesis del ATP. Los niveles de ATP se mantienen gracias a la energía suministrada por la descomposición del PC (fosfocreatina). La PC se rompe por acción de la enzima creatinquinasa, liberando la creatina por un lado, el fosfato (P) por otro, y energía. El P (fósforo) se combina con el ADP utilizando la energía liberada, y el producto final es el ATP. Con este sistema energético se evita el agotamiento del ATP reduciendo PC y proporcionando energía para formar más ATP. La energía se desprende inmediatamente, y la presencia de oxígeno no es obligatoria (aunque puede ocurrir en presencia del oxígeno) por lo cual se dice que el sistema ATP-PC es anaeróbico y no deja desechos mayores (No hay producción de ácido láctico). Los esfuerzos que caracterizan este sistema de producción de energía son los que se ejecutan a máxima intensidad en un período muy corto (10 segundos o menos). Ejemplo 100m, un salto, un pique corto. Subproductos del sistema ATP-CP A parte de la producción de ATP un subproducto de este sistema es la Creatina Rendimiento del sistema ATP-CP La producción de energía es una molécula de ATP por una molécula de PC. o Sistema glucolítico o vía anaeróbico láctica Sistema que reconstruye el ATP mediante la descomposición (lisis) de la glucosa a través del proceso denominado glucólisis (descomposición de la glucosa). Antes de que la glucosa o el glucógeno puedan usarse para generar energía, deben convertirse en un compuesto llamado glucosa-6-fosfato. La glucólisis comienza una vez se ha formado la glucosa-6-fosfato. Este compuesto se convierte en ácido pirúvico mediante las enzimas glucolíticas. Este proceso no requiere oxígeno, pero el uso del oxígeno determina el destino del ácido pirúvico formado por la glucólisis. Cuando la glucólisis se lleva a cabo sin presencia de oxígeno, el ácido pirúvico se convierte en ácido láctico, cuando se produce en presencia de oxígeno se convierte en Acetil-Co-A (listo para entrar en el ciclo de Krebs). @2005 -ATFA- Todos los derechos reservados 16 La glucólisis, que es mucho más compleja que el sistema ATP-PC, requiere 12 reacciones enzimáticas para la descomposición de glucógeno en ácido láctico. Todas estas enzimas operan dentro del citoplasma de las células. Subproductos del sistema glucolítico Además de las moléculas de ATP, este sistema produce ácido láctico (cuando el oxigeno no es suficiente). Rendimiento del sistema glucolítico La ganancia neta de este proceso es de 3 moléculas de ATP formado por cada molécula de glucógeno descompuesto. Si se usa glucosa en lugar de glucógeno, el beneficio es de sólo 2 meoleculas de ATP porque se usa una molecula para la conversión de glucosa en glucosa-6fosfato. o Sistema oxidativo o vía aeróbica: “La Respiración celular” Si bien la denominación real de este sistema es “respiración celular”, en entrenamiento se lo denomina sistema oxidativo o vía aeróbica. La reconstrucción del ATP a cargo de este sistema, conlleva la descomposición de los sustratos con la ayuda del oxígeno. Este sistema produce más energía que el ATP-CP y el glucolítico pero su velocidad de obtención es lenta. Es el más complejo de los tres sistemas energéticos. Dado que se emplea oxígeno, éste es un proceso aeróbico. Esta producción oxidativa de ATP se produce dentro de organelas especiales de la célula: las mitocondrias. Los sustratos del este sistema pueden ser los hidratos de carbono, las grasas y las proteínas (en situaciones muy puntuales). La oxidación de las proteínas es más compleja porque contienen @2005 -ATFA- Todos los derechos reservados 17 nitrógeno, que no se puede oxidar. Las proteínas tienen una contribución relativamente pequeña en la producción de energía, por lo que su metabolismo con frecuencia se pasa por alto. Para obtener energía de las proteínas, estas deben transformarse en Aminoácidos. Algunos aminoácidos pueden reconvertirse en ácido pirúvico o ácidos grasos, y una vez convertidos en los mismos, cada nuevo compuesto continúa su curso. o Ciclo de Krebs y Cadena de transporte de electrones Una vez formado, el acetil Co A entra en el Ciclo de Krebs, durante este proceso se producen una serie compleja de reacciones químicas que permiten la oxidación completa del acetil Co A. El ciclo de Krebs va unido a una serie de reacciones conocidas como la cadena de transporte de electrones. Ambos procesos permiten la oxidación completa del sustrato y proporcionan energía para la fosforilación de ADP, formando así ATP. Puesto que este proceso precisa oxígeno, recibe la denominación de fosforilación oxidativa. Subproductos de Sistema oxidativo Además de las moléculas de ATP, con este sistema se obtiene como producto final: H2O (agua) y CO2 (dióxido de carbono) que es eliminado durante la espiración. Rendimiento del Sistema oxidativo Producción de energía a partir de los hidratos de carbono: El sistema oxidativo de producción de energía puede generar hasta 39 moléculas de ATP a partir de una molécula de glucógeno. Si el proceso comienza con glucosa, el beneficio neto es de 38 moléculas de ATP (recordemos que antes de que la glucólisis comience se utiliza una molécula de de glucosa en glucosa-6-fosfato). Producción de energía a partir de los Ácidos grasos libres: Si el combustible es un ácido graso libre, la producción de energía puede generar hasta 144 moléculas de ATP. @2005 -ATFA- Todos los derechos reservados 18 @2005 -ATFA- Todos los derechos reservados 19
