Nutrición y Estructura de la Célula Eucariota Animal
Todas las células necesitan nutrirse, esta actividad es esencial para mantenerse vivas y realizar sus actividades. En el tipo de nutrición de las células existen variaciones, las que pueden ser autótrofas o heterótrofas.
- Autótrofas: Organismos capaces de sintetizar todos sus componentes orgánicos a partir de sustancias inorgánicas simples (por fotosíntesis o por quimiosíntesis).
- Heterótrofas: Organismos que se alimentan de materia orgánica previamente elaborada, a partir de la que obtiene sus propios componentes estructurales y la energía que necesita.
La célula animal | Partes de la célula animal
Con frecuencia se compara el cerebro a una computadora central, que guarda información en forma de memorias y que con ella organiza todas nuestras actividades. Lo mismo puede decirse del núcleo de la célula, que se encuentra ubicado en el centro de la misma.
Igual que una computadora, o que un cerebro, el núcleo está constantemente enviando complicadas órdenes basadas en el almacenamiento de la información. Desde allí nacen las órdenes para todo lo que tiene que hacer la célula: dividirse, ordenar la formación de una proteína, fabricar algún producto, madurar, envejecer, e incluso morirse.
El Núcleo Celular
El núcleo es un saco membranoso que guarda la información en una larga molécula llamada ácido desoxirribonucleico. Trozos de ella constituyen los genes. Además el núcleo contiene una compleja maquinaria necesaria para mantener, reparar, replicar y leer las unidades (los genes), minimizando así los errores.
En el centro del núcleo se encuentra una pequeña estructura llamada "nucléolo", dedicado a la producción de ribosomas, que son futuras fabricas de proteínas de las células. Existen células más primitivas que no tienen núcleo (células "procarióticas"), que son propias de los seres unicelulares, como son las bacterias. Las células de los organismos multicelulares, en cambio, tienen núcleo (salvo los glóbulos rojos), y se han llamado células "eucarióticas".
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El núcleo de estas últimas tiene una envoltura, que no sólo la limita del citoplasma (citosoma), sino que además controla el flujo de sustancias que entran y salen de él.
Estructura típica de una célula animal eucariota.
Envoltura Nuclear
La envoltura del núcleo consta de dos membranas. La cara externa (membrana externa), se continua con el retículo endoplásmico rugoso del citoplasma, que corresponde a una red de túneles a través de los cuales los materiales son repartidos por todo el citoplasma. La cara interna de la membrana (membrana interna) mantiene su forma por una resistente red proteica, "la lámina nuclear", que sostiene esta envoltura y une a los guardadores del DNA, que se llaman "cromosomas".
Cuando las células se dividen para formar dos nuevas células, las membranas nucleares y la lámina nuclear, se separan en segmentos para permitir la formación de una serie de fibras. Estas guían a los cromosomas que se han duplicado hacia las dos nuevas células.
Poros Nucleares
Al igual que en una antigua ciudad amurallada, la entrada y salida del núcleo está controlada por varios "portones" que son muy selectivos. Ellos son los "poros nucleares". La membrana del núcleo de una célula promedio de un mamífero, cuenta aproximadamente con 3000 poros. Cada poro está taponado por una estructura conocida como "complejo nuclear poroso".
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Investigaciones de los últimos años, han permitido configurar esta elaborada estructura. Imágenes tomadas con el microscopio electrónico muestran que el complejo del poro nuclear consiste de un "tapón de hoyo", a través del cual viajan las moléculas envueltas por una "capa" proteica. Pegados a la capa, existen largos filamentos que sobresalen dentro del núcleo y del citoplasma.
Las sustancias pasan a través del interior del tapón de hoyo, que es esencialmente un canal acuoso, que se puede expandir masivamente para permitir el total doblamiento y ensamblaje de moléculas como proteínas, que pasan a través de él.
Los poros nucleares sólo dejan pasar al interior del núcleo, a moléculas largas que están adheridas a una corta secuencia proteica, llamada "señal de localización nuclear" (SLN). La SLN se une a un receptor específico en el poro, que calza como una llave calza en su cerradura. Si el receptor reconoce al SLN, la sustancia puede pasar a través del poro.
Menos se conoce de cómo los productos son exportados desde el núcleo al citoplasma. Como se podría esperar, el poro nuclear solamente deja salir moléculas que están unidas a una corta secuencia de proteínas llamadas "señal de exportación nuclear" (SEN). Estas exportaciones moleculares son principalmente sub-unidades de ribosomas y órdenes nucleares que van al resto de la célula, las que están estructuradas en el RNA mensajero (mRNA).
¿Por Qué un Núcleo?
Antes de observar como trabaja el núcleo, es válido preguntarse por qué debe existir un núcleo. Esta pregunta la podemos contestar comparando una célula nucleada (eucariota), con una célula simple, sin núcleo (procariota). A primera vista parecería que la presencia del núcleo no haría a la célula más exitosa.
