6 TÉCNICAS DE ESTUDIO DE LA CÉLULA. LA MEMBRANA CELULAR

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TÉCNICAS DE ESTUDIO DE LA CÉLULA. LA MEMBRANA CELULAR

Introducción

E

n esta unidad didáctica se estudian las propiedades de la membrana, una estructura común a todas las células y esencial para su actividad.

La membrana celular posee una estructura unitaria y unos componentes comunes (lípidos y proteínas), cuya proporción relativa varía ligeramente entre las células en función de factores ambientales y está en relación con el grado de fluidez de las membranas. Aunque se han propuesto diversas teorías sobre la disposición de los lípidos y las proteínas en las membranas biológicas, se acepta en la actualidad el modelo del mosaico fluido de Singer y Nicholson, que contempla la membrana como una estructura dinámica. Además de proteger la integridad de la célula y aislarla del medio externo, la membrana cumple también otras funciones relevantes, entre las que destacan la regulación del intercambio y transporte de sustancias, la recepción de señales, la presencia de moléculas con propiedades antigénicas y los procesos de endocitosis y exocitosis. A partir de esta caracterización se analiza en detalle el transporte de moléculas a través de la membrana, haciendo hincapié en la importancia de las proteínas transportadoras y en su requerimiento energético, así como en los dos tipos de procesos de transporte de sustancias esenciales para el metabolismo celular: el transporte pasivo y el transporte activo. Concluye la unidad con una breve revisión de diversos tipos de diferenciaciones de la membrana en algunas células animales. Los contenidos que se desarrollan en esta unidad guardan una estrecha relación con los conceptos aprendidos en las unidades dedicadas a la base físico-química de la vida, así como con las funciones y el metabolismo celular que se estudiarán en unidades posteriores.

Objetivos ❚ Conocer la teoría celular y la importancia de la célula como unidad funcional en los seres vivos. ❚ Comprender la utilidad de los métodos de microscopía óptica y electrónica, así como el desarrollo de cultivos celulares y autorradiografía y difracción de rayos X para el estudio de la célula y sus componentes. ❚ Entender el significado de «unidad estructural de membrana» en las células. ❚ Identificar los componentes de la membrana plasmática de la célula. ❚ Conocer las funciones de la membrana plasmática y su relevancia para la viabilidad celular. ❚ Distinguir los mecanismos de transporte de moléculas a través de la célula. ❚ Explicar la importancia de los procesos de endocitosis y exocitosis en el intercambio de partículas con el medio externo. ❚ Identificar distintas diferenciaciones de la membrana celular.

Temporalización El tiempo previsto para desarrollar esta unidad, teniendo en cuenta las modificaciones y peculiaridades de cada grupo concreto de alumnos, podría establecerse en unas seis sesiones, cinco para el desarrollo de contenidos y la realización de actividades y una para prácticas de laboratorio.

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Técnicas de estudio de la célula. La membrana celular

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PROGRAMACIÓN DIDÁCTICA DE LA UNIDAD Contenidos

Criterios de evaluación

Estándares de aprendizaje

Relación de actividades del LA*

Competencias clave

La célula como unidad funcional

1. Conocer la importancia de la célula como unidad funcional en los seres vivos.

1.1. Conoce la teoría celular y la teoría de la endosimbiosis.

Métodos de investigación en biología celular ❚ Microscopía óptica ❚ Microscopía electrónica ❚ Fraccionamiento celular ❚ Técnicas de cultivo. Cultivos celulares ❚ Otras técnicas

2. Distinguir los tipos de microscopios ópticos y sus aplicaciones.

2.1 Reconoce y diferencia la microscopía óptica 2, 3, 4, 5 de campo claro, contraste de fases, campo oscuro, AF 6, 7, 12 interferencia diferencial y fluorescencia y sus aplicaciones.

CCL CMCCT CSIEE CAA

3. Conocer la microscopía electrónica y sus aplicaciones a los estudios de biología celular.

3.1 Reconoce y diferencia el microscopio electrónico de transmisión y de barrido y sus aplicaciones.

6 AF 6, 9, 10, 12

CCL CMCCT CSIEE CAA

4. Diferenciar la ultraestructura de las células procariotas y eucariotas.

4.1. Conoce las diferencias estructurales entre células procariotas y eucariotas.

AF 8

CCL CCA

5. Conocer las aplicaciones de las técnicas de criofractura, difracción de rayos X y autorradiografía.

5.1. Asocia las técnicas de criofractura, difracción 7, 8, 9, 10 de rayos X y autorradiografía con sus aplicaciones. AF 8, 11

1 AF 1, 2, 3, 4, 5, 6

CCL CAA

CCL CMCCT CSIEE CAA

La membrana plasmática 6. Conocer el concepto de unidad de 6.1. Reconoce la estructura trilaminar de la como unidad funcional membrana. membrana común a todos los organismos celulares.

11 AF 16

CCL CAA

Composición de la membrana plasmática ❚ Lípidos de membrana ❚ Proteínas de membrana

7. Comprender la composición lipídica de la membrana.

7.1. Relaciona fosfolípidos, glucolípidos y esteroles con la composición de la membrana.

12,13, 14 AF 15, 17, 18, 19, 22

CCL CAA

8. Determinar la naturaleza de las proteínas de la membrana.

8.1. Distingue proteínas integrales y periféricas, así como su relación con la asimetría de la membrana.

15, 16 AF 20, 21

CCL CAA

Modelos de membrana

9. Analizar los modelos de membrana.

9.1. Compara los modelos de membrana y explica 17, 18 el modelo del mosaico fluido. AF 23

CCL CSIEE CAA

Funciones de la membrana celular

10. Identificar las funciones de la membrana celular.

10.1. Conoce la importancia de la membrana y sus funciones.

19 AF 16

CCL CSIEE CAA

Transporte de moléculas a través de las membranas ❚ Transporte pasivo ❚ Transporte activo

11. Comprender qué moléculas pueden atravesar libremente la membrana y cuales tienen que utilizar proteínas específicas.

11.1. Define la difusión simple y facilitada y distingue uniporte y cotransporte de moléculas a través de la membrana.

20 AF 24

CCL CSIEE CAA

12. Estudiar el transporte activo directo e indirecto.

12.1. Conoce las características del transporte activo acoplado a ATPasas o a simporte o antiporte de moléculas.

21, 22, 23 AF 24, 26, 27

CCL CSIEE CAA

Endocitosis y exocitosis ❚ Proceso de endocitosis ❚ Proceso de exocitosis

13. Comprender el proceso de endocitosis y su función.

13.1. Describe le endocitosis simple o mediada por receptor y los tipos de endocitosis (pinocitosis y fagocitosis).

24, 25

CCL CAA

14. Definir el proceso de exocitosis, sus tipos y funciones.

14.1. Conoce el papel de la exocitosis en la célula y distingue la exocitosis constitutiva y regulada.

26, 27 AF 25

CCL CAA

15. Conocer la existencia de microvellosidades, estereocilios y las invaginaciones membranales.

15.1. Describe las microvellosidades, los estereocilios y las invaginaciones.

29

CCL CAA

16. Definir la uniones intercelulares, de adherencia, impermeables y comunicantes.

16.1. Diferencia los tipos de uniones laterales intercelulares.

28

CCL CAA

Diferenciaciones de la membrana ❚ Microvellosidades ❚ Estereocilios ❚ Invaginaciones ❚ Uniones intercelulares

*Libro del alumno (LA), actividades finales (AF); comunicación lingüística (CCL); competencia matemática y competencias básicas en ciencia y tecnología (CMCCT); competencia digital (CD); aprender a aprender (CAA); competencias sociales y cívicas (CSC); sentido de iniciativa y espíritu emprendedor (CSIEE); conciencia y expresiones culturales (CCEC).

