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Generalidades (la célula)
La fisiología es el estudio de las funciones de los organismos vivos y de las partes que los componen. Se trata de uno de los cimientos sobre los cuales se asientan la biología y la medicina. Hoy hablaremos de la célula y de la membrana plasmática.
Se puede hablar de:
- Estado fisiológico como aquel estado o condición en el cual se produce la normal función de un cuerpo.
- Estado patológico cuando estas funciones normales se ven alteradas por motivos como son las enfermedades.
Dentro de la fisiología se encuentra la fisiología del ejercicio. Se trata de una rama de la Fisiología que estudia la función corporal durante el ejercicio. Resulta imprescindible conocer cómo funciona el cuerpo humano en condiciones normales, y así entender las adaptaciones y respuestas que se producen al realizar una actividad física.
Niveles de organización fisiológicos
Los niveles de organización fisiológicos avanzan desde los menos complejos hasta los más completos. Cuanto más complejo sea el nivel de organización, más completas serán las funciones que se puedan realizar. Sin embargo, estas funciones son el resultado de la suma de acciones de los niveles inferiores que forman el nivel en el cual se están produciendo.
El cuerpo humano constituye una única estructura, pero a su vez se encuentra formado por estructuras más pequeñas realizando cada una de ellas diferentes funciones de manera coordinada gracias a esa organización de los niveles fisiológicos.
Estos niveles son los siguientes, desde los menos hasta los más complejos:
- Nivel químico
- Nivel de organelas
- Nivel celular
- Nivel tisular o hístico
- Nivel orgánico
- Nivel de sistemas orgánicos
Nivel de organismo
El nivel químico se compone de átomos y moléculas. La vida depende de que exista cierta cantidad y proporción de determinadas sustancias químicas dentro de las células corporales. Prácticamente el 99% del organismo humano está compuesto por átomos de seis elementos: oxígeno, carbono, hidrógeno, nitrógeno, calcio y fósforo. Cerca del restante 1% está compuesto por otros cinco elementos: potasio, azufre, sodio, cloro y magnesio.
En cuanto a las moléculas (unión de dos o más átomos), el cuerpo humano contiene moléculas de agua, siendo el elemento más abundante en el mismo, proteína, lípidos, ADN, glucosa…
Una célula es una unidad viva, y es la unidad más pequeña a nivel biológico que es capaz de realizar funciones por sí misma. Dentro de una célula se encuentran las organelas, pequeñas formaciones que ejecutan las diferentes funciones de la célula.
Un tejido presenta una complejidad mayor que la de una célula, ya que se trata de una organización de un gran número de células con funciones similares, las cuales se unen para cumplir con una función en común. Todas estas células que forman los tejidos se encuentran juntas y rodeadas de sustancias intercelulares que actúan a modo de pegamento conformado el nivel tisular.
Los órganos son elementos más complejos que los tejidos, ya que se encuentran formados por varios tejidos dispuestos de manera que pueden actuar en conjunto creando una sola unidad que realiza una función específica.
Los sistemas orgánicos van a ser las unidades de mayor complejidad que van a formar parte del cuerpo humano. Estos sistemas se componen de varios órganos, diferentes entre sí, de manera que cada uno realiza una función con el propósito de cumplir un objetivo común, como puede ser realizar la digestión o respirar.
Por último, encontramos al cuerpo u organismo humano, compuesto por todos los elementos que forman los diferentes niveles de organización fisiológicos (moléculas, átomos, células, tejidos, órganos y sistemas). Todos estos elementos actúan de forma conjunta para lograr constituir la unidad que supone el cuerpo humano.
La célula
La célula es la unidad estructural más pequeña en los seres vivos. El cuerpo humano se compone de billones de células, las cuales realizan multitud de funciones y forman diferentes agrupaciones dando lugar a los siguientes niveles fisiológicos.
En el caso de las células humanas, su tamaño va a variar desde las 7,5 micras de diámetro de los eritrocitos, hasta las 150 micras de diámetro de un óvulo femenino. En cuanto a la forma, existen diferentes tipos; desde células aplanadas hasta células redondas, pasando por filiformes, ovaladas o irregulares.