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Las células procariotas en la Tierra son mucho más comunes que las eucariotas y pueden colonizar ambientes que son imposibles para las frágiles células eucariticas. Tal es el caso de las emanaciones sulfurosas de los fondos marinos, donde son capaces de vivir sólo algunos tipos de células procariotas, a pesar de existir allí una elevada temperatura.
Por otra parte, las células procariotas también se reproducen más rápidamente que las eucariotas, adaptándose en poco tiempo a exigentes cambios ambientales. Sin embargo, si se considera que hace dos mil millones de años, un puñado de células eucariotas fueron capaces de evolucionar y llegar a constituir organismos tan diversos como animales, plantas, hongos, tenemos entonces que aceptar que la presencia del núcleo otorga ventajas, que las células sin él nunca podrán alcanzar.
Las células eucariotas pueden asumir roles complejos y especializados, lo que las procariotas no pueden, como por ejemplo transmitir estímulos nerviosos, o agruparse para formar un animal multicelular, que puede explorar el ambiente, cosa que no le es posible a una célula simple sin núcleo. Incluso, aun cuando no se puedan desplazar, como en el caso de un árbol, sus células se pueden especializar. Para alcanzar tal complejidad, sólo es posible con un núcleo.
El le permite almacenar una enorme cantidad de información genética, miles de veces mayor que la que puede almacenar una bacteria. Más aún, el núcleo provee la maquinaria necesaria para copiar con gran acuciosidad, innumerables cantidades de datos genéticos, necesarios para transmitirlos de una generación a otra, como también la maquinaria necesaria para controlar la actividad de miles de genes, o para reparar a éstos cuando se dañan. Todas estas funciones son necesarias para poder desarrollar la complejidad de un organismo multicelular.
También ha sido importante el núcleo para permitir la evolución de células grandes. Las células eucariotas son entre mil y diez mil veces más grandes que las procariotas. Como son de gran tamaño, su citoplasma requiere de un esqueleto muy bien estructurado que le mantenga su forma (citoesqueleto).
El DNA: El Arca de la Alianza
En el interior del núcleo, como en el arca de la alianza, está la molécula clave. Ella es el DNA, el que guarda la información genética, que es necesaria para producir cada una de las proteínas que forman el organismo. El DNA se asemeja a una escalera en espiral.
Los peldaños de la escalera están formados por las llamadas bases y los lados de la escalera están formados por grupos alternados de azúcar y fosfato. Hay cuatro bases en el DNA: adenina, citocina, guanina y timina (A,C,G, y T). Cada peldaño a su vez está formado por dos bases unidas, llamadas "base par" y siempre la adenina se une con la timina y la citosina con la guanina.
Estructura química del ADN.
Una determinada unidad de información genética se llama gene. Cada gene codifica para una proteína específica y tiene una longitud de miles de pares de bases. El núcleo de las células humanas contiene 3 mil millones de pares de bases, contenidos en 46 cromosomas.
Empaquetamiento del DNA
Pero ¿cómo puede un pequeño núcleo, que mide una centésima de milímetro, contener tal cantidad de DNA? La respuesta está en la asociación del DNA con proteínas de empaquetamiento, llamadas histonas, que se unen formando un complejo DNA-proteína, llamado "cromatina". Las proteínas histonas ayudan a organizar y envolver el DNA en atados compactos.
Las hebras de DNA se enrollan alrededor de grupos de histonas para formar "nucleosomas", en la misma forma que un hilo se enrolla alrededor de una bobina. De este modo los nucleosomas se enrollan en las fibras de cromatina y a su vez se enrollan formando lazos. Esta organización de multinivel, no solamente compacta el DNA, sino que lo hace en una forma que permite que los genes permanezcan accesibles a muchas de las enzimas que reparan, replican y copian el DNA.
Las células procariotas no tienen necesidad de esta sofisticada tecnología de empaquetaje del DNA, ya que ellas tienen sólo una minúscula cantidad de DNA, que en promedio es mil veces menor que la que contiene una célula eucariota.
Cromatina y Cromosomas
Durante la división celular, las fibras de cromatina se hacen más cortas y se engordan, para evitar enredarse. Cuando la célula no se está dividiendo, algunas regiones del cromosoma se observan como muy densas, y se conocen con el nombre de "heterocromatinas". Otras regiones, donde la cromatina está empaquetada más suelta, se conocen como "eucromatinas".
Los genes dentro de la heterocromatina están inactivos, porque ellos están unidos en forma muy apretada, lo que los hace inaccesibles a enzimas y otras proteínas. Algunos genes permanecen unidos en la heterocromatina durante toda la vida de la célula, apiñados como libros en desuso que se guardan en cajas, almacenados en un ático.
Como durante la división celular los cromosomas se acortan y se engruesan y se ponen más densos, se hacen perfectamente visibles, siendo posible observarlos con un microscopio de luz. En esta situación pueden teñirse y fotografiarse.
Una vez teñidos con el colorante fluorescente "quinacrina", aparecen diferentes bandas dibujadas sobre los cromosomas. Estas "bandas Q" varían entre especies y entre cromosomas de la misma especie, por lo que ellas son usadas para identificar y comparar cromosomas. Los genetistas usan las bandas Q, para identificar anormalidades en los cromosomas, tales como las "translocaciones", que suceden cuando un cromosoma intercambia un trozo con otro cromosoma.