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PARA EL ALUMNO

MAPA DE CONTENIDOS DE LA UNIDAD

Enlace web: Mejora de la imagen al microscopio Documento: Interpretación de fotografías de microscopía electrónica Documento: Tratamiento de muestras para microscopía electrónica Animación: La membrana plasmática como unidad estructural

Vídeo: Estructura de la membrana plasmática

Enlace web: Membrana celular Documento: Cirrosis hepática. Alteraciones de la membrana plasmática

Documento: Mecanismos de regulación de la fluidez de las membranas

Unidad 6: Técnicas de estudio de la célula. La membrana celular

PARA EL PROFESOR

1. La célula como unidad funcional

2. Métodos de investigación en biología celular 2.1. M icroscopía óptica 2.2. Microscopía electrónica 2.3. Fraccionamiento celular 2.4. Técnicas de cultivo. Cultivos celulares 2.5. Otras técnicas

3. La membrana plasmática como unidad estructural

Presentación

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4. C omposición de la membrana plasmática 4.1. Lípidos de membrana 4.2. Proteínas de membrana

5. M odelos de membrana


Vídeo: Función y estructura de la membrana celular

6. Funciones de la membrana celular

Enlace web: Membrana y sistemas de transporte de las moléculas Documento: Peter D. Mitchel Animación: Transporte de moléculas a través de la membrana

7. Transporte de moléculas 7.1. Transporte pasivo 7.2. Transporte activo

8. Endocitosis y exocitosis 8.1. Proceso de endocitosis 8.2. Proceso de exocitosis

9. Diferenciaciones de la membrana 9.1. Microvellosidades 9.2. Estereocilios 9.3. Invaginaciones 9.4. Uniones intercelulares

Técnicas de trabajo e investigación Cambios de osmolaridad: respuestas en células de tejidos vegetales

Síntesis de la unidad Actividades y tareas

Presentación Pruebas de evaluación

WEBGRAFÍA Proyecto biosfera: Descubrimiento de la célula y la teoría celular Con animaciones, esquemas y contenidos muy bien desarrollados. http://recursostic.educacion.es/ciencias/biosfera/web/alumno/ 2bachillerato/La_celula/contenidos1.htm Membranas celulares Animación sobre la composición y las funciones de la membrana celular. http://www.johnkyrk.com/cellmembrane.esp.html

Universidad de medicina (UNAM). Microscopio electrónico. Atlas de fotos tomadas con microscopio electrónico. http://www.facmed.unam.mx/deptos/biocetis/atlas2013A/micro2/ micro.html

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SUGERENCIAS DIDÁCTICAS Esta unidad se divide en dos bloques de contenidos que estudian, respectivamente, los diferentes métodos empleados para el conocimiento de la célula y la composición, estructura y funciones de la membrana celular. El primer epígrafe incide sobre la célula como unidad funcional de los seres vivos y la importancia de la teoría celular. Se explica la importancia de la teoría de la endosimbiosis en la evolución de las células procariotas y eucariotas. A continuación, se explican las diferentes tecnologías que han permitido el conocimiento de las células y de sus orgánulos. Se comienza con los métodos de observación microscópica, tanto óptica como electrónica. Los microscopios ópticos convencionales de campo claro suelen utilizarse para la observación de células teñidas, mientras que los de contraste de fases, de campo oscuro o el microscopio de interferencia diferencial (Nomarsky) han permitido la observación «en vivo» de células y estructuras celulares con una mayor nitidez. Por último, el desarrollo de la microscopía de fluorescencia ha potenciado la posibilidad de detectar células, orgánulos o estructuras que presentan fluorescencia o que pueden teñirse con colorantes fluorescentes; cabe destacar la utilización de técnicas específicas de inmunodetección que combinan la utilización de anticuerpos. La microscopía electrónica permite una amplificación aún mayor; con el microscopio electrónico de transmisión (MET) se estudian secciones ultrafinas de las células o tejidos, mientras que con el microscopio electrónico de barrido (MEB) se pone de manifiesto la ultraestructura superficial de los mismos, obteniéndose imágenes tridimensionales. La microscopía electrónica ha sido esencial para el estudio de los diferentes tipos de células (procariota y eucariota) y sus componentes. La criofractura es una técnica de microscopía electrónica que ha permitido observar las diferencias a nivel superficial.

La membrana es esencial para la célula, no solo por constituir una barrera selectiva con el medio, sino por estar implicada en otras funciones como el intercambio de señales, la división celular, la adhesión, la producción de gradientes electroquímicos y los procesos de endocitosis y exocitosis. Se presta una especial atención a los sistemas de transporte pasivo o activo a través de las membranas. El primero de ellos se produce por difusión simple o facilitada, mientras que el segundo requiere un gasto de energía y puede ser directo o indirecto. Los procesos de endocitosis y exocitosis permiten la entrada o la salida de partículas en la célula. La endocitosis (pinocitosis o fagocitosis) implica la invaginación de la membrana y la formación de vesículas que están implicadas en la digestión celular o en el tránsito intracelular de sustancias. La exocitosis permite la secreción al exterior de sustancias sintetizadas en la célula, o la excreción de productos de desecho. Este segundo bloque se completa con la descripción de algunos tipos de diferenciaciones de la membrana como las microvellosidades, los estereocilios, las invaginaciones o las uniones intercelulares. Vídeo: ESTRUCTURA DE LA MEMBRANA PLASMÁTICA Vídeo de inicio de unidad para comprender cómo es la estructura de la membrana plasmática. Enlace web: IMÁGENES AL MICROSCOPIO Página en inglés que permite ver imágenes tomadas con diferentes tipos de microscopios junto con una explicación de los mismos.

Documento: INTERPRETACIÓN DE FOTOGRAFÍAS DE MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA

Los componentes y orgánulos celulares pueden separarse utilizando métodos de fraccionamiento celular por centrifugaciones diferenciales sucesivas, lo cual permite estudiar sus propiedades.

Actividad para que los alumnos identifiquen diferentes fotografías y las relacionen con la técnica que se ha empleado para obtenerlas.

Esta sección termina con una introducción a las técnicas de cultivo celular y a las de difracción de rayos X y autorradiografía que posibilitan conocer detalles de la estructura molecular de los componentes celulares.

Documento: TRATAMIENTO DE MUESTRAS PARA MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA

En el siguiente bloque se exponen las características de la membrana celular, que comienza con la unidad estructural de la membrana, la bicapa lipídica con proteínas embebidas, integrales o periféricas, asociadas a la cara externa o interna de la misma. Los lípidos de las membranas son fundamentalmente fosfolípidos, glucolípidos y esteroles en la mayor parte de los organismos. El modelo del mosaico fluido de Singer y Nicholson explica la fluidez de la membrana y la cierta movilidad de las proteínas.

Documento explicativo sobre los diferentes tipos de microscopios electrónicos indicando sus ventajas y limitaciones. Enlace web: MEMBRANA CELULAR Página web con explicaciones y esquemas sobre la complejidad y organización de las membranas celulares.

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Animación: LA MEMBRANA PLASMÁTICA COMO UNIDAD ESTRUCTURAL

Video: FUNCIÓN Y ESTRUCTURA DE LA MEMBRANA CELULAR

Sirve a los estudiantes para comprender cómo se estructura la membrana plasmática.

Vídeo que ofrece una explicación general sobre la membrana celular, su función y el transporte de sustancias.

Documento: CIRROSIS HEPÁTICA. ALTERACIONES DE LA MEMBRANA PLASMÁTICAS

Enlace web: MEMBRANA Y SISTEMAS DE TRANSPORTE DE LAS MOLÉCULAS

Texto sobre cómo la cirrosis hepática altera la producción de colesterol y esto modifica las membranas de los glóbulos rojos.

Esquema animado de la membrana así como los sistemas de transporte de diversas moléculas.

Documento: MECANISMOS DE REGULACIÓN DE LA FLUIDEZ DE LAS MEMBRANAS

Animación: TRANSPORTE DE MOLÉCULAS A TRAVÉS DE LA MEMBRANA

Explicación sobre los factores que afectan a la fluidez de las membranas.

Animación donde se observa cómo se llevan a cabo los diferentes tipos de transporte.

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SOLUCIÓN DE LAS ACTIVIDADES Comprueba lo que sabes 1. ¿Podrías distinguir la estructura interna de una célula con técnicas de microscopía óptica?

Con técnicas de microscopía óptica podrían distinguirse algunos orgánulos celulares, principalmente utilizando técnicas de tinción. Estas técnicas podrían poner de manifiesto el núcleo celular, los apéndices externos, las cápsulas o capas mucosas, o la presencia de cloroplastos o vacuolas de gran tamaño. Además la utilización de técnicas FISH (hibridación con sondas específicas en microscopía de fluorescencia) podría aportar información sobre determinadas estructuras celulares, por ejemplo elementos citoesqueléticos. No obstante los conocimientos acerca de la estructura interna de la célula se deben principalmente a la aplicación de técnicas de microscopía electrónica de transmisión (MET) que permite la observación de todos los elementos y orgánulos que se encuentran en el interior de la célula.

glucoplípidos y esteroles, en los cuales se encuentran embebidas una serie de proteínas que pueden ser integrales o encontrarse asociadas a la cara interna o externa de la membrana. 5. ¿Por qué es necesaria la existencia de proteínas transportadoras en la membrana?

La existencia de proteínas transportadoras en la membrana es necesaria porque hay muchas moléculas polares con carga o moléculas de mayor tamaño que no pueden atravesar directamente la membrana.

Actividades 1 ¿Qué consecuencias tuvo la aceptación de la teoría ce-

lular para la medicina? Razona tu respuesta.

Tras la aceptación de esta teoría, se sucedieron una gran cantidad de nuevos descubrimientos en institutos médicos al reconocerse como células individuales el óvulo y los espermatozoides de los mamíferos y observarse el desarrollo del huevo por división celular, así como la partición del núcleo del óvulo, lo que dio lugar a la aparición de la embriología.

El primer manual de embriología, basado en la teoría celular, apareció en 1861 y fue obra de Koelliker. Sin embargo, fue Virchow quien más contribuyó, en la segunda mitad del siglo xix, a la aplicación de la teoría celular en la patología y práctica médica, al reunir los conocimientos de historia del desarrollo (toda célula proviene de otra célula) y reducir todas las enfermedades a procesos celulares, con lo que estimuló en gran manera su análisis experimental. Los hallazgos de Virchow se complementaron con los de Pasteur y Koch, que demostraron que los microorganismos (células) eran el origen de las enfermedades y que podían transmitirse de unos individuos a otros por contagio.

2. ¿Cuáles son los principales tipos de microscopios ópticos?

Los principales tipos de microscopios ópticos son:

❚ Microscopio de campo claro. En él la muestra se observa directamente, por lo que el contraste de las células con respecto al medio es bajo, se utiliza principalmente para observar las células o tejidos teñidos con diferentes colorantes.

❚ Microscopio de contraste de fases. En él las células se observan más brillantes sobre un fondo oscuro, esto aumenta el contraste y permite la observación de ciertas estructuras celulares.

❚ Microscopio de campo oscuro. En este caso el efecto es semejante al microscopio de contraste de fases, las células aparecen más claras sobre un fondo oscuro y se aumenta el contraste, es muy útil para la observación en vivo.

❚ Microscopio de interferencia diferencial de Nomarsky. En este tipo de microscopía, las células aparecen más contrastadas respecto al medio, en este caso además las estructuras celulares también presentan diferencias de contraste, por lo que parece que las imágenes tienen una cierta «tridimensionalidad».

❚ Microscopio de fluorescencia. En este tipo de microscopía se puede iluminar la muestra con diferentes longitudes de onda, por lo que los pigmentos o colorantes fluorescentes, que tiñen estructuras generales o específicas, pueden visualizarse con gran precisión.

3. ¿Recuerdas los orgánulos característicos de las células animales y vegetales?

Las células eucariotas presentan una serie de orgánulos comunes como el núcleo, las mitocondrias, los peroxisomas, el retículo endoplasmático, el complejo de Golgi, elementos citoesqueléticos, las vacuolas o los ribosomas; otros orgánulos como cilios y flagelos o ciertas inclusiones de reserva son característicos de ciertas células. Las células vegetales presentan también cloroplastos y una vacuola vegetal de gran tamaño.

4. ¿Qué componentes tiene la membrana plasmática?

La membrana plasmática es una bicapa lipídica constituida principalmente por fosfolípidos y en menor proporción por

(páginas 98-119)

2 ¿Serían visibles en un microscopio óptico con un objetivo

de inmersión dos puntos que estuvieran a 2 nm de distancia? ¿Y a 2 µm? ¿Y a 400 nm?

La distancia límite a la que dos objetos pueden verse separados (el límite de resolución en un microscopio óptico) es de 0,2 µm. 1 µm equivale a 103 nm, por tanto no se observarán dos puntos que estén a 2 nm de distancia y sí los que estén a 2 µm o a 400 nm. 3 Si el límite de resolución del ojo humano es de unos

0,23 mm, ¿cuántas veces permite ampliar el microscopio nuestra capacidad de observación?

El microscopio permite aumentar aproximadamente 1 000 veces nuestra capacidad de observación. Con aceite de inmersión se consiguen aumentos de 1 400.

Investiga (página 101) ¿A qué correspondían en realidad las «celdillas» que Robert Hooke observó en el corcho y otros tejidos vegetales? Hooke describió el corcho como una estructura formada por pequeñas celdillas, a las que denominó «células». Si bien este fue un descubrimiento especialmente relevante en la biología celular, las células poliédricas del corcho están vacías en su interior y componen el tejido suberoso.

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4 Recuerda qué es un anticuerpo y cuál es su función na-

tural en el sistema inmune.

Los anticuerpos son proteínas que reconocen de forma específica antígenos extraños. Esta unión se traduce en varios efectos que definen sus funciones: ❚ Efectos directos: constituyen las denominadas reacciones antígeno-anticuerpo o reacciones serológicas, entre las que se distinguen:

– Neutralización. La unión del anticuerpo al antígeno elimina los efectos negativos que este tiene sobre el hospedador. En este caso se incluyen los anticuerpos que actúan como antitoxinas, bloqueando a las exotoxinas producidas por algunos microorganismos y a otros productos tóxicos que pueden haber penetrado en un organismo. También se considera una neutralización la unión de anticuerpos a las zonas de la cápsida o de la envuelta de los virus. – Precipitación. Si el antígeno tiene dos o más sitios de unión a anticuerpos, se forma un agregado de ambos tipos de moléculas. Esto permite que los antígenos solubles precipiten, con lo que es más fácil el ataque de los fagocitos. La precipitación es máxima cuando existen concentraciones iguales de antígeno y de anticuerpo y disminuye cuando son distintas.

❚ Apéndices móviles, como los flagelos, e inmóviles, rígidos y más cortos, como fimbrias o pelos. 6 Recuerda las diferencias básicas entre los fundamentos

del microscopio electrónico y del microscopio óptico. Las diferencias fundamentales entre los dos tipos de microscopio son las siguientes:

❚ Tipos de lentes: lentes de cristal en el microscopio óptico y lentes electromagnéticas en el microscopio electrónico.

❚ Fuente de energía: haz de luz en el microscopio óptico y haces de electrones en el electrónico.

❚ Visualización: en la lente del ocular en el óptico y en una pantalla en el electrónico.

❚ Poder de resolución máximo: 0,2 µm en el óptico, 0,3 nm en el electrónico.

❚ Tipos: de campo claro, de contraste de fases, de campo oscuro, Nomarski, de fluorescencia…en el microscopio óptico; de transmisión y de barrido en el electrónico. 7 ¿Si se somete un tejido vegetal (por ejemplo, parén-

– Aglutinación. Cuando los antígenos forman parte de estructuras, células o partículas, la unión con los anticuerpos origina puentes entre ellas. Como consecuencia se crean agregados, lo que facilita su destrucción.

❚ Efectos indirectos: la unión del anticuerpo al antígeno permite una acción posterior que facilita su eliminación mediante la opsonización (facilita la fagocitosis) y la activación del complemento por la vía clásica (origina mediadores de la inflamación y opsinas). 5 ¿Qué técnica utilizarías para determinar la ultraestruc-

tura del núcleo de una célula? ¿Y para detectar la localización celular de una proteína asociada a la cromatina?

La microscopía electrónica de transmisión pondría de manifiesto la ultraestructura del núcleo de una célula. Se emplearían técnicas de inmunotinción para localizar en la célula una proteína asociada a la cromatina. Para ello se utilizaría un anticuerpo dirigido contra la proteína en cuestión, marcado directamente con un fluorocromo o conjugado con un segundo anticuerpo fluorescente, en inmunofluorescencia indirecta al microscopio óptico de fluorescencia o con una molécula densa a los electrones, como el oro coloidal en microscopía electrónica de transmisión.

comunes para realizar el cultivo de virus animales? Porque de ese modo se evita la inoculación en huéspedes animales o en huevos embrionarios, que ha sido la forma en la que los investigadores han cultivado los virus animales durante muchos años. La superficie de los huevos se desinfectaba y se perforaba la cáscara; los virus se inyectaban en regiones específicas del embrión, puesto que solo así podían reproducirse.

9 Investiga cómo se dedujo la estructura de la doble héli-

¿Cómo se observaría una bacteria en un corte transversal al MET?

❚ Inclusiones de reserva electronclaras de carbono o lipídicas e invaginaciones de la membrana, presentes en ciertas bacterias. ❚ Una zona de aspecto fibrilar, más clara, si el corte se realiza próximo al centro de la célula, que corresponderá al nucleoide, donde se aloja el material genético.

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quima clorofílico) a una centrifugación diferencial, ¿en qué fracción podrían separarse los cloroplastos? Tras la homogeneización del tejido, una primera centrifugación a 1 000 g durante 10 min proporcionaría un pellet enriquecido en núcleos y células sin fragmentar. Un segundo centrifugado a 20 000 g durante 20 min daría lugar a un precipitado de partículas grandes entre las que se encontrarían los cloroplastos. En otras dos centrifugaciones sucesivas, que van aumentando en intensidad y duración, los pellets contendrían fracciones enriquecidas de retículo endoplásmico y otros fragmentos de membrana y, por último, ribosomas libres y macromoléculas grandes.

8 ¿Por qué los cultivos celulares son uno de los métodos más

Investiga (página 103) La imagen que se obtendrá dependerá del nivel de la célula al que se efectúe el corte. En todo caso, siempre se observará una pared celular gruesa por encima de una membrana plasmática, de estructura trilaminar (dos bandas densas separadas por una banda clara). Y, posiblemente, dependiendo del lugar de corte, observaremos:

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ce de ADN. En la década de los años cincuenta se comenzó a investigar la estructura de la molécula del ADN. Habían pasado solo unos pocos años desde que Avery, MacLeod y McCarty publicaran la evidencia de la transformación genética en bacterias, pero el trabajo de Hershey y Chase que confirmaba que el ADN era el material genético aún no había aparecido impreso. Por otra parte, Edwin Chargaff había llevado a cabo análisis químicos del ADN y había demostrado la similitud en las proporciones de bases nitrogenadas presentes en el ADN de los individuos de una misma especie. Francis Crick y James Watson propusieron, en 1953, que el ADN estaba formado por una hélice de doble cadena que no solo satisfacía las propiedades físicas y químicas ya conocidas del ADN, sino que también sugería un mecanismo para la replicación de su estructura. Estos científicos hicieron poca experimentación real con el ADN, analizaron en profundidad los logros de otros investigadores y desarrollaron, ejercitando su astucia e intuición, el modelo que permitiría la comprensión de la estructura de la doble hélice del ADN.

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Para estudiar la estructura de esta macromolécula, Wilkins y Franklin emplearon la difracción de rayos X, una herramienta útil para detectar la presencia regular de elementos estructurales en una sustancia cristalina. El análisis del patrón de difracción obtenido por Franklin permitió descubrir que la molécula era larga y estrecha, con elementos estructurales que se repetían cada 0,34 nm. La molécula parecía tener características de hélice.

12 ¿Por qué los fosfolípidos son moléculas anfipáticas?

Los fosfolípidos son moléculas anfipáticas porque presentan regiones hidrófilas e hidrófobas bien definidas. La zona hidrófila consta de cabezas polares de glicerina (o glicerol en los fosfoglicéridos).

13 Fíjate en la molécula de colesterol y señala las zonas

hidrófila e hidrófoba.

Trabajando con modelos de cartulina de las bases, Watson y Crick elaboraron un modelo molecular de una doble hélice que contenía el esqueleto de azúcar-fosfato hacia el interior y las bases nitrogenadas hacia el exterior. El modelo, sin embargo, no encajaba totalmente con los datos de difracción de rayos X. La siguiente hipótesis consistió en invertir el modelo: obtuvieron así una nueva estructura que contenía las bases en su interior, de forma que pudieran aparearse las complementarias de cada cadena y las cadenas azúcar-fosfato en el exterior de la doble hélice.

10 ¿Qué significa que la vida media del fósforo-32 es de

14 días?

La vida media es el tiempo necesario para que se desintegren un 50 % de los átomos de un isótopo; en el caso del fósforo 32 son 14 días.

11 Describe los lípidos de la membrana plasmática y expli-

ca su disposición en esta estructura.

Los lípidos más abundantes en las membranas biológicas son los fosfolípidos, que presentan una zona hidrófila (cabezas polares de glicerina o glicerol en los fosfoglicéridos) y una zona hidrófoba (colas apolares de ácidos grasos). Los fosfolípidos son, por lo tanto, moléculas anfipáticas (presentan regiones hidrófilas e hidrófobas bien definidas). En la membrana, los fosfolípidos se disponen en dos capas con las zonas hidrófilas (cabezas) hacia el exterior (caras externa e interna), mientras que las zonas hidrófobas (ácidos grasos) quedan enfrentadas hacia el interior. También existen glucolípidos, muy semejantes a los fosfolípidos pero con carbohidratos, que se encuentran en la cara externa de la membrana plasmática, y esteroles (entre ellos el colesterol), que confieren estabilidad a las membranas y se unen mediante enlaces débiles a los fosfolípidos.

14 ¿Con qué finalidad se utilizan los liposomas (vesículas

formadas por una o varias capas de fosfolípidos) en los productos cosméticos y en los medicamentos?

Investiga la razón de esta secuencia experimental.

Como se menciona en el enunciado, los liposomas son pequeñas vesículas de aproximadamente 0,1 µm de diámetro, constituidas por una bicapa lipídica cerrada, esférica y carente de proteínas. Se ha demostrado que mientras se forman los liposomas es posible atrapar en ellos solutos que posteriormente se escapan por difusión a través de la bicapa. Ciertos productos cosméticos o medicamentos pueden mezclarse con los liposomas para que luego estos, que contienen una suspensión de dichos productos, puedan ser administrados a los pacientes por diferentes vías.

15 ¿Pueden ser transmembranales las proteínas periféricas?

Investiga (página 108) Para obtener membranas en laboratorio a partir de células intactas, estas se tratan con soluciones hipotónicas, tras lo cual se someten a una ultracentrifugación.

La molécula de colesterol presenta una zona hidrófila, el grupo hidroxilo (–OH), que se dispone hacia el exterior, y una zona hidrófoba, el resto de la molécula, que interacciona con los ácidos grasos de los lípidos de membrana.

Las proteínas periféricas son proteínas unidas a la membrana por enlaces de tipo iónico y se separan de ella con facilidad. Nunca son transmembranales y aparecen principalmente en la cara interna de la membrana.

16 ¿Por qué los detergentes pueden destruir las membra-

nas?

Para que los componentes celulares de un tejido, en este caso las membranas, puedan ser separados por centrifugación, primero deben homogeneizarse. Una de las opciones para conseguir la ruptura de las células es el choque osmótico: en la mayor parte de las situaciones, la concentración de solutos es mayor en la célula que en el exterior; la mayoría de las células son hipertónicas con relación al medio, lo que significa que el agua tenderá a entrar a través de la membrana plasmática. Si una célula (no rodeada de pared) se transfiere a una solución hipotónica, el agua entra por ósmosis y la célula se hincha hasta romperse. Para aislar las membranas se aplicarán 80 000 g durante 1 h, con lo que se obtendrá un precipitado enriquecido con los fragmentos de las membranas plasmáticas que eran de interés.

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Uno de los componentes estructurales fundamentales de las membranas son los lípidos, que pertenecen esencialmente a tres categorías: fosfolípidos, glucolípidos y esteroles. Los más abundantes son los fosfolípidos, que son lípidos saponificables, es decir, liberan ácidos grasos al ser hidrolizados. La hidrólisis alcalina de un éster recibe el nombre de saponificación. La saponificación la realizan los seres vivos mediante la intervención de unas enzimas llamadas lipasas, y también puede realizarse una saponificación no biológica sin enzimas utilizando detergentes, sustancias sintéticas con carácter anfipático: la larga cadena hidrocarbonada lipófila se asocia con las moléculas de grasa, mientras que la cabeza hidrófila, correspondiente al grupo –COO–, es soluble en agua. De esta forma, los detergentes establecen enlaces entre la grasa y el agua.


17 ¿Qué diferencia fundamental existe entre los modelos

de membrana propuestos por Gorter y Grendel, y Davson y Danielli?

Gorter y Grendel realizaron experimentos empleando membranas de eritrocitos y concluyeron que la membrana plasmática de los eritrocitos no consistía en una monocapa, sino en dos capas de lípidos. Razonaron que sería favorable termodinámicamente que las cadenas hidrocarbonadas no polares estuvieran hacia el interior, fuera del medio acuoso, mientras que los grupos polares hidrofílicos de cada capa estarían dirigidos hacia el exterior, hacia el entorno acuoso. Sin embargo, una bicapa lipídica simple no podría explicar todas las propiedades de la estructura de la membrana, en particular todas aquellas relacionadas con la tensión superficial, permeabilidad a los solutos y resistencia eléctrica. Para tratar de explicarlas, Davson y Danielli imaginaron la presencia de proteínas en las membranas y propusieron, en 1935, que las membranas biológicas consisten en una bicapa lipídica recubierta por ambos lados con finas láminas de proteínas. El modelo original de Davson y Danielli era un «modelo sándwich» de proteína-lípido-proteína.

6

de la solución más diluida (hipotónica o hipoosmótica) hacia la más concentrada (hipertónica o hiperosmótica) a través de la membrana. Cuando el agua pasa a la disolución hipertónica disminuye la diferencia de concentración de los solutos, mientras que la parte hipotónica pierde agua y tiende a tener una mayor concentración. El proceso continúa hasta que ambas disoluciones igualan su concentración, es decir, se hacen isotónicas o isoosmóticas. Se puede considerar como un tipo de transporte pasivo, pues se transporta agua por difusión a través de la membrana para disipar un gradiente de concentración. 20 Explica brevemente en qué consiste el transporte pasi-

vo a través de la membrana y sus principales modalidades.

Consiste en el transporte de sustancias a favor de gradiente, ya sea gradiente de concentración o de carga, y no requiere gasto energético. El transporte pasivo se puede realizar mediante:

❚ Difusión simple: las moléculas atraviesan directamente la membrana (por ejemplo, el oxígeno, el nitrógeno o el dióxido de carbono).

18 ¿Por qué algunas arqueobacterias que viven en condicio-

❚ Difusión facilitada: en este caso, las moléculas de mayor tamaño o los iones pasan a favor de gradiente a través de proteínas transmembranales.

❚ Las proteínas de canal o canales membranosos permiten el paso de las sustancias sin experimentar cambios conformacionales, mientras que las proteínas transportadoras o permeasas experimentan un cambio conformacional a la vez que transportan las moléculas polares (azúcares, aminoácidos, nucleótidos, etc.) o con carga.

❚ La difusión facilitada puede presentar dos modalidades:

nes de muy alta temperatura presentan una elevada proporción de ácidos grasos saturados en sus membranas?

Las membranas funcionan correctamente solo en estado fluido y la fluidez de la membrana depende, principalmente, de las clases de lípidos que contiene. Las propiedades del componente lipídico de una membrana que resultan importantes para determinar su fluidez son dos: la longitud de las cadenas laterales de los ácidos grasos y el número de dobles enlaces presentes. Esto último es debido a los giros que los dobles enlaces introducen en los ácidos grasos y que evitan que las cadenas hidrocarbonadas encajen. A elevadas temperaturas, las bicapas lipídicas de los organismos se harían tan fluidas que ya no funcionarían como una barrera de permeabilidad eficaz. En las arqueobacterias, la elevada proporción de ácidos grasos saturados hace que las membranas sean más estables a temperaturas altas, puesto que se eleva el punto de fusión de sus lípidos. Además, los lípidos de sus membranas encajan estrechamente debido a que las cadenas de ácidos grasos discurren paralelas unas a otras, lo que también hace que disminuya la fluidez de las mismas.

19 En los organismos unicelulares, la membrana es el lími-

te celular. ¿Qué implica esto en relación con la velocidad de respuesta frente a estímulos ambientales?

Los organismos unicelulares presentan una única célula y suelen ser de pequeño tamaño. Una célula con un radio pequeño posee una relación «superficie de membrana / volumen celular» mayor que una grande y, de esta manera, puede llevar a cabo un intercambio de información con el medio en condiciones más ventajosas, lo que se traduce en que, a igualdad de recursos, las células pequeñas manifiestan velocidades de respuesta mayores frente a estímulos ambientales.

Investiga (página 113) ¿En qué consiste la ósmosis? ¿Puede considerarse la ósmosis un tipo de transporte pasivo? Razona tu respuesta. La ósmosis es un proceso físico que tiene lugar cuando una membrana semipermeable separa dos disoluciones con diferente concentración de solutos. Se observa, entonces, el paso de agua des-

97

– Uniporte: si se transporta una sola sustancia. – Cotransporte: si se transportan simultáneamente dos sustancias. Si las sustancias se transportan hacia el mismo lado se habla de simporte, y si lo hacen en sentidos opuestos, de antiporte.

Las proteínas transportadoras presentan una alta especificidad para el transporte de un determinado tipo de compuesto químico. En las proteínas transportadoras, el ligando se une a sitios específicos en el exterior (estado pong) y se produce entonces un cambio conformacional (estado ping) por el cual los lugares donde se ha unido el ligando pasan a estar expuestos al interior de la célula.

Investiga (página 115) ¿Qué relación existe entre el transporte activo Na+/K+ y la transmisión del impulso nervioso? La señalización eléctrica en las células nerviosas depende de variaciones del potencial de membrana debidas a los movimientos de un número reducido de iones a través de los canales de la membrana. El potencial de reposo de la membrana plasmática de la mayoría de las células animales se sitúa habitualmente en el rango de 0 a -75 mV. Estos valores están bastante próximos al potencial de equilibrio para el ion potasio, y muy alejados del potencial de equilibrio para el ion sodio, lo que refleja la mayor permeabilidad de la membrana en reposo para el potasio. Si un determinado estímulo en la neurona es eficaz, provoca una alteración en la permeabilidad de la membrana que permite la entrada masiva de sodio en ese punto e invierte la polaridad, que se hace positiva en el interior y negativa en el exterior (despolarización). Esto se aprecia en una

6


variación del potencial de reposo desde -70 mV hasta aproximadamente +40 mV. Esta variación brusca se denomina potencial de acción. La despolarización perturba eléctricamente las zonas adyacentes al punto donde se aplicó el estímulo y se propaga a lo largo de toda la neurona. Posteriormente, nuevos desplazamientos iónicos hacen que se recupere el estado inicial (repolarización). 21 Partiendo de este dibujo, ilustra el ciclo de transporte

activo realizado por la ATPasa de Na+/ K+. medio extracelular gradientes de Na y K

Na

ATP

– Difusión facilitada. Se efectúa mediante proteínas transportadoras capaces de transportar moléculas polares. Algunas de ellas llevan a cabo su función induciendo cambios de conformación (estados pong y ping).

Investiga (página 116) Busca información sobre los receptores LDL y la endocitosis del colesterol. En 1986, Michael Brown y Joseph Goldstein recibieron el premio Nobel por sus investigaciones, que condujeron a la demostración de la relación existente entre la endocitosis mediada por receptores y la enfermedad denominada hipercolesterolemia familiar (los individuos afectados muestran una predisposición hereditaria a tener niveles altos de colesterol en el suero sanguíneo). Las lipoproteínas de baja densidad (LDL) permiten el transporte de colesterol en la sangre. Una partícula lipoproteica está formada por una monocapa de fosfolípidos con moléculas de colesterol libre embebidas en ella y moléculas de colesterol esterificadas, muy hidrófobas, que tienden a agruparse en su interior. También llevan embebidas en la monocapa lipídica una molécula de una proteína, la apoproteína B100. 24 El proceso de fagocitosis tiene relación con la elimina-

ción de microorganismos patógenos. ¿Sabrías explicar de qué células se trata?

22 En el estómago, los jugos gástricos presentan un pH áci-

Se trata de dos tipos de leucocitos: los macrófagos y los neutrófilos. Ambas células engloban materiales extraños y microorganismos patógenos presentes en la sangre o en tejidos y desempeñan una función de defensa, más que de nutrición.

25 Indica las características diferenciales de los procesos de

pinocitosis y fagocitosis.

do, mientras que las células epiteliales tienen un pH neutro. ¿Hacia dónde tendería a producirse el transporte de protones? ¿Cómo se evita?

Los protones tenderían a transportarse hacia el interior de las células epiteliales; sin embargo, las células epiteliales de la mucosa gástrica secretan protones por un proceso de transporte activo a través de sus membranas, de manera que el jugo gástrico del estómago tiene un pH de 2,0.

❚ Pinocitosis. Es la ingestión de líquidos o pequeñas partículas mediante la formación de vesículas muy pequeñas, solo visibles al microscopio electrónico. Se da en todo tipo de células.

❚ Fagocitosis. Consiste en la ingestión de partículas de gran tamaño, organismos vivos o restos celulares que forman grandes vesículas, visibles incluso al microscopio óptico, denominadas vesículas o vacuolas de fagocitosis (fagosomas).

23 Describe las diferencias entre transporte activo y trans-

porte pasivo.

Investiga (página 118)

Transporte activo:

❚ Se produce en contra de gradientes electroquímicos.

❚ Requiere un gasto energético (gasto de ATP o disipación de gradientes iónicos).

❚ Se consigue mantener diferentes concentraciones intra y extracelulares para determinadas sustancias.

❚ La sustancia transportada se une a la proteína transportadora y es liberada en el interior de la célula sin sufrir modificación química (excepto en el transporte por translocación de grupo característico de las bacterias).

Aún se desconoce el papel concreto que desempeña el calcio en los procesos de exocitosis. Parece que podría ser responsable de la activación de proteínas quinasas, cuyas dianas son componentes de la membrana de la vesícula o de la propia membrana plasmática. Lo que sí se ha comprobado es que se produce una elevación transitoria de la concentración de iones calcio durante la secreción regulada y que ello parece ser esencial en una cascada de señalización.

Transporte pasivo:

26 Establece los procesos de exocitosis que tienen lugar

❚ Se efectúa a favor de gradiente, ya sea gradiente de concentración o gradiente de carga.

❚ No requiere gasto energético.

❚ Puede ser de dos tipos:

Indaga en la relación que existe entre la exocitosis y los niveles intracelulares de calcio.

durante la síntesis de la pared celular vegetal.

– Difusión simple. Las moléculas atraviesan directamente la membrana o bien tiene lugar por medio de proteínas de canal o canales membranosos.

98

La mayoría de los componentes de la matriz de la pared celular se transportan por unas vesículas derivadas del complejo de Golgi hasta la membrana plasmática, donde se segregan por exocitosis. Durante la síntesis de la pared, un grupo de microtúbulos guían a estas vesículas que contienen precursores de la pared, hasta que llegan a la región ecuatorial de la célula en división y se fusionan formando la denominada


placa celular precoz. Las moléculas de polisacáridos precursoras, liberadas por estas vesículas, se ensamblan dentro la placa celular precoz formando pectina, hemicelulosa y otros componentes de la pared primaria. Finalmente, en el interior de la placa celular se depositan microfibrillas de celulosa que completan la nueva pared celular.

29 La membrana plasmática sufre ciertas diferenciaciones

para permitir la asociación y las relaciones entre células de un mismo tejido. Explica, al menos, tres de ellas.

❚ Uniones de adherencia. Unen las membranas de las células, que se mantienen «pegadas» entre sí. Se encuentran, sobre todo, en tejidos que están sometidos a tensiones mecánicas. Un ejemplo son los desmosomas, que se encuentran entre las células de los tejidos epiteliales.

❚ Uniones impermeables. Unen estrechamente entre sí las membranas de las células vecinas por medio de proteínas asociadas a elementos fibrilares, que actúan como una «cremallera de cierre» impidiendo el paso de sustancias. Se encuentran, por ejemplo, entre las células epiteliales del intestino.

❚ Uniones comunicantes o de tipo gap. Unen las membranas adyacentes de las células de forma íntima mediante grupos de canales proteicos, pero permiten el paso de moléculas pequeñas y de impulsos eléctricos. Este tipo de unión interviene en la transmisión del impulso eléctrico entre neuronas.

27 Las células del intestino secretan enzimas digestivas

únicamente en la zona orientada hacia la luz del intestino. ¿Cómo se denomina este tipo de secreción?

Se denomina secreción polarizada.

28 Las uniones de tipo desmosoma son muy abundantes

en las células epiteliales; sin embargo, disminuyen en células cancerosas. ¿Podrías explicar por qué?

Cuando los tumores cancerosos empiezan a metastatizar y extenderse por el organismo, pierden cadherina de sus superficies (glicoproteínas de adhesión muy importantes en los desmosomas). Este hecho parece contribuir a la capacidad de las células cancerosas de desanclarse y migrar a través del cuerpo.

SOLUCIÓN DE LAS ACTIVIDADES TÉCNICAS DE TRABAJO Y EXPERIMENTACIÓN Cuestiones

(página 120)

2 ¿Qué ocurriría si este experimento se realizara con célu-

las animales?

1 En esta experiencia se trabaja con tejidos vegetales,

¿por qué no estallan las células al colocarlas en un medio hipotónico?

6

En las células vegetales, la pared celular constituye una estructura rígida y compleja que evita que estas estallen al ser colocadas en un medio hipotónico como el agua destilada. La pared celular previene la lisis osmótica en medios hipotónicos.

99

Si el experimento se realizara con células animales, al colocarlas en un medio hipotónico las células estallarían debido a la entrada de agua hacia el interior. Las células animales no presentan paredes rígidas, como las vegetales, sino un glicocálix mucho más laxo que no podría evitar la presión osmótica.

6


SOLUCIONES DE ACTIVIDADES Y TAREAS La célula como unidad funcional. Teoría celular

B

(páginas 122-123)

3

5

4

2

1 Indica los principios básicos de la teoría celular.

❚ Todos los seres vivos están formados por una o varias células.

❚ La célula es la unidad anatómica y fisiológica de los seres vivos.

❚ Toda célula proviene de otra célula.

❚ La célula es la unidad más elemental que posee vida independiente.

1

6

2 Con referencia a los componentes y estructuras celula-

res, señala (Sí o No), si se encuentra en el tipo celular indicado. Bacteria

Célula animal

Célula vegetal

A. es una célula eucariota vegetal.

1. Cloroplasto.

Envoltura nuclear

No

Sí

Sí

2. Membrana nuclear

Mitocondria

No

Sí

Sí

3. Pared.

Aparato de Golgi

No

Sí

Sí

4. Vacuola

5. Mitocondria

6. Inclusión.

7. Retículo endoplasmatico

8. Ribosomas

Componente/estructura

Membrana plasmática

Sí

Sí

Sí

Centriolos

No

Si

No

Sistema de endomembranas

No

Sí

Sí

Pared celular

Sí

No

Sí

9. Membrana plasmática

Ribosoma

Sí

Sí

Sí

10. Complejo de Golgi

11. Núcleo

B. es una célula procariota

1. Cápsula.

2. Pared celular

3. Membrana plasmática

4. Ribosomas

5. Flagelos.

6. Fimbrias

3 Nombra cinco orgánulos comunes a las células animales

y a las células vegetales.

7

La membrana plasmática, el retículo endoplásmico y el complejo de Golgi, relacionados con la biosíntesis de moléculas y su distribución, así como con la secreción de sustancias. Las mitocondrias, relacionadas con la obtención de energía. Los ribosomas, cuya función es la síntesis de proteínas. Las vacuolas, que en células vegetales existe una de gran tamaño que sirve de almacén de sustancias y contribuye a la turgencia de la célula; y en algunas células animales existen vacuolas digestivas. 4 En relación con las figuras adjuntas, contesta la siguien-

5 Observa la siguiente ilustración:

te cuestión: ¿Qué tipo de célula se representa en cada figura? Indica los nombres de los orgánulos celulares o las estructuras señaladas por líneas y representados por números y letras.

A

1

7. Nucleoide

44

2

11

55 3 4

22

5 6

11 10

7 9

8

66

3 3

a) ¿Se trata de una célula animal o vegetal? ¿En qué criterios te has basado para responder?

Es un esquema de una célula animal. La ausencia de pared celular, de cloroplastos, de vacuolas voluminosas (que contribuyen,

100


principalmente, al mantenimiento de la presión de turgencia de las células vegetales) y la presencia de lisosomas (orgánulos que contienen enzimas digestivas capaces de degradar la mayoría de las macromoléculas biológicas), son algunos de los criterios que permiten afirmar que el esquema representa una célula animal y no vegetal.

6

d) Localización de una proteína mayoritaria en el núcleo de una célula eucariota.

Inmunodetección en microscopía de fluorescencia. 7 Observa las siguientes fotografías:

b) Indica el nombre y explica las funciones de cada una de las estructuras numeradas del 1 al 6.

1. Membrana plasmática: estructura común a todas las células que, además de separar el citoplasma y sus orgánulos del medio externo, funciona como barrera selectiva, está relacionada con la creación de gradientes electroquímicos y el intercambio de señales, participa en el control y desarrollo de la división celular y en procesos de adhesión, endocitosis y exocitosis.

2. Complejo de Golgi: las funciones biológicas más importantes son la modificación de proteínas sintetizadas en el RER y el transporte y secreción de proteínas y lípidos; también interviene en la síntesis de los lisosomas.

3. Retículo endoplásmico rugoso: funciones del RER: en este orgánulo se lleva a cabo la síntesis y/o modificación de proteínas sintetizadas en los ribosomas de la cara externa de su membrana, su almacenamiento y transporte hasta otros orgánulos.

4. Mitocondria: la función de las mitocondrias es obtener energía para la célula. Esta función está compartimentalizada y se realiza, fundamentalmente, en la matriz mitocondrial y en la membrana mitocondrial interna. En la matriz mitocondrial tiene lugar la β-oxidación de los ácidos grasos y la descarboxilación oxidativa del ácido pirúvico procedente de la glucólisis (que se lleva a cabo en el citosol) y el TCA. En la membrana mitocondrial interna se realizan el transporte de electrones a través de la cadena respiratoria hasta el oxígeno y la síntesis de ATP por fosforilación oxidativa. El NADH + H+ y el FADH2 originados en la matriz son los donadores de electrones a la cadena transportadora.

a) ¿Podrías decir de qué tipo de microscopía se trata?

En ambos caso se trata de microscopía electrónica de transmisión.

b) ¿Qué se observa en ellas?

En la primera microfotografía se observan partículas víricas de un bacteriófago complejo compuesto por una cabeza icosaédrica y una cola helicoidal; en la segunda se observan vesículas de exocitosis relacionadas con la secreción celular.

5. Núcleo: permite la compartimentación del material genético (ADN), así como la síntesis y el procesamiento del ARN antes de su salida al citoplasma, donde se producirá la síntesis proteica. Además, interviene activamente en el desarrollo y división de la célula y regula todos los procesos relativos a su organización, diferenciación y «especialización».

6. Nucléolo: la función principal del nucléolo es la síntesis y ensamblaje de las subunidades ribosómicas.

8 ¿Qué técnica de observación utilizarías para demostrar

que la distribución de las proteínas es asimétrica en ambas caras de la membrana?

Se emplearía el procedimiento de la criofractura, que consiste en la congelación de la muestra y posterior fraccionamiento de las superficies que ofrecen menor resistencia mediante el golpeo con una cuchilla. A continuación, se sombrea con un metal y se cubre con una fina capa de carbono para obtener una réplica, que es la que se observa al microscopio, ya que la muestra original se elimina por disolución. Con esta técnica se observan detalles en relieve de distintas superficies. 9 Interpreta la siguiente fotografía. ¿De qué tipo de mi-

Métodos de investigación en biología celular

croscopía se trata?

6 Indica qué tipo de técnica microscópica utilizarías en los

siguientes casos.

a) Visualización del complejo de Golgi en una célula secretora.

Microscopía electrónica de transmisión.

b) Localización de la distribución de los cilios en Paramecium sp. (Ciliado).

Microscopía óptica de fluorescencia (inmunodetección) o microscopía óptica de barrido.

c) Demostración de las diferencias entre la cara externa e interna de la membrana plasmática.

Criofractura.

101

Son secciones transversales de axonemas ciliares (en verde). Se observan nueve pares de microtúbulos dispuestos alrededor de un par de microtúbulos centrales, todo ello rodea-

6


do de digitaciones celulares delimitadas por la membrana plasmática. También se pueden ver, en ocasiones, los brazos de dineína, proteína asociada a los microtúbulos. En rosa se observan vesículas de endocitosis.

❚ División celular. Está implicada en el control y desarrollo de la división celular o citocinesis.

❚ Adhesión. La membrana presenta proteínas que facilitan la unión y comunicación entre células adyacentes en organismos pluricelulares.

❚ Endocitosis y exocitosis. La membrana está relacionada con la captación de partículas (endocitosis) y con la secreción de sustancias al exterior (exocitosis).

10 La observación de los caparazones de diatomeas que se

muestran en la figura se ha realizado utilizando técnicas de microscopía electrónica. ¿De qué tipo?

14 Observa la siguiente fotografía. ¿Qué orgánulos reco-

noces? Cita dos funciones de cada uno. ¿De qué tipo de microscopía se trata?

Microscopía electrónica de barrido, con ella se pueden observar los caparazones silíceos de las diatomeas y las ornamentaciones características de las mismas, caracteres que se utilizan para la identificación de géneros y especies.

11 ¿Cómo podrías aislar ribosomas para su estudio a partir

de un cultivo celular?

Se trata de orgánulos con una densidad muy baja, uno de los orgánulos celulares de menor tamaño (miden unos 30 nm en eucariotas y unos 25 nm en procariotas) y presentan unos coeficientes de sedimentación muy pequeños (80 S en eucariotas, 70 S en procariotas). Se podrían extraer por fraccionamiento celular, es decir, mediante ruptura controlada de las células y posterior centrifugación diferencial Los ribosomas se aislarían en las últimas etapas del fraccionamiento.

12 ¿Cómo podrías detectar la presencia de actina en una

Composición de la membrana plasmática 15 Los lípidos son componentes esenciales de las membra-

nas celulares.

a) Indica dos lípidos que se encuentren en ellas.

Los fosfolípidos que se disponen en dos capas con las zonas hidrófilas (cabezas) hacia el exterior (caras externa e interna), mientras que las zonas hidrófobas (ácidos grasos) quedan enfrentadas hacia el interior y los glucolípidos, muy semejantes a los fosfolípidos, pero con carbohidratos, estos últimos se encuentran asociados a la cara externa de la membrana plasmática.

b) Indica cuál es la polaridad de estas moléculas y explica su repercusión en la formación de las membranas.

Los lípidos son moléculas anfipáticas, presentan una zona hidrófila (cabezas polares de glicerina o glicerol en los fosfoglicéridos) y una zona hidrófoba (colas apolares de ácidos grasos).

c) Los lípidos de membrana pueden asociarse a otras biomoléculas. Indica a cuáles y señala su localización en la membrana.

Con glúcidos (glucolípidos) como los cerebrósidos y los gangliósidos que son comunes en las membranas celulares de las neuronas, con proteínas (lipoproteínas).

célula?

Se podría detectar mediante inmunodetección, con anticuerpos específicos dirigidos contra esta proteína y conjugados con moléculas fluorescentes, utilizando microscopía de fluorescencia. También podrían aplicarse las técnicas de inmunodetección en microscopía electrónica de transmisión.

13 ¿Qué función desempeña la membrana plasmática?

Cita sus componentes estructurales.

La membrana plasmática es una estructura común a todas las células que, además de separar el citoplasma y sus orgánulos del medio externo, desempeña otras funciones esenciales:

❚ Barrera selectiva. Regula el transporte y el intercambio de sustancias entre el citoplasma y el exterior de un modo selectivo. Se trata de una membrana semipermeable que, debido al carácter hidrófobo de su interior, no permite el paso de moléculas hidrófilas e iones.

❚ Producción y control de gradientes electroquímicos. En la membrana se sitúan las proteínas y cadenas de transporte que regulan el intercambio de sustancias. ❚ Intercambio de señales. Detecta y transmite señales con el medio externo o con otras células.

Microfotografía electrónica, donde puede observarse el retículo endoplásmico rugoso y una mitocondria. Respecto al RER, se pueden apreciar los ribosomas unidos a la cara citosólica de su membrana. En la mitocondria, estructura ovalada (en rosa), se observan las membranas externa e interna, las crestas (invaginaciones de la membrana interna) y la matriz (interior de la mitocondria).

16 Describe los componentes de la membrana y realiza un

dibujo ilustrativo.

102

La membrana de la célula está compuesta por una bicapa lipídica con proteínas embebidas. Sus componentes son lípidos (fosfolípidos y glucolípidos), que constituyen la bicapa, y


proteínas integrales (atraviesan la membrana) o periféricas. Muchas proteínas en la cara externa son glucoproteínas.

22 ¿Por qué los fosfolípidos son moléculas anfipáticas? Ra-

zona la respuesta.

Glucoproteína

Fracciones glucídicas

Glucolípido Cara externa

23 Explica brevemente los distintos modelos propuestos

Región hidrófoba (capa clara)

para la estructura de la membrana.

Cara interna

Proteína transmembranal

Con respecto a la estructura de la membrana plasmática se propusieron tres modelos:

❚ Gorter y Grendel concluyeron que la membrana plasmática no consistía en una monocapa, sino en una bicapa lipídica, con las cadenas hidrocarbonadas no polares hacia el interior, fuera del medio acuoso, y los grupos polares hidrofílicos dirigidos hacia el exterior, hacia el entorno acuoso.

❚ Davson y Danielli propusieron un modelo en sándwich con dos capas de proteínas en las membranas recubriendo por ambos lados la bicapa lipídica.

❚ Singer y Nicholson introdujeron el modelo del mosaico fluido, que es más aceptado actualmente; según estos autores la membrana es una bicapa con proteínas embebidas, que presentan una cierta movilidad.

Colesterol

17 Explica la propiedad que permite a algunos lípidos la

formación de las biomembranas.

Los lípidos como los fosfolípidos, entre otros, presentan una zona hidrófila (cabezas polares de glicerina o glicerol en los fosfoglicéridos) y una zona hidrófoba (colas apolares de ácidos grasos). Son moléculas anfipáticas (presentan regiones hidrófilas e hidrófobas bien definidas). En la membrana, los fosfolípidos se disponen en dos capas con las zonas hidrófilas (cabezas) hacia el exterior (caras externa e interna), mientras que las zonas hidrófobas (ácidos grasos) quedan enfrentadas hacia el interior.

18 El colesterol es un componente esencial de las mem-

branas en las células animales. Sin embargo, a menudo oímos decir que es conveniente «reducir el colesterol». Explica esta aparente contradicción.

El colesterol abunda en la membrana plasmática de la célula, a la que confiere rigidez y estabilidad. En los organismos superiores se encuentra en el plasma sanguíneo, unido a lipoproteínas de baja densidad (LDL). Un exceso de colesterol en la sangre puede favorecer la formación de trombos y, como consecuencia, ocluir los vasos sanguíneos.

19 Las células cercanas a las pezuñas, en los animales que

las presentan, tienen un alto porcentