Secretaría Académica
Dirección de Articulación, Ingreso y Permanencia Año 2015
Morfología: de la célula al hombre
como individuo. Conceptos básicos
Marta Fuentes
Larisa Carrera
Alicia Costamagna
Rosa Markariani
(editoras)
1. El microscopio
El término microscopio deriva del griego “micro”, pequeño, y “skopein”, observar. El microscopio es un instrumento de óptica que permite ver objetos muy pequeños o detalles estructurales imposibles de distinguir a simple vista, o sea, que están por debajo del límite del poder de resolución del ojo humano (70 a 100 µm).
Recién a principios del siglo XIX se dispuso de buenos microscopios ópticos; ello permitió descubrir que los tejidos vegetales y animales estaban formados por agrega-dos de células. El microscopio óptico fue inventado alrededor del año 1600 en Holan-da por el fabricante de anteojos Zacarías Janssen. Posteriormente, se efectuaron in-cesantes perfeccionamientos en el aparato de iluminación y en la construcción de los objetivos y oculares.
El Profesor de Física de la Universidad de Jena Ernest Abbé fue quien realizó en 1868 los cálculos previos para que el sistema óptico del microscopio diese el máximo de magnificación.
El microscopio óptico usual no sirve simplemente para observar con aumento cual-quier objeto (por ejemplo una mosca) –para ello se recual-quiere el uso de estereomicros-copio–, sino que es preciso que lo que se desea observar sea siempre transparente y, de ser posible, se encuentre en un mismo plano. Las alas de una mosca son un buen ejemplo de ello.
Esta condición impuesta al objeto que se pretende estudiar requiere, en la mayoría de los casos, de la obtención de la llamada preparación, que se realiza generalmente sobre una placa de vidrio –el portaobjetos, o simplemente “porta”– de 26x76 mm de superficie y 1 mm de espesor, cubierto con un vidrio sumamente delgado –el cubreob-jetos, también llamado “cubre”– de diversos tamaños, y con un espesor de 0.17 mm.
Cuando la luz atraviesa un material biológico cambia sus características y estas va-riaciones se hacen visibles por medio de los sistemas de lentes. El ojo puede
diferen-Marta Fuentes y Rosa Markariani (teoría)
ciar variaciones de intensidad de la luz (luz y sombra), y diferentes longitudes de onda (diferentes colores).
Las células y los tejidos animales, además de ser pequeños, cuando no están co-loreados, se captan en el microscopio como transparentes y faltos de color, con poca estructura interna, puesto que no presentan suficiente contraste. El conocimiento de sus diferentes estructuras fue posible gracias al hallazgo, a fines del siglo XIX, de colo-rantes que proporcionaban el contraste necesario para hacerlas visibles.
• Límite de resolución de un microscopio: es la distancia mínima respecto de la cual dos objetos pueden verse separados.
• Aumento: se define como la relación entre el tamaño de la imagen y del objeto en medidas lineales.
1.2. El microscopio óptico
El poder de resolución del microscopio óptico oscila entre 0,2 y 0,4 µm. En términos prácticos, las bacterias y las mitocondrias que tienen aproximadamente 0,5 µm de diáme-tro son las estructuras más pequeñas que pueden ser observadas mediante el mismo.
a) Microscopio simple o lupa: las lupas son consideradas microscopios simples, ya que están compuestas por una lente o un solo sistema de lentes convergentes bicon-vexas, que obran como una sola lente, de pequeña distancia focal, entre 5 y 10 cm. Amplían de 2 a 20 veces las estructuras observadas.
• Distancia focal: es la distancia que se encuentra entre el foco de la lente y su cen-tro óptico.
• Foco: es el punto donde se cruzan los rayos luminosos luego de atravesar una lente. • Centro óptico: es el punto central de una lente en el cual los rayos pasan a través de él sin desviarse.
b) Microscopio compuesto o fotónico: se lo llama también microscopio óptico de luz visible. Este microscopio emplea como fuente de luz las radiaciones del espectro solar vis-ibles y no visvis-ibles, cuyas longitudes de onda van desde el ultravioleta hasta el infrarrojo.
A diferencia del microscopio simple o lupa, está constituido por dos sistemas de lentes convergentes (ocular y objetivo) que forman la parte óptica del mismo. Estas lentes se encuentran ubicadas en un mismo eje dentro del tubo del microscopio.
1.2.1. Partes de un microscopio óptico
1.2.1.1. Parte mecánica
Parte mecánica, estativo o montura del microscopio
• Pie: es el encargado de sostener el instrumento y tiene diferentes formas. Debe ser estable, sólido, amplio y con el peso necesario para darle estabilidad.
• Columna: comprende el brazo y el pilar. Mediante el brazo se une al tubo y con el pilar se une al pie. También sostiene a la platina. La articulación con el tubo se efectúa por mando de acomodación, que permite movimientos de la platina en sentido verti-cal a fin de lograr el enfoque, está formado por dos botones o tornillos denominados:
- Macrométrico: da un ajuste grueso con movimientos amplios de la platina.
- Micrométrico: permite un ajuste fino con movimientos inapreciables de la platina, a nivel de micrones, logrando una imagen nítida del preparado
• Tubo: es un cilindro hueco que está unido a la columna por una cremallera. En su parte inferior está provisto de su sistema de revólver, pieza metálica giratoria en la cual se ajustan a rosca los objetivos de distintos aumentos. Al hacer girar el revólver se co-locan los diferentes objetivos en el eje óptico. En su extremo superior se ubican las dos lentes oculares .
• Platina: tiene forma cuadrangular, se ubica perpendicularmente al eje óptico del microscopio, lleva un orificio central través del cual llegan los rayos del aparato de ilu-minación. Las preparaciones, habitualmente montadas sobre portaobjetos, se colocan sobre la platina y son sostenidas por medio de pinzas metálicas que pueden moverse en las direcciones X e Y por medio de dos tornillos; esto permite recorrer el preparado en sentido lateral y anteroposterior.
• Subplatina: presenta una serie de aros y cilindros que sirven de soporte al diafrag-ma, al condensador y a los filtros.
1.2.1.2. Parte óptica
Componentes ópticos
• Condensador: está constituido por una lente o sistema de lentes convergentes ubicadas en un soporte metálico. Su función es hacer eficiente la iluminación,
concen-pie columna tubo platina subplatina lentes objetivos lentes oculares condensador
trando los rayos luminosos y proyectándolos sobre el preparado a través del orificio que posee la platina, de manera que entren en el sistema óptico propiamente dicho. Se mueve en sentido vertical por medio de una cremallera. En posiciones altas, con-centra los rayos en un punto (disminuye el ángulo de apertura de los rayos lumínicos)
• Sistema óptico propiamente dicho: consta básicamente de dos sistemas de len-tes: oculares y objetivos, separados por una distancia fija.
• Objetivos: están constituidos por un sistema de 4ó 5 lentes convergentes de gran potencia que forman una imagen real invertida y de mayor tamaño respecto del objeto, esta imagen se forma entre la lente ocular y su foco. Están recubiertos por cilindros metálicos en los cuales está inscripto el coeficiente de aumento (o potencia) de esa lente objetivo; dicho valor se simboliza con un número, seguido de una X. Los objeti-vos se ubican en el sistema cambiador de objetiobjeti-vos, denominado revólver.
Los objetivos pueden ser:
a) Objetivos secos: sólo se interpone aire entre la preparación a observar y el objeti-vo. De acuerdo con su capacidad de aumento pueden ser:
1. débiles o de menor aumento: 4X ó 6X (también denominados lupa) y 1OX; algu-nos microscopios están provistos también de un objetivo de 20X.
2. fuertes: corresponden al objetivo de 40X, que es el de mayor magnificación que puede utilizarse en seco.
b) Objetivos de inmersión: entre el objetivo y el preparado se interpone un medio líquido, cuyo índice de refracción sea aproximadamente igual al del vidrio, general-mente aceite de cedro (índice de refracción 1,52), que impide la desviación de los ra-yos luminosos al pasar de un medio a otro. El punto de enfoque de esta lente es muy próximo al portaobjeto por lo que el aceite reemplaza la película de aire entre objetivo y portaobjeto.
• Oculares: están constituidos por las lentes que recogen la imagen dada por el ob-jetivo. Al igual que los objetivos, están recubiertos por un cilindro metálico donde cons-ta el coeficiente de aumento (o potencia) de las mismas, que generalmente es de 5X, 1OX ó 15X. Están formados por un sistema de lentes en el que se destacan las lentes inferiores de campo o colectoras, y las lentes superiores u oculares, que actúan como una lupa.
Aumento final del microscopio: el aumento total se obtiene multiplicando el coefi-ciente de aumento del objetivo, por el aumento individual del ocular; así, el objetivo de 1OX con el ocular de 1OX da un aumento total de 100 veces.
1.2.1.3. Sistema o aparato de iluminación
Sistema lumínico
El sistema de iluminación se sitúa debajo de la platina
• Fuente de luz: se encuentra empotrada en el pie del microscopio; son lámparas de filamento metálico de bajo voltaje y de diferentes características.
• Transformador: reduce la tensión de la red eléctrica al requerido por la lámpara utilizada.
• Potenciómetro: regula la intensidad de la iluminación.
• Diafragma iris: se encuentra por debajo del condensador. Es una membrana que se abre o se cierra, su función es graduar la cantidad de rayos luminosos que llegan al objeto, eliminando los rayos periféricos que forman imágenes distorsionadas.
• Filtros de luz: se colocan en los aros portafiltros que están situados debajo del condensador. Son cristales coloreados que dejan pasar radiaciones con una longitud de onda determinada y absorben las restantes.
fuente de luz transformador potenciómetro diafragma filtros
1.3. Observación de muestras al microscopio óptico. Tipos de preparaciones Un microscopio funciona debido a que los rayos luminosos atraviesan la muestra y proporcionan una imagen.
Una buena observación al microscopio óptico exige un espesor de la muestra infe-rior a 10 micrones. Si la muestra es más gruesa, los planos celulares superpuestos im-piden el paso de la luz y las imágenes resultan confusas.
Por esta razón la muestra o material a observar debe ser acondicionada constitu-yendo lo que se denomina un preparado. La forma en que se confecciona un prepa-rado, depende de la muestra a observar y de las estructuras que se pretenden poner de manifiesto
Tipos de Preparados
1.3.1. Preparados no permanentes o húmedos
• Preparados frescos: el material es visualizado en condiciones naturales, tiene como objetivo mantener las estructuras sin ninguna modificación.
Su concreción es muy rápida y consiste en tomar una muestra del material, colo-carla sobre un portaobjetos limpio, desengrasado y seco; si éste es sólido, se deberá agregar una gota de agua o solución fisiológica y cubrirlo con un cubreobjetos. Este se coloca formando un ángulo de aproximadamente 45°, de tal manera que el líquido se distribuya por capilaridad en su borde, y se lo deja caer tratando que no queden bur-bujas de aire.
• Preparados frescos coloreados: con el propósito de aumentar el contraste entre la estructura a observar y el medio, o bien el de algún componente en particular, se pueden realizar distintas coloraciones.
Colorantes: Desde el punto de vista de su caracterización química son en su mayoría orgánicos y con estructura semejante al benceno o a sus derivados. El colorante debe unirse específicamente a algún componente celular, éste queda resaltado o diferenciado respecto del resto por el color que adquiere. Debido a la acción del colorante, las estruc-turas celulares dejan de funcionar normalmente, quitándole las propiedades de vida.
Los colorantes se combinan con las diferentes estructuras por afinidad química: No permanentes (húmedos) Semipermanentes (secos) Permanentes frescos frescos coloreados cortes histológicos frotis extendidos improntas
Los preparados frescos coloreados se realizan de la misma forma que un prepara-do fresco sin colorear, al cual se le adicionan unas gotas del colorante elegiprepara-do previa-mente a la colocación del cubreobjetos.
1.3.2. Preparados semipermanentes
• Frotis: se utilizan para observar materiales heterogéneos, por ejemplo: mucosa bucal, bacterias, levaduras, materia fecal, flujo vaginal, orina, etc.
El material se distribuye formando círculos en el centro del portaobjetos; la capa del material debe quedar pareja y tenue.
• Extendido: se realiza para observar materiales homogéneos, por ejemplo: sangre. Para realizarlo se toman dos portaobjetos bien desengrasados, se coloca una gota de sangre sobre el extremo de uno de ellos, se apoya sobre la gota el borde del otro portaobjeto formando un ángulo de aproximadamente 45° y se desliza este último con un movimiento suave, rápido y parejo.
• Impronta: este tipo de preparados se utiliza para aquellos materiales ricos en célu-las aisladas, que se desprenden fácilmente del trozo de tejido como el timo o el bazo, Pa realizar una impronta se toma una porción del tejido y se apoya repetidamente so-bre un portaobjeto a manera de sello, esto permite el depósito de las células soso-bre el mismo. Una vez distribuido el material sobre el portaobjeto, se procede a una fijación y posterior coloración.
Fijación: consiste en provocar la muerte rápida de la célula tratando de mantener intacta su morfología y composición química. Impide que se produzcan los procesos de descomposición y también permite que los microorganismos y las células queden adheridos a la superficie del portaobjeto. Algunos agentes fijadores son: calor, conge-lamiento, etanol, metanol, formol, etc.
Coloración: se coloca el portaobjeto con la muestra sobre una cubeta de colo-ración y se procede a colorearlo. Existen coloraciones simples en donde se utiliza un solo colorante y otras diferenciales en donde se utiliza una batería de colorantes.
1.3.3. Preparados Permanentes
• Cortes histológicos: se denominan así puesto que se realizan a partir de cortes muy finos de tejido animal o vegetal. Se los pueden conservar por un largo tiempo de-bido a que no sufren alteración progresiva por descomposición o putrefacción puesto que la muestra recibe un tratamiento especial y es protegida por un cubreobjeto sella-do en forma permanente que impide su alteración por uso o factores ambientales.
La técnica histológica consiste en una serie de pasos secuenciales que se enuncian brevemente a continuación:
a) fijación: se realiza de manera idéntica a la mencionada en la fijación de un frotis. b) inclusión: convierte a la muestra en un bloque fácil de seccionar, para ello, pre-viamente se la deshidrata y luego se la coloca en un material que, a temperatura ambi-ente adquiera consistencia y permita cortarse; se puede usar parafina, gelatina, etc
c) corte: se hacen cortes en láminas muy delgadas (entre 2 a 10 micrones de espe-sor) con un instrumento llamado micrótomo. Las laminas luego se recogen en agua y se adhieren a un portaobjeto.
d) coloración: previamente se elimina la sustancia utilizada en la inclusión (por ejem-plo la parafina) y se hidrata la muestra. Luego se coloca en una cubeta de coloración y se lo cubre con el/los colorantes seleccionados según la técnica de coloración, final-mente se lava y deja secar al aire.
e) montaje: se sella el cubreobjeto con un medio de montaje, el más utilizado es el Bálsamo de Canadá y de esta manera el preparado ya coloreado se puede conservar indefinidamente.
1.4 . Pasos para realizar el enfoque y observación al microscopio
1. La posición descansada del cuerpo posibilita el trabajo cómodo. El observador debe sentarse frente al microscopio con la columna en posición recta, para lo cual debe seleccionarse un asiento con la altura adecuada.
2. Sujetar el preparado sobre la guía portaobjeto de la platina. Verificar que el pre-parado este hacia arriba.
3. Conectar la fuente de luz, ubicar una mano sobre el tornillo macro-micrómetro, y la otra mano en los comandos de las guías de los portaobjetos.
4. Para la primera observación se debe utilizar el objetivo de menor aumento (lupa) este le dará una visión integral del preparado y le permitirá elegir las mejores áreas para luego observar en mayor aumento. Al seleccionar el objetivo, no tocar con los de-dos las lentes de los objetivos.
5. Seleccionar la iluminación correcta. El condensador se utiliza en posiciones inter-medias a bajos aumentos y a posiciones superiores con el objetivo de inmersión.
6. El enfoque correcto del preparado se realiza girando el tornillo macro- micrómet-ro, ajustando la imagen del campo, moviendo la platina hacia arriba y hacia abajo.
7. El tubo binocular se ajusta con ambas manos a la distancia interpupilar del oper-ador, hasta observar una sola imagen.
8. Al emplear el objetivo de inmersión se utiliza con una gota de aceite de inmersión entre el preparado y la lente. Se debe evitar la formación de burbujas de aire en la gota de aceite. Luego de utilizado el objetivo se debe limpiar con algodón o paño seco.
1.5. Tipos de microscopios
Microscopios
Microscopio de fondo claro y de campo oscuro: esta división se relaciona con la forma en que se ilumina el objeto. En el primero, los rayos luminosos hacen incidencia directa sobre el objetivo. En cambio, en los microscopios de campo oscuro los rayos luminosos del sistema de iluminación son dirigidos desde la parte lateral, y se produce la difracción, refracción o reflexión de los rayos luminosos merced a un juego de espe-jos. En consecuencia, cuando se observa el objeto por el ocular, se verá intensamente iluminado sobre un campo oscuro, puesto que no se produce una incidencia directa de los rayos sobre el objetivo. Se lo emplea para el estudio de elementos vivos, tales como bacterias o espermatozoides. Permite ver las células en acción y estudiar los procesos de mitosis y migración celular. No es útil para observar detalles estructurales.
Microscopio de contraste de fase: la manera más conveniente de establecer que una estructura existe en las células consiste en estudiarlas al microscopio mientras es-tán vivas, sin ninguna fijación o tinción preliminar. Esto requiere de sistemas ópticos especiales diseñados para aprovechar las propiedades de difracción de las células.
Este equipo transforma las diferencias de fase de la luz en diferencias de amplitud. Éstas son captadas por el ojo como diferencias de intensidad; para ello este microsco-pio tiene un dispositivo ubicado entre el diafragma y la platina que produce una varia-ción en la longitud de onda de la luz de incidencia lateral respecto de la luz de inciden-cia central. El condensador también tiene un diafragma espeinciden-cial; esto permite lograr imágenes diferenciadas.
La diferencia de desplazamientos ocurre según la luz atraviese una zona gruesa o fina de una célula o tejido. Es decir, cuando la luz pasa a través de una parte relativa-mente gruesa o densa de una célula, como por ejemplo el núcleo, se retarda y su fase queda desplazada en relación con la luz que ha pasado a través de una región más fina, por ejemplo el citoplasma. Con este tipo de microscopio quedan claramente vi-sualizados muchos detalles de una célula viva.
Microscopio de interferencia: su fundamento es el mismo que el de contraste de fase, por lo que se lo suele considerar un microscopio de fase perfeccionado. Tiene
fil-Compuesto, fotónico u óptico de luz visible de fondo claro y de campo oscuro De contraste de fase
De interferencia De polarización De fluorescencia
Electrónico de Transmisión (MET) De barrido o scanning (SEM)
tros especiales que se intercalan en el haz lumínico y que producen un contraste de fase coloreado positivo o negativo. Los cambios de color facilitan la observación de las estructuras vivas como si estuvieran coloreadas.
Microscopio de polarización: cuando algunos tejidos o componentes de nuestro organismo son atravesados por la luz ultravioleta, se produce un desdoblamiento de manera que de un rayo luminoso a la entrada obtenemos dos rayos que se denominan polarizados. Esto sucede porque esos componentes tienen un ordenamiento determi-nado de sus átomos. Tales cuerpos o componentes poseen lo que llamamos un estado cristalino, en tanto que las sustancias que no poseen dicho estado se conocen como cuerpos amorfos monorrefringentes o isotrópicos. En estos cuerpos isotrópicos la luz se propaga siempre a la misma velocidad, sin importar la dirección que siga dentro de los mismos. Por lo tanto, ese cuerpo amorfo tendrá un solo índice de refracción.
Por el contrario, en los cuerpo cristalinos, anisotrópicos o birrefringentes la luz va-riará su velocidad dependiendo de la dirección de su propagación. Esto da origen a lo que se llama fenómeno de doble refracción. Así, desde un solo rayo refractado se ori-ginan o producen dos rayos polarizados en forma rectilínea.
En el microscopio de polarización se utiliza un cristal polarizador de la luz, locali-zado entre el foco luminoso y el espécimen observar, que deja pasar solamente la luz polarizada rectilíneamente y elimina el rayo ordinario. Otro cristal polarizador se coloca entre el espécimen y el ojo del observador.
Si se coloca un cuerpo amorfo en la platina, la luz no sufrirá ninguna modificación, pero lo contrario sucederá si el cuerpo es cristalino o birrefringente: la luz brillará con mayor o menor intensidad. De este modo se pueden diferenciar sustancias monorre-fringentes y birremonorre-fringentes.
Microscopio de fluorescencia: emplea una fuente de luz ultravioleta (UV) y filtros capaces de impedir que la radiación que incide sobre la lámina lesione el ojo del ob-servador. Este tipo de luz permite que sustancias tales como la Vitamina A o los caro-tenos, constituyentes normales de algunas células, emitan radiaciones brillantes. Es-tos componentes aparecen brillantes sobre un campo o fondo oscuro, el cual no es fluorescente; esto se conoce como fluorescencia primaria. Cuando se colorean célu-las con colorantes especiales –como el tiocianato de fluoresceína, naranja de acridina o tiocianato de rodamina B, éstos se fijarán si determinadas estructuras celulares ad-quieren una fluorescencia que se denomina secundaria.
Microscopio electrónico de transmisión (MET): el límite de resolución impuesto por la longitud de onda de la luz visible (microscopio óptico) puede ser reducido uti-lizando electrones en lugar de fotones, ya que los electrones tienen una longitud de
La fuente de iluminación es un filamento de tungsteno situado en la parte superior de una columna cilíndrica que emite electrones.
Para poder conseguir un haz lineal de electrones primero se debe bombear el aire ha-cia afuera de la columna para producir vacío. Luego, los electrones son acelerados desde el filamento mediante un ánodo cercano, de forma que pasan a través de un agujero di-minuto y forman un haz de electrones que se dirige hacia la parte inferior de la columna.
Unas bobinas magnéticas situadas a intervalos a lo largo de la columna focalizan el haz de electrones, al igual que las lentes focalizan el haz de luz en el microscopio óptico.
La muestra se coloca en el vacío y luego se expone al haz de electrones. Algunos electrones son dispersados y no aparecen en la imagen, otros pasan a través de regio-nes densas y aparecen como áreas de flujo electrónico bajo respecto de las áreas de las regiones menos densas.
En el microscopio electrónico los electrones reemplazan a la luz y los campos mag-néticos a las lentes ópticas, de manera que se obtienen imágenes electrónicas en lu-gar de imágenes luminosas.
El contraste depende del número ató-mico de los átomos de la muestra: cuanto más elevado sea el número atómico, mayor número de electrones serán dispersados y tanto mayor será el contraste obtenido.
Las moléculas biológicas están com-puestas por átomos de número atómico bajo (C, O, H); por consiguiente, para con-seguir que los cortes ultrafinos de materia-les biológicos sean visibmateria-les, se contrastan mediante la exposición a sales de metales pesados tales como uranio o plomo. De este modo, por ejemplo, los lípidos tien-den a teñirse de oscuro revelando la loca-lización de las membranas celulares. Con este equipo puede observarse la estructu-ra interna de la célula (ultestructu-raestructuestructu-ra).
La imagen final se puede observar sobre una pantalla fluorescente o por medio de una placa fotográfica. Con microscopio se pueden obtener aumentos de hasta 200.000, 300.000 veces o más, los que por medio de las ampliaciones fotográficas pueden llegar hasta 1.000.000 o aún más.
Microscopio electrónico de barrido (SEM): el microscopio electrónico de barri-do revela la disposición tridimensional de los componentes celulares. Esto se produce debido a que el haz de electrones se refleja sobre la superficie de la muestra en lugar de atravesarla como sucede en el anterior. La muestra a analizar se fija y seca al vacío, Fig. 2: Microscopio Electrónico de Transmisión
proceso conocido con el nombre de sombreado. Luego es barrida por un haz focaliza-do de electrones: cuanfocaliza-do el haz choca con la muestra se producen electrones “secun-darios” en la superficie metalizada y éstos son detectados y convertidos en una ima-gen sobre una pantalla de televisión, la que puede también ser fotografiada.
Puesto que el grado de dispersión de los electrones depende del ángulo relativo en-tre el haz y la superficie, la imagen tiene puntos brillantes y puntos oscuros. El poder de resolución de este microscopio es de 10 nm.
La siguiente figura pone de relieve las similitudes del diseño general de los tres mi-croscopios. Los dos tipos de microscopio electrónico requieren que la muestra sea co-locada en el vacío.
Fig. 3: Rasgos principales de un microscopio óptico, un microscopio electrónico de transmisión y un microscopio electrónico de barrido
1. Mediante un cuadro compare determinados categóricos de los microscopios óp-tico, electrónico de transmisión y electrónico de barrido: fuente de iluminación, prepa-ración de la muestra, poder de resolución, etc.
2. Establezca diferencia entre los siguientes términos: a) Poder de resolución/ límite de resolución
b) Portaobjeto/ objetivos
3. ¿Cómo se calcula el aumento final de un microscopio?
4. Haga una clasificación de las lentes que conforman el sistema de lentes mencio-nando la función de cada uno.
5. Decida cuáles preparados corresponden a observaciones con microscopio óp-tico y cuáles corresponden a observaciones en microscopio electrónico. Fundamente la decisión
a) Tejido adiposo
b) Célula de hígado de rata
c) Tendón
d) Granos de polen
Bibliografía básica
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Bibliografía
Bibliografía complementaria
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como individuo. Conceptos básicos
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2. Características de las células
2.1. Vida. Características de los seres vivos
La Biología es una ciencia que tiene por objeto el estudio de los seres vivos. ¿Cuáles son las características de un ser vivo? Estos son altamente organizados, están formados por diferentes átomos que interactúan para dar lugar a moléculas. Las moléculas interaccionan entre sí y generan propiedades emergentes particulares y específicas que caracterizan de manera distintiva a cada nivel. Actúan como sistemas abiertos ya que se relacionan con el medio a través de intercambios de materia, energía e información. Los dos primeros intercambios permiten la autoconstrucción (crecimiento: aumento de tamaño y masa y desarrollo: la adquisición de habilidades, destrezas o capacidades diferentes) de sus estructuras mientras que el tercero permite su continuidad en el tiempo (reproducción: capacidad de transferir información a los descendientes). Son capaces de captar estímulos físicos o químicos y responder a ellos, regular sus condiciones internas (homeostasis) y mantenerlas en un equilibrio dinámico. Están adaptados para el aprovechamiento óptimo de su entorno.
Las células son el primer nivel de organización de la materia en el cual se manifies-tan y cumplen aquellas características de los seres vivos, presenmanifies-tan dimensiones va-riables entre 1 y 200 micrómetros aproximadamente. Debido a su tamaño, para su ob-servación, se debe utilizar instrumentos tales como los microscopios (Fig. 1)
De las moléculas a las células
Rosa Markariani (teoría y actividades) / Daniela Tóffolo, María Florencia Peretti Bevilacqua, Mariana Casteñeira y Daniela Oreggione (actividades)
Unidades utilizadas en Biología: Sistema Internacional de Unidades (SIU)
2.2. Teoría celular
Fue formulada en 1838 con el aporte de numerosos investigadores –tales como Fig. 1: Niveles de organización de la materia.
Formalmente la teoría postula que: • La materia viva está formada por células.
• Las reacciones químicas de un organismo vivo, incluso los procesos que produ-cen energía y sus reacciones biosintéticas, tienen lugar dentro de las células.
• Las células se originan a partir de otras células.
• Las células contienen la información hereditaria de los organismos de los que for-man parte y esta información se transmite de célula madre a célula hija.
La célula es, por tanto, una unidad morfológica, funcional y de origen de los seres vivos.
Las células aisladas pueden comportarse como un ser vivo, como en las levaduras, amebas y paramecios, o bien asociarse para formar agrupaciones de células y constituir tejidos. Más aún, los tejidos se organizan en órganos y éstos en sistemas de órganos o aparatos y el conjunto de aparatos organizan un organismo complejo como el hombre, un caracol o una medusa, todos ellos pluricelulares y con una alta complejidad
2.2.1. Niveles de organización de la materia
El nivel de complejidad aumenta desde abajo hacia arriba; por ello, las partículas subatómicas constituyen el nivel más bajo.
Niveles de organización de la materia Ecosistema Comunidad Población Organismo o individuo Sistemas de órganos Órganos Tejidos (tisular) Celular Molecular Atómico Partículas subatómicas Supramoléculas Macromoléculas Moléculas
Ejemplos de cada nivel lago - litoral fluvial pastizal
cardumen de sábalo hombre - mosquito - rana
aparato respiratorio - sistema circulatorio piel - riñón - estómago
epitelial - conjuntivo - muscular - nervioso neurona monocito hepatocito espermatozoide virus - membrana - ribosoma - cromatina proteínas - polisacáridos - ácidos nucleicos agua - cloruro de sodio - glucosa aminoácido carbono - hidrógeno - oxígeno nitrógeno protones - electrones - neutrones
2.3. Tipos celulares. Procariota, Eucariota Se pueden identificar dos tipos de células:
• Procariotas: son las más antiguas sobre la tierra, tienen aproximadamente 3.500 millones de años. En promedio miden 1 µm de diámetro y 5 µm de largo y se caracteri-zan por tener el material genético disperso en el citoplasma en una región particular lla-mada nucleoide (ausencia de compartimiento nuclear). No presentan compartimientos internos y su límite externo formado por la membrana plasmática (bicapa fosfolipídica con proteínas y carente de colesterol), por fuera de ella, existe una pared celular de pep-tidoglucanos también llamado peptidoglicano o mureína cuya estructura permite la cla-sificación de Gram (+) y Gram (-). Las primeras (Gram +) presentan una gruesa capa de peptidoglucanos mientras que las segundas Gram – la capa de peptidoglucanos es 20 veces menor y presenta por fuera otra membrana de lipopolisacáridos. En algunas, además, puede existir una cápsula de mucopolisacáridos. (Fig 2) Ejemplo de organis-mos con este tipo de célula lo encontraorganis-mos en las bacterias y en las cianobacterias.
-Fig. 2: Ultra estructura de la célula procariota
Las formas de las células bacterianas pueden ser esféricas, en cuyo caso se llaman cocos, o bien bastones alargados, denominados bacilos, mientras que otras se pre-sentan como tirabuzones (espirilos) o con aspecto de coma (vibriones).
• Eucariotas: son evolutivamente más modernas, tienen aproximadamente unos 1.200 millones de años. Su tamaño varía entre 6 y 200 o más micrómetros. Presentan diversidad de formas y se caracterizan por tener su material genético confinado den-tro de un compartimiento llamado núcleo, el que se encuentra limitado por fuera por un sistema de membranas. Además, poseen otros compartimientos en los que se desa-rrollan diferentes funciones; entre ellos se establece un sistema de transporte interno mediado por vesículas. Este tipo de células es el que constituye organismos como las amebas, los hongos, las plantas y los animales en general. Las células de los hongos y los vegetales comparten la presencia de pared celular que puede ser de celulosa, qui-tina u otro polímero de amino azúcares.
Ambos tipos celulares (Procariota y Eucariota) comparten la presencia de:
2.4. Composición físico-química celular
Para comprender la organización celular resulta indispensable el conocimiento mo-lecular de los componentes orgánicos e inorgánicos presentes en ella.
Los seres vivos están compuestos fundamentalmente por la combinación de áto-mos como: carbono, oxígeno, hidrógeno, nitrógeno, fósforo y azufre. Además, existen otros muy necesarios como calcio, cloro, cobre, cobalto, hierro, magnesio, mangane-so, molibdeno, potasio, sodio, yodo y zinc. Estos elementos son los mismos que exis-ten en la materia inanimada, pero en la viva se diferencian en las proporciones y las combinaciones en que se encuentran.
La membrana plasmática limita la célula y cumple funciones complejas en su vinculación con el medio.
El citoplasma posee una complicada organización estructural; en él se cumplen todas las funciones vitales, actividades metabólicas para su crecimiento y desarrollo.
El material genético contiene la información que permite mantener las características particulares del organismo y se transmite de generación en generación. Contiene el código de toda la información relacionada con la actividad específica de la célula, actividad que tiene un fundamento bioquímico y que se halla estrechamente ligada a la composición físico-química de la misma.
Las células, al igual que todos los seres vivos, cumplen con un ciclo de vida, que puede ser de pocas horas o llevar varios días. Este ciclo consta de una interfase y de una fase de división. En la interfase ocurre una serie de eventos preparatorios para la división. Se mencionan tres subetapas: G1, S y G2. La denominación de G1 y G2 pro-viene del inglés gap (intervalo). Durante G1 la célula cumple con una amplia actividad bioquímica que comprende síntesis de ARN, síntesis de proteínas estructurales y enzi-máticas, lípidos, hidratos de carbonos, intercambios de materia y energía, duplicación de orgánulos y crecimiento de las estructuras celulares en general. En la subetapa S los eventos más relevantes ocurren en el compartimiento nuclear con la replicación del material genético (ADN) de modo que existan dos copias del mismo. En G2 comienzan a organizarse las estructuras necesarias para la formación de las células hijas, es decir, para el comienzo de la división del material genético y los elementos citoplasmáticos.
La etapa de división implica la separación de la información genética (cariocinesis) con la consiguiente formación de dos núcleos y posterior separación del citoplasma (citocinesis), con lo cual las células hijas tienen independencia y comienzan nueva-mente una interfase.
2.5. Características de la célula eucariotas 2.5.1. Límite celular
Estructura, composición y propiedades de las membranas plasmáticas
En las células eucariotas de los animales, el límite celular comprende dos entida-des morfológicamente distintas y funcionalmente asociadas. Éstas son: la membrana plasmática o plasmalema más interna y el glucocáliz o cubierta celular con disposición
formar los ác. nucleicos - transporte de energía señalizadora - coenzima
regulación - estructural - movimiento - catálisis transporte - señales - identidad - hormonas
2.5.1.1. Membrana plasmática
Es un componente que limita y separa el medio interno (intracelular) del externo (ex-tracelular). Es una bicapa lipídica (fosfolípidos y colesterol) con proteínas. No es visible al microscopio óptico ya que su espesor aproximado es de 7 nm. El microscopio elec-trónico de transmisión (MET) posibilita su detección ultraestructural debido a que su poder resolutivo está en el orden de 0,4 nm.
Empleando la técnica de criofractura se pueden obtener imágenes tridimensionales semejantes a las obtenidas por microscopía electrónica de barrido (MEB). La primera de las técnicas nombradas se basa en el congelamiento rápido del espécimen en ni-trógeno líquido y su posterior fractura mediante el corte. El plano de fractura o clivaje se produce siguiendo la línea de contacto entre las dos capas lipídicas. Tal plano divi-de a la membrana en dos bloques: uno exoplasmático (E) y otro protoplasmático (P). Al visualizar la cara externa del bloque P mediante MEB se observa que sobresale una apariencia granulada, en tanto que al observar la cara interna del bloque E se destaca la presencia de fositas.
Para la organización de las membranas –tratando de compatibilizar toda la informa-ción morfológica, química y fisiológica– se plantea: el Modelo de Singer y Nicholson, que concibe a la membrana como una bicapa lipídica en la que se intercalan unidades proteicas a intervalos variables para formar un mosaico con la capa de lípidos. A este modelo se lo conoce como Modelo de mosaico fluido y está vigente desde los años 70 (Fig. 6). La caracterización de mosaico hace referencia al alto ensamble de molécu-las (concepto estático) y el de fluido a que tanto molécu-las proteínas como los lípidos pueden desplazarse dentro de la membrana (concepto dinámico). Esta movilidad, principal-mente la lateral, de las proteínas está condicionada por la bicapa fosfolipídica que es fluida a la temperatura del cuerpo.
La bicapa lipídica es asimétrica ya que las moléculas de la hemicapa externa son neu-tras y en la hemicapa interna alternan fosfolípidos cargados negativamente y colesterol.
Los fosfolípidos están polarizados y tienen grupos hidrofílicos en los extremos – orientados hacia los medios extra e intracelular– ricos en agua y grupos hidrofóbicos enfrentados en el centro de la bicapa.
Las proteínas son de dos tipos: según su ubicación y los medios de extracción. Las del primer tipo están incrustadas, total o parcialmente, en el espesor de la bicapa, o uni-das fuertemente a la misma y son llamauni-das proteínas integrales o intrínsecas. Son abun-dantes y requieren métodos drásticos para su separación (uso de detergentes). Son anfipáticas ya que revelan un doble comportamiento por sus regiones hidrofílicas e hi-drofóbicas. Las de segundo tipo son llamadas extrinsecas o periféricas que se disponen adosadas a la bicapa, unidas por interacciones débiles lo que permite la utilización de métodos más sencillos para su extracción (soluciones salinas).
asime-El modelo de mosaico fluido permite comprender que los lípidos son los responsa-bles de la formación de una barrera continua entre los compartimentos extra e intrace-lular y colaboran con el mantenimiento de la individualidad ceintrace-lular, mientras que en las proteínas residen las funciones específicas de la membrana, entendiendo por ellas el transporte, recepción de información, función enzimática e inmunológica.
2.5.1.2. Glucocáliz o cubierta celular
Es un revestimiento continuo, de renovación constante, ubicado del lado extracelu-lar de la membrana plasmática en la mayoría de las células eucariotas animales.
En su composición química participan fundamentalmente glucoproteínas y glucolí-pidos (glicolíglucolí-pidos). Estos compuestos se forman por la asociación de oligosacáridos a proteínas y fosfolípidos de la hemicapa externa de la membrana.
El glucocáliz es un producto de secreción de la propia célula; su espesor es de 10 a 20 nm y puede visualizarse al microscopio óptico utilizando coloraciones especiales.
Al MET, y resaltado con nitrato de lantano se presenta formado por finos filamentos llamados anténulas microvellosas de disposición perpendicular a la superficie de la membrana.
Sus funciones son:
• Filtración o regulación del paso de moléculas de acuerdo con su tamaño. • Protección mecánica.
• Adhesión celular.
• Creación de microambientes favorables para la función celular. • Función enzimática predominantemente digestiva.
• Función inmunológica.
La cubierta celular participa en el reconocimiento molecular e intercelular y, en con-diciones normales, permite la distinción entre células propias y células extrañas. Los antígenos A y B de los grupos sanguíneos y los antígenos de histocompatibilidad –cla-ve para los transplantes de órganos– son ejemplos de la función inmunológica. El áci-do siálico o N acetilneuramínico colocaáci-do en el extremo libre de los oligosacáriáci-dos de las glucoproteínas tendría particular significado en esta función.
2.6. Transporte transmembranoso y en masa. Tipos y características generales En los seres vivos hay dos mecanismos involucrados en el movimiento del agua y solutos: el flujo global y la difusión. El primero mueve agua y solutos de una parte a otra de un organismo pluricelular. Las moléculas se mueven juntas en la misma dirección. El segundo mecanismo mueve moléculas e iones hacia dentro, hacia fuera o a través de la célula. Cada molécula o ión se mueve independientemente de los otros, estos mo-vimientos son al azar y como resultado se observa una tendencia a la distribución uni-forme de las moléculas. La difusión es eficiente sólo cuando las distancias son cortas. Desempeña un papel importante en el transporte de sustancias al interior y exterior de los organismos multicelulares como entre los compartimientos dentro del organismo.
Los mecanismos de difusión se pueden clasificar en base a diferentes parámetros. Se consideran mecanismos activos o pasivos según si el elemento a transportar se mueve en contra o a favor de su gradiente de concentración con el consiguiente re-querimiento o no de energía celular (ATP), el uso de mediadores proteicos o no, y si la membrana experimenta cambios o no en su estructura.
2.6.1. Transporte transmembranoso
a) Difusión simple: en ella el pasaje se produce a través de aberturas momentáneas resultantes de la movilidad de las moléculas de lípidos. Realizan este tipo de transpor-te moléculas pequeñas, no polares y solubles en lípidos, como por ejemplo el oxígeno, el dióxido de carbono y el monóxido de carbono. Las moléculas se movilizan a favor
Ósmosis: es un caso particular de difusión que realiza el agua a través de una mem-brana selectivamente permeable; da como resultado el paso de agua de una solución con mayor potencial hídrico a una que tenga un menor potencial hídrico.
b) Difusiones mediadas por proteínas: son realizadas por el agua, moléculas hidro-fílicas y cargadas o polares. Se pueden distinguir dos tipos de proteínas transportado-ras: las proteínas formadoras de canales y las transportadoras o carriers.
Las primeras forman poros hidrofílicos que atraviesan la membrana permitiendo el pasaje de iones a favor de su gradiente electroquímico; no consumen ATP y no se unen al soluto pero son específicas para él. También se puede mencionar a las acua-porinas que explican la permeabilidad del agua mostrada por ejemplo las membranas del glóbulo rojo y las células del túbulo renal. Hay varios tipos de ellas descriptas para diversas células animales y vegetales
Los carriers son sumamente selectivos; se unen al soluto e interactúan con él. Pue-den transportar solutos:
A favor de los gradientes de concentración, entonces decimos que el transporte co-rresponde a una Difusión Facilitada pasiva. Este mecanismo privilegia el paso de de-terminados azúcares y aminoácidos.
En contra de los gradientes electroquímicos, requiere siempre el gasto de energía (ATP), y se lo denomina Difusión Facilitada Activa o simplemente transporte activo o bombas. Este mecanismo involucra el paso de iones (sodio, potasio, calcio, hidrógeno, cloro), como también de glucosa y algunos aminoácidos que hacen cotransporte activo con el sodio.
El mecanismo de bomba mantiene la polarización de la membrana (con predomi-nio de sodio extracelular y de potasio intracelular) y explica por qué, si bien el sodio in-gresa a la célula por las proteínas canal y el potasio sale por el mismo mecanismo, se mantienen las concentraciones diferenciales señaladas (Fig. 7).
2.6.2. Transporte en masa
Este tipo de transporte es realizado por moléculas de alto peso molecular –macro-moléculas– e implica la formación o fusión de vesículas a la membrana plasmática con su consiguiente modificación. Este mecanismo de transporte consume energía celular (ATP). Podrá ser específico si requiere receptores especiales en áreas particulares de la superficie celular o inespecífico cuando prescinde de ellos.
El transporte en masa: No implica que los solutos hayan atravesado la membra-na, sino que han ingresado al citosol rodeados por un trozo de ella, de manera tal que lo extracelular sigue separado de lo intracelular.
2.6.2.1.Endocitosis
Implica el ingreso de sustancias, líquidas y sólidas, y supone la formación de una in-vaginación de la membrana con participación de los filamentos de actina y de miosina en la proximidad de la misma.
Los tipos de endocitosis son:
Fagocitosis: se trata del ingreso de grandes partículas sólidas (bacterias, restos celu-lares); hay formación de seudópodos (grandes prolongaciones de la membrana que en-vuelve a la partícula). La fagocitosis es realizada por las amebas y en los macrófagos.
Pinocitosis: se trata de líquidos con macromoléculas en suspensión; la membrana se invagina formando una depresión que envuelve a la partícula originando una vesícula.
En ambos casos el contenido de la vesícula va a ser degradado por los lisosomas. Cuando la endocitosis requiere receptores específicos, las vesículas que se forman están recubiertas por una proteína especial llamada clatrina; éstas pasan por el com-partimiento endosomal en el cual se separa la partícula endocitada de su receptor y éste es reciclado hacia la membrana plasmática.
2.6.2.2. Exocitosis
Proceso que implica la fusión de vesículas internas provenientes del Aparato de Golgi con la membrana y la liberación de su contenido al medio extracelular, dinámica corriente en los procesos de secreción y excreción.
2.6.2.3. Transcitosis
tras-2.7. Citoplasma. Componentes subcelulares
El citoplasma celular presenta una organización ultraestructural muy compleja pues-to que la presencia de membranas internas lo divide en numerosas secciones o com-partimientos en los cuales se realizan funciones o actividades particulares que hacen, en su totalidad, a la prosecución de la vida.
A los fines didácticos podemos analizar al citoplasma mediante los siguientes com-ponentes:
Citosol
Orgánulos No membranosos Orgánulos Membranosos
2.7.1. Citosol
Es el verdadero medio interno de la célula; es un coloide constituido por una fase líquida (agua) con compuestos en solución entre los que podemos mencionar sales ionizadas con predominio de potasio y magnesio (cationes) y fosfatos y bicarbona-to (aniones), elemenbicarbona-tos que se relacionan con la presión osmótica, el pH, cofacbicarbona-tores enzimáticos. También es rico en glúcidos, lípidos, proteínas, ácidos nucleicos, que se relacionan con funciones tales como la glucólisis anaeróbica, glucogenogénesis (sín-tesis de glucógeno) y glucogenólisis (degradación de glucógeno), activación de ami-noácidos y procesos de traducción o síntesis proteica, es decir, procesos relacionados con el metabolismo celular o actividades bioquímicas de los seres vivos.
Transita entre los estados de sol-gel y gel-sol.
2.7.2. Orgánulos no membranosos 2.7.2.1. Citoesqueleto
Es un componente del citosol formado por filamentos proteicos de diferente diáme-tro que se disponen tridimensionalmente en el citoplasma. Es muy dinámico y capaz de una rápida reorganización. Sus elementos son:
• Microtúbulos, químicamente compuestos por tubulina, proteína constituida por moléculas de alfa y beta tubulina. Son filamentos cilíndricos huecos de 25 nm de diá-metro y longitud variable que participan en la forma celular, controlan el movimiento de orgánulos, vesículas e inclusiones, e intervienen en los movimientos direccionales no aleatorios de la célula (cilios y flagelos). Forman el huso mitótico e interactúan con la membrana plasmática en el anclaje y movimiento de proteínas y receptores.
• Microfilamentos: también llamados filamentos de actina, son los filamentos más delgados del sistema, su diámetro es de 6 a 7 nm y su proteína constitutiva es la acti-na, la cual en estados filamentosos tiene la propiedad de generar energía contráctil. En las células musculares estriadas se asocian con otros filamentos gruesos de miosina de 15 nm. Cabe señalar que la miosina se encuentra en todos los tipos celulares pero
en el muscular forma estas asociaciones complejas. Estos microfilamentos se asocian a las membranas y participan en el anclaje y movimientos de las proteínas de la mis-ma. Estos movimientos pueden ocurrir en la membrana plasmática (lamelipodios, mi-croespinas, seudópodos, invaginaciones, disco contráctil en el clivaje celular), como en la endocitosis y exocitosis, y movimientos intracitoplasmáticos (ciclosis). Son es-tructuras transitorias o pueden permanecer formadas.
• Filamentos intermedios: son filamentos proteicos químicamente formados por di-ferentes proteínas según la célula en que se encuentren. El grupo de las citoquerati-nas, integrantes de los tonofilamentos de los desmosomas, la vimentina característica de las células mesenquimatosas, la desmina que se encuentra en los discos Z de las células musculares estriadas, la proteína ácida de las fibras gliales y las proteínas que forman los neurofilamentos.
Su función se relaciona con el sostén y la tracción indispensables para mantener la forma celular y la unión entre ellas en la organización de los tejidos (Fig. 8).
2.7.2.2. Centríolos
Este orgánulo no membranoso es exclusivo de las células eucariotas animales. En estas células durante la interfase se encuentran dos centríolos que se disponen per-pendicularmente uno respecto del otro, constituyen un diplosoma, que se ubica en cercanías del núcleo y adyacente al complejo de Golgi.
Con el MET se observa que cada centríolo está formado por nueve tripletes de mi-crotúbulos, dispuestos de manera tal que forman una estructura cilíndrica de 0,3 a 0,5 µm de largo y con un extremo abierto y el otro cerrado por material electrodenso.
En cada triplete al microtúbulo que se orienta hacia el centro del cilindro se denomi-na “A”, el medio “B” y el más externo “C”, y presenta udenomi-na inclidenomi-nación tal que forma un ángulo con la superficie que da al conjunto de los nueve un aspecto similar a las pale-tas de una turbina.
Cada microtúbulo “A” de un triplete se une al microtúbulo “C” del triplete adyacente. Por fuera del diplosoma se encuentra un material electrodenso de composición no del todo conocida, llamado material pericentriolar.
El conjunto del diplosoma y material pericentriolar se denomina centrosoma y consti-tuyen un centro organizador microtubular (COMT), tanto en la interfase como en la mito-sis se encargan de la formación de microtúbulos los que se irradian hacia el citoplasma
Los centríolos, en cercanía de la membrana plasmática, forman los cuerpos basales de estructuras de locomoción como cilias y flagelos. (Fig 4)
2.7.2.3. Ribosomas
Están constituidos por dos subunidades, la mayor tiene un coeficiente de sedimen-tación de 60S y una menor de 40S; en conjunto su coeficiente de sedimensedimen-tación es de 80S. Cada una de las subunidades están formada por complejos RNA ribosómico-pro-teínas. Son muy abundantes. Se los encuentra libres o asociados a membranas parti-cularmente del Retículo endoplasmático rugoso.
Las dos subunidades se acoplan mediante un ARNm (ARN mensajero), solamente para la realización de la síntesis de proteínas por tanto son el sitio físico donde la mis-ma se realiza.
La estructura formada por el ARNm y varios ribosomas asociados, durante la sínte-sis de proteínas, se denomina polisoma o polirribosoma (Fig. 4).
Los ribosomas libres se sintetizan proteínas las proteínas estructurales y enzimá-ticas para el citosol y algunos orgánulos como peroxisomas, núcleo, mitocondrias. Mientras que los adheridos al RER participan en la síntesis de proteínas de secreción, proteínas de membrana y las enzimas lisosomales.
2.7.2.4. Inclusiones
Son cuerpos de presencia variable según el estado funcional de la célula y que re-sultan de su metabolismo. Entre ellos se mencionan gránulos de glucógeno, lípidos y pigmentos.
2.7.3. Orgánulos membranosos
Son componentes subcelulares estables que se encuentran en todos los tipos celu-lares, en algunos muy desarrollados y en otros menos desarrollados. Se caracterizan por estar limitados por membranas, y poseer una estructura, composición química y función definidas. Entre ellos podemos mencionar a:
2.7.3.1. Mitocondrias
Pueden adoptar diferentes formas, desde casi esféricas hasta de cilindros muy alarga-dos; miden aproximadamente 0,5 µm de diámetro y hasta 7 µm de largo; son visibles al microscopio de contraste de fase y al óptico cuando son coloreadas con verde jano B.
Al MET y en corte longitudinal presentan una envoltura formada por dos membranas: una externa y otra interna; entre ellas queda un espacio o cámara externa. La membra-na intermembra-na, plegada formando crestas, limita umembra-na cámara o espacio interno llamado ma-triz mitocondrial.
La membrana externa contiene un 40% de lípidos y es rica en colesterol, libremente permeable a los electrolitos, agua, sacarosa y otras moléculas. Mientras que la mem-brana interna contiene un 20% de lípidos entre ellos cardiolipina y una gran cantidad de proteínas (80%) muchas de las cuales son transportadores específicos, otras tienen ac-tividad enzimática y/o forman parte de la cadena transportadora de electrones o cadena respiratoria. Es impermeable a iones y la glucosa.
La cantidad de crestas por mitocondrias, su forma y dirección, varían en los diferen-tes tipos celulares. Cuanto mayor es la actividad metabólica de la célula mayor será el número de crestas. La mayoría de las células contiene mitocondrias con crestas apla-nadas y transversales, pero aquellas que secretan esteroides presentan crestas tubu-lares y longitudinales.
En la cara interna de las crestas sobresalen partículas esféricas unidas a la mem-brana llamadas partículas elementales o F1, que corresponden a las enzimas fosforila-tivas (ATP sintetasa).
En la matriz mitocondrial, de estructura coloidal, se localizan las enzimas del ci-clo de Krebs, los ribosomas mitocondriales o mitorribosomas, una o más moléculas de ADN circular no asociado a proteínas histónicas, a partir del cual se sintetizan los ARNm, ARNr y ARNt; además, contiene gránulos electrodensos de gran afinidad por el
Las mitocondrias autoreplican su DNA y transcriben sus RNA lo que permite su mul-tiplicación numérica y la síntesis de algunas de sus proteínas, sin embargo otras son importadas desde el citosol ya que su codificación se encuentra en la información nu-clear. No son autosuficiente como para tener vida independiente, se dice entonces que, son orgánulos semiautónomos.
En las mitocondrias se realiza la respiración celular, que consiste en una serie de re-acciones químicas mediante las cuales se libera la energía acumulada en los alimen-tos de manera controlada, para permitir su acumulación bajo la forma de ATP, energía utilizable por los sistemas vivos para la realización de trabajos.
Como nutrientes para obtener energía la célula utiliza a glúcidos, lípidos y proteínas y los utiliza en ese orden. Dentro de los glúcidos la glucosa es la más pronta en ser utilizada.
La liberación de la energía contenida en una molécula de glucosa se lleva a cabo en una serie de pasos mediante los cuales se libera la energía contenida en los enlace C-C de manera controlada
La disponibilidad de moléculas de glucosa en el citosol y la presencia de una ba-tería de enzimas, permite que la glucosa que tiene 6 átomos de carbono sea desdo-blada en 2 moléculas de piruvato que tiene 3 átomos de carbono. Esta serie de reac-ciones químicas se denomina glucólisis o glicólisis, ocurre en el citosol, no requiere consumo de oxígeno, por tanto se considera anaeróbica.
El piruvato, producido por la glucólisis, puede seguir 2 vías, una de ellas, llamada fermentación, transcurre en el mismo citosol y como productos se obtiene, depen-diendo del organismo o tipo de célula, entre otros etanol, ácido láctico, ácido acético. La otra vía, es ingresar a las mitocondrias y cumplir con una decarboxilación (pér-dida de un carbono) y transformarse en radical acetil (2 carbonos). Este se une a una coenzima llamada CoA, formando un compuesto denominado acetil CoA. Este com-puesto ingresa al ciclo de Krebs o de los ácidos tricarboxílicos, que como su nom-bre lo indica es un ciclo, comienza y termina en el mismo compuesto, el oxalacetato (4 carbonos). El iniciador del ciclo acepta al acetil CoA formado y origina un compuesto de 6 carbonos (ácido cítrico). Así siguen una serie de transformaciones químicas que dan como productos dióxido de carbono, ATP, electrones y protones que son rápida-mente tomados por coenzimas transportadoras NAD y FAD, que se reducen a NADH y FADH2. Estas coenzimas reducidas transportan y liberan esos electrones a compo-nentes proteicos de la membrana interna de la envoltura mitocondrial que constituyen la cadena respiratoria. El aceptor final de electrones en esta cadena es el oxígeno, quien recibe a los electrones y se transforma en agua metabólica. El flujo de los elec-trones entre los componentes de esta cadena genera un gradiente de pH entre la ma-triz mitocondrial y el espacio intermembrana. A su vez en la membrana interna de la envoltura mitocondrial existen unos grandes complejos proteicos que presentan dos fracciones: una intramembrana llamada F0 que presenta un canal para el paso de los protones y una fracción F1 (partícula respiratoria) con actividad ATP sintetasa que mira a la matriz mitocondrial. La partícula respiratoria a expensas del gradiente protóni-co, realiza la síntesis de ATP (moneda energética celular)
La serie de reacciones que ocurren en la mitocondria se denomina respiración ce-lular, requiere obligatoriamente la presencia de oxígeno ya que este es el aceptor de electrones en la cadena respiratoria y las reacciones que ocurren en ella, permiten la transformación de la energía contenida en la molécula de glucosa o de cualquier ali-mento, a energía utilizable por un sistema vivo (ATP) Fig 9
Por cada molécula de glucosa en un proceso fermentativo se obtienen 2 ATP que co-rresponden a la glucólisis mientras que respirada en la mitocondria rinde 36 ATP. A ésta producción de ATP deben sumarse los 2 ATP producidos por glucólisis, de esta manera en la oxidación completa de la molécula de glucosa se obtiene un total de 38 ATP
Respiramos para obtener energía que nos permite realizar todas las funciones vitales a los seres vivos
2.7.3.2. Retículo endoplasmático
Sistema membranoso que conjuntamente con la envoltura nuclear y el aparato de Golgi forman el sistema de endomembranas. Es una continuidad de membranas que presenta dos variedades: el retículo endoplasmático liso (REL) y el retículo endoplas-mático rugoso (RER); son continuos uno del otro y están desarrollados en diferente grado según las funciones predominantes en la célula.
El retículo endoplasmático liso (REL) se presenta como una serie de cisternas tu-bulares contorneadas, es polifuncional y entre sus funciones se pueden mencionar la síntesis de fosfolípidos (en todas las células) y hormonas esteroides (células de las glándulas suprarrenales y gónadas), la detoxificación (en hepatocito -células del híga-do-), la descomposición del glucógeno a glucosa (en células del hígado y músculo), ser un compartimiento de reserva de Ca++ (células del músculo).
El retículo endoplasmático rugosos (RER) al igual que el REL, es continuo con la membrana de la envoltura nuclear, se presenta como sáculos aplanados con riboso-mas adheridos. Su función está relacionada con la síntesis de proteínas destinadas a salir de la célula (secreción), o ser incorporadas a las membranas celulares o ser se-gregadas en compartimentos especiales (por ejemplo los lisosomas).
La síntesis de proteínas es realizada por los ribosomas en el citosol celular (como se explicitará más adelante). Consiste en la lectura del mensaje del ARNm (ARN mensa-jero) y el enlace mediante uniones peptídicas de los aminoácidos, unidades mono-méricas de las proteínas, según ordene la información del ARN m. Si el polipéptido que se esta sintetizando, es una proteína integral de membrana, una de secreción o una enzima lisosomal tiene una señal muy cerca del extremo amino terminal. La señal consiste en una secuencia de aminoácidos hidrofóbicos, llamado PEPTIDO SEÑAL, el cual es reconocido por una riboproteína. Como consecuencia de la interacción (Peptido señal – riboproteína) se detiene la síntesis y se direcciona complejo de síntesis (ribo-soma- ARNm – péptido- riboproteína) hacia las membranas del RER, donde existen proteínas receptoras de ribosomas y se forma un poro en la membrana del RER, por el cual se introduce el péptido naciente y se separa la riboproteína lo que permite se reanude la síntesis el polipéptido es introducido a la luz del retículo. (Fig 10)
Las cisternas del retículo posibilitan el transporte de dichas proteínas y ciertas modi-ficaciones –como las primeras glucosidaciones en las glucoproteínas– sin que entren en contacto con otros componentes celulares. La molécula de proteína recién sinteti-zada transita por el RER hasta una zona de transición donde es compactada en una vesícula de transporte cuyo destino es el Aparato de Golgi.
2.7.3.3. Complejo de Golgi o Aparato de Golgi
Al MET el complejo de Golgi se observa formado por sacos discoidales aplanados api-lados en forma laxa y rodeados por túbulos y vesículas. Cada sáculo presenta una cara convexa, orientada hacia el núcleo, conocida como cara cis, proximal, de formación o inmadura que fusiona vesículas, y una cara cóncava o trans, distal o madura que gene-ra vesículas, orientada hacia el polo secretor de la célula. Sus funciones son el procesa-miento de lípidos y proteínas sintetizadas en el retículo endoplasmático y su distribución a otros compartimientos celulares o secreción. Dentro de los procesamientos ocurridos en este organelo podemos mencionar el agregado de azúcares terminales, eliminación de azúcares, fosforilación de azúcares, agregado de ácidos grasos, síntesis de gangliósidos, proteólisis selectiva, y la provisión de membranas a lisosomas y a vesículas de secreción.
El aparato de Golgi mantiene una continuidad funcional con el retículo endoplasmático. Fig. 10: Síntesis proteica asociada a RER
túan conjuntamente para la producción de nuevo material para la membrana celular y de macromoléculas de exportación. (Fig. 11)
2.7.3.4. Lisosomas
Son orgánulos membranosos de 0,5 µm de diámetro en cuyo interior se encuentran diferentes enzimas hidrolasas ácidas. Las membranas provienen del complejo de Gol-gi y su contenido enzimático es sintetizado en el RER. Estas enzimas están implicadas en la degradación de proteínas, polisacáridos, ácidos nucleicos y lípidos, por lo tanto su función es la digestión. Las enzimas necesitan un pH ácido de 5 para activarse y no ata-can sus membranas debido a la alta glucosidación de las proteínas que la conforman.
De acuerdo con su estado funcional se denominan:
• Primarios: son los recién formados desde el aparato de Golgi y sus enzimas no están activas.
• Secundarios: son aquellos en los cuales se encuentran el sustrato a degradar, proveniente de un fagosoma o vesícula fagocítica, pinocítica o autofágica, con el con-tenido enzimático del lisosoma primario; alcanzan el pH óptimo, por lo tanto, están en plena degradación.
• Terciarios o cuerpo residual: son las sustancias no digeridas que permanecen un tiempo variable dentro de la célula.
2.7.3.5. Peroxisomas
Son orgánulos membranosos, esféricos, de 0,5 µm de diámetro que contienen en-zimas oxidativas. Estas enen-zimas remueven el hidrógeno de numerosas moléculas or-gánicas (purinas, aminoácidos) y lo combinan con el oxígeno para formar peróxido de hidrógeno (H2O2), compuesto extremadamente tóxico para las células vivas. Su acu-mulación en forma de radicales libres es una causa de envejecimiento celular. Otra de las enzimas, la catalasa, escinde el peróxido en agua y oxígeno.
También realizan la degradación de los ácidos grasos de cadenas largas, proceso denominado β-oxidación.
Son productores de energía calórica, a diferencia de las oxidaciones mitocondriales que producen energía química utilizable por los sistemas vivos (ATP).
Las enzimas de los peroxisomas se sintetizan en ribosomas libres y la unidad de membrana se integra con lípidos cedidos por el REL y proteínas de ribosomas libres.
2.7.3.6. Vesículas con cubierta
Son vesículas que se forman a partir de la membrana plasmática para el ingreso por endocitosis mediadas por receptores, es decir se forman cuando se realizan endoci-tosis específicas. En el lado citosólico de la membrana, en regiones donde se encuen-tran los receptores específicos, se encuentra una proteína periférica llamada clatrina. Al MEB estas regiones se observan deprimidas y se las denomina fositas o depresio-nes recubiertas.
La clatrina conjuntamente con los filamentos de actina posibilitan la formación de una vesícula con cubierta y su posterior internalización en el citosol.
Las vesículas que se forman a partir de estas depresiones llevan al receptor con su ligando específico. A medida que la vesícula avanza en el citosol su cubierta de clatri-na se desarma.
Las vesículas endocíticas pueden seguir dos caminos diferentes:
• Ser transportadas hacia otra región de la membrana plasmática descargando su contenido nuevamente al exterior; este mecanismo se conoce como transcitosis y permi-te el transporpermi-te de macromoléculas desde un espacio extracelular a otro, ej.: secreción de anticuerpos desde la sangre hacia el fluido de la leche materna en los mamíferos.
• Unirse a un lisosoma de dos maneras:
a) Fusionarse con un lisosoma y que se produzca la degradación tanto del ligando como de los receptores.
b) Que el pH disminuya en el interior de la vesícula y se separe el ligando del receptor, formándose dos vesículas una lleva el receptor y es reciclada hacia la membrana plas-mática y la otra lleva el ligando y se fusiona con un lisosoma 1º para su degradación. El compartimiento en el cual se produce esta separación se conoce como Endosoma.