Durante la división celular, cada cromosoma humano está formado por dos trozos, conocidos como "cromatidos", unidos en un área estrecha que se llama "centromero". Los centromeros consisten esencialmente de secuencias repetitivas de DNA y juegan un rol clave en el movimiento del cromosoma durante el proceso de división de la célula.
Telómeros
El extremo del brazo de cada cromosoma posee una extensión del DNA que se ha llamado "telomero". Ellos, al igual que los centromeros, están también constituidos por una secuencia repetitiva de DNA. Los telomeros protegen a los cromosomas de posibles daños, previniendo que sus extremos se fusionen unos con otros.
Muchos creen que éstos tienen un rol en el envejecimiento celular, ya que se van acortando cada vez que se divide la célula. De este modo, cada vez que la célula se divide, éstos se hacen más cortos, hasta que llega un momento en que los cromosomas no pueden continuar dividiéndose.
Las células troncales (stem) que necesitan dividirse muchas veces, como son las que dan origen a los óvulos, espermios, y células sanguíneas, poseen una enzima llamada "telomerasa", cuya función es reconstruir los telomeros que se han acortado, para permitirles de este modo que continúen dividiéndose.
Transcripción y Traducción
Los genes tienen los códigos necesarios para la estructura de cada una de las proteínas que necesita el organismo. Estas últimas son fabricadas en el citoplasma de la célula. Desde el núcleo se transfieren pequeños trozos de información genética que migran hacia el citoplasma. Esta información, en forma de un código, es la que forma y transporta el RNA mensajero (mRNA).
"La transcripción" es el proceso mediante el cual la información genética es copiada desde el DNA al mRNA. Cuando el mRNA deja el núcleo, se dirige en el citoplasma, hacia el lugar donde están las fábricas de proteínas (ribosomas). Allí el mensaje es recibido y de acuerdo a él se ensambla una proteína. Este proceso se llama "translación".
El mRNA se asemeja a una sola hebra del RNA, con la diferencia que donde estaba la base timina, ésta se reemplaza por otra, llamada uracilo (U), y que además el azúcar ribosa reemplaza a la desoxirribosa.
El proceso de la copia de la información desde el DNA al mRNA lo realiza una enzima llamada "RNA polimerasa", con la ayuda de "factores generales de transcripción (FGTs)". El proceso de la transcripción se inicia con la formación de un complejo formado por FGT y las enzimas RNA polímeras, que se unen en torno a una región específica del DNA, llamada "promotor", el cual dentro de la molécula de éste, se encuentra cerca del gene que va a ser transcrito.
La región en que sucede todo esto frecuentemente se la llama caja TATA, porque contiene una serie de bases TATAAA, o algo similar. De este modo, uniéndose a una región específica del promotor, se asegura que la transcripción comenzará en el lugar correcto.
Esto es muy importante, ya que la secuencia de tres bases es la que codifica una unidad de la proteína (un aminoácido), de modo que si la transcripción comienza una o dos bases antes o después, la información que lleve el mRNA va a ser diferente. Es decir, las tres bases van a significar otro aminoácido que no es el que se necesita para esa proteína.
Tan pronto como la RNA polimerasa reconoce al promotor correcto, el sistema se pone en acción y va leyendo el código del DNA, creando así una molécula de RNA que es "complementaria" a la del DNA, lo que es como si se tomara un negativo de una fotografía. Esto lo logra enhebrando unidades de RNA (bases) que encajan con las bases opuestas de la hebra del DNA.
Splicing
Antes de que el mRNA esté listo para dejar el núcleo, es cortado y pegado por enzimas, para formar una hebra definitiva de mRNA, quedando finalmente con un tamaño correspondiente a la mitad de su tamaño original. Este proceso de corte y pegado, se ha denominado "splicing" (corte) y es exclusivo de las células con núcleo.
En ocasiones un solo gen puede a veces ser dividido en varias formas diferentes, para producir así una variedad de proteínas diferentes. Así por ejemplo, dependiendo de cómo se divide el mRNA, ciertos anticuerpos pueden unirse a membranas, o simplemente flotar libres.
Los segmentos del gene que van a ser expresados, se llaman "exones", mientras que los trozos que le han sido cortados quedan dentro del núcleo y se llaman "intrones". Muchos biólogos piensan que fue la existencia del núcleo la que permitió la evolución del proceso de "splicing".
En las células procariotas, la transcripción y traducción de un solo gene ocurre simultáneamente. En ellas, tan pronto como una cadena de mRNA es lo suficientemente larga, comienza la traducción del código a la proteína. En las células eucariotas en cambio, los dos procesos están físicamente separados gracias a la membrana celular. Es posible que la envoltura nuclear haya permitido que el "splicing" evolucione, creando una demora entre la transcripción y la traducción, durante el cual pudo éste llevarse a cabo.
Representación visual del proceso de Splicing.
Además de actuar como patrón, la versátil molécula de RNA lleva a cabo otras cruciales ...
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