Las células se componen de los siguientes elementos:
Citoplasma: Se encuentra rodeado de la membrana plasmática. Es una sustancia fluida llamada citosol que contiene algunas estructuras especializadas en realizar diferentes funciones, que reciben el nombre de organelas, y en el centro del mismo se encuentra el núcleo de la célula. Su función es la de llevar a cabo las reacciones químicas.
El citoplasma de las células eucariotas está subdividido por una red de membranas llamadas retículo endoplasmático liso y retículo endoplasmático rugoso, que van a servir como superficie de trabajo para muchas de las actividades bioquímicas que se llevan a cabo en la célula.
Membrana plasmática: Bicapa lipídica con proteínas. Su función es la de limitar el exterior de la célula y permitir y controlar la entrada y salida de sustancias contribuyendo a mantener el equilibrio entre el interior (medio intracelular) y el exterior (medio extracelular).
La principal característica de esta membrana es su permeabilidad selectiva, lo que le permite seleccionar las moléculas que deben entrar y salir de la célula.
Retículo endoplasmático: Se trata de una serie de canales y tubos conectados entre sí. Se debe diferenciar entre:
- Retículo endoplasmático liso: No cuenta con ribosomas y su función es la de sintetizar lípidos (proceso muy activo en los adipocitos), almacenar calcio y desintoxicar sustancias como las drogas. En las células musculares lisas y estriadas se han encontrado formas especializadas de retículo endoplásmico liso conocida como retículo sarcoplásmico, el cual es un importante almacén del calcio que se utiliza en el proceso de contracción muscular.
También es el principal responsable de la síntesis de la parte lipídica de las lipoproteínas, de la producción de hormonas esteroideas y de ácidos biliares.
- Retículo endoplasmático rugoso: Se encuentra rodeado de ribosomas y se encarga de sintetizar las proteínas. Está muy desarrollado en las células que por su función deben realizar una activa labor de síntesis, como las células hepáticas o las células del páncreas.
Aparato de Golgi: Consiste en una serie de cisternas membranosas y aplanadas cuya función es la de empaquetar moléculas en vesículas para que sean expulsadas de la célula a través de la membrana plasmática.
Dentro de las funciones que posee el aparato de Golgi se encuentran la glicosilación de proteínas; la selección, destinación y glicosilación de lípidos; y el almacenamiento y distribución de lisosomas.
Ribosomas: Son partículas en forma de grano constituidas por subunidades de ARN robosómico. Se encargan de la síntesis de proteínas a partir de la información contenida en el ADN, que llega transcrita a los ribosomas en forma de ARN mensajero, en el proceso conocido como traducción.
Se les puede encontrar en el citosol, en las mitocondrias, y en el retículo endoplasmático rugoso.
Mitocondrias: Cápsulas membranosas con una serie de pliegues internos con enzimas incrustadas.
La principal función de las mitocondrias es la oxidación de metabolitos a través del ciclo de Krebs y la beta-oxidación de ácidos grasos; y la obtención de ATP mediante la fosforilación oxidativa empleando los carburantes metabólicos (glucosa, ácidos grasos y aminoácidos).
Lisosomas: Bolsas membranosas de enzimas de hidrólisis rodeadas por una membrana. Se encargan de descomponer las moléculas más grandes y degradan orgánulos defectuosos o dañados, es decir, se encargan de la digestión celular.
Peroxisomas: Son vesículas que contienen enzimas para detoxificar los agentes nocivos de la célula. Una de las funciones principales de los peroxisomas es romper los ácidos grasos de cadenas muy largas a través de un proceso conocido como β-oxidación.
En células animales, los ácidos grasos de cadena muy larga y larga son convertidos a ácidos grados de cadena media, que después son transportados hasta la mitocondria donde son metabolizados hasta dióxido de carbono y agua.
Centrosoma: Está formado por dos centriolos alargados embebidos en un conjunto de agregados proteicos que los rodean y que se denomina “material pericentriolar”.
Se encargan de organizar los cromosomas en la división celular.
Citoesqueleto: se trata de un entramado tridimensional de proteínas que provee soporte interno en las células, organiza las estructuras internas e interviene en los fenómenos de transporte, tráfico y división celular. Consta de tres tipos de proteínas, microtúbulos, microfilamentos y filamentos intermedios.
Cilios y flagelos: Se trata de prolongaciones de la célula.
- Cilios: mueven sustancias sobre la superficie de la célula y sirven como sensor para conocer el ambiente exterior a la célula.
- Flagelos: desplazan a la propia célula. Es el caso de la cola de los espermatozoides.
Núcleo: Es una estructura esférica de doble membrana que contiene hebras de ADN. Regula la síntesis de las proteínas y es parte fundamental para el transporte, el metabolismo, el crecimiento y la herencia genética.
El núcleo contiene la mayor parte del material genético celular, organizado en varias moléculas muy largas y lineales de ADN, con una gran variedad de proteínas, formando lo que llamamos cromosomas. Al conjunto de genes de esos cromosomas se denomina genoma nuclear. La función del núcleo es mantener la integridad de esos genes y controlar las actividades celulares regulando la expresión génica.
La principal estructura que constituye el núcleo es la envoltura nuclear, una doble membrana que rodea completamente al orgánulo y separa ese contenido del citoplasma, además de contar con poros nucleares que permiten el paso a través de las membranas para la correcta regulación de la expresión genética y el mantenimiento cromosómico.
Nucléolo: Es la zona más densa del núcleo y se le considera una estructura supra macromolecular que no posee membrana que lo limite.
La función principal del nucléolo es la transcripción del ARN ribosomal por la polimerasa, y el posterior procesamiento y ensamblaje de los pre-componentes que formarán los ribosomas.
Además, el nucléolo tiene roles en otras funciones celulares tales como la regulación del ciclo celular, las respuestas de estrés celular, la actividad de la telomerasa y el envejecimiento.
La membrana plasmática
La membrana plasmática se encuentra rodeando al citoplasma, de manera que constituye el límite externo de la célula. Esta membrana actúa como barrera entre el interior y el exterior de la célula, permitiendo la entrada y salida de sustancias a través de los canales y de los transportadores.
Se encuentra formada por dos capas de fosfolípidos las cuales se componen principalmente de lípidos (actúan como barrera), y de proteínas (actúan como canales y enzimas). En la membrana también se encuentra la molécula grasa conocida como colesterol, el cual ayuda a estabilizar las moléculas de fosfolípidos evitando que se rompa la membrana.
En la superficie externa de la membrana existen moléculas de proteína que ejercen la función de receptores para otras moléculas diferentes con las que interactúan. Esto hace que las hormonas se unan a estos receptores realizando cambios en las funciones de la célula.
Funciones de la membrana plasmática
Las funciones que cumple la membrana plasmática son las siguientes:
- Delimita y protege las células.
- Es una barrera selectivamente permeable, ya que impide el libre intercambio de materiales de un lado a otro, pero al mismo tiempo proporciona el medio para comunicar un espacio con otro.
- Permite el paso o transporte de solutos de un lado a otro de la célula, ya que regula el intercambio de sustancias entre el interior y el exterior de la célula siguiendo un gradiente de concentración.
- Posee receptores químicos que se combinan con moléculas específicas que permiten a la membrana recibir señales y responder de manera específica, por ejemplo, inhibiendo o estimulando actividades internas como el inicio de la división celular, la elaboración de más glucógeno, el movimiento celular, o la liberación de calcio de las reservas internas.
Funciones de las proteínas transportadoras
Las proteínas presentes en la superficie de la membrana plasmática van a cumplir las siguientes funciones:
- Permitir el transporte de moléculas.
- Actúan como marcadores de identificación, de manera que el sistema inmunitario puede diferenciar las células propias del organismo de aquellas que son ajenas al mismo.
- Actúan como receptores que reaccionan a la presencia de algunas sustancias (caso de las hormonas) induciendo cambios metabólicos en las células. Es lo que se conoce como transducción de una señal.
Transporte a través de la membrana plasmática
El transporte de sustancias a través de la membrana plasmática puede tener lugar de diferentes formas o procesos de transporte. Estos procesos se pueden clasificar en dos categorías:
- Procesos de transporte pasivo
- Se produce a favor de gradiente de concentración, es decir, de un lugar dónde la concentración es mayor a un lugar donde la concentración es menor.
- No requiere de energía celular.
- Los procesos que se incluyen aquí son la difusión simple (a través de membrana o a través de canales), y la difusión facilitada.
- Procesos de transporte activo
- Se producen en contra de gradiente de concentración, es decir, de un lugar dónde la concentración es menor a un lugar donde la concentración es mayor.
- Requiere de energía celular.
- Los procesos que se incluyen aquí son el transporte activo primario (mediado por bombas), y el transporte activo secundario (mediado por cotransportadores).
Procesos de transporte pasivo
Difusión simple a través de membrana: la membrana plasmática cuenta con una serie de poros lo suficientemente grandes como para permitir el paso de determinadas sustancias a través de ellos. Por ejemplo, la membrana es permeable al agua, al oxígeno, al dióxido de carbono.
Difusión simple por proteínas canal: las proteínas canal son unas proteínas ubicadas en la membrana plasmática, las cuales se abren y cierran para permitir o impedir el paso de algunas sustancias, las cuales atraviesan la membrana por estos canales sin ninguna otra ayuda. Es el caso de los iones.
Difusión facilitada: en este caso la sustancia se debe unir previamente a un transportador para poder atravesar la membrana. Esto va a ocurrir con algunas sustancias polares.
Procesos de transporte activo
Transporte primario por bomba de sodio-potasio: la bomba de sodio-potasio, es una estructura proteica ubicada en la membrana celular. Esta bomba emplea el ATP para poder desplazar de manera activa iones a través de la membrana celular y en contra de gradiente de concentración. Esta bomba de sodio-potasio permite el intercambio de iones de sodio y potasio entre el interior y el exterior de la célula, de manera que desplaza los iones de sodio hacia el exterior, y los de potasio hacia el interior.
Estos iones son desplazados en contra de su gradiente de concentración, de forma que la bomba crea una elevada concentración de sodio fuera de la célula, una elevada concentración de potasio dentro de la célula.
Resulta necesaria para poder expulsar del interior de la célula al sodio tras haber entrado durante la transmisión del impulso nervioso.
Transporte secundario simporte: el simporte o cotransporte paralelo se produce cuando una dos solutos o iones se mueven en el mismo sentido y al mismo tiempo, a favor de gradiente, es decir, desde una zona de elevada concentración hacia una zona de baja concentración.
Transporte secundario antiporte: en el antiporte o contratransporte, dos iones diferentes o solutos son desplazados en sentido opuesto el uno del otro a través de la membrana plasmática. Uno de ellos se desplaza desde una zona donde la concentración es alta hasta otra zona donde la concentración es baja, esto hace que se genere energía entrópica para poder transportar otro soluto desde la zona de baja concentración hasta la zona de elevada concentración.
Transporte de moléculas grandes
En el caso de tener la necesidad de transportar moléculas más grandes que las que supone un ion, la célula es capaz de formar vesículas de forma que estas moléculas más grandes pueden penetrar o ser expulsadas de la célula.
Endocitosis: es la situación en la cual una sustancia penetra en la célula mediante la formación de vesículas que terminan por desprenderse de la membrana para incorporarse al citosol. Dentro de la endocitosis se debe distinguir entre dos situaciones diferentes:
- Fagocitosis: es el caso en el cual penetran partículas al interior de la célula. Para ello la partícula se apoya en una zona de la membrana celular y esta crea la invaginación incorporándola a su interior.
- Pinocitosis: es el caso en el cual penetran fluidos o sustancias disueltas al interior de la célula.
Exocitosis: se trata de un proceso que consume energía mediante el cual la célula expulsa de su interior sustancias a través de las vesículas secretoras. Las sustancias que han de ser expulsadas son envueltas por la acción del aparato de Golgi mediante unas vesículas. Cuando estas vesículas se aproximan a la membrana plasmática son expulsadas al exterior de la célula.
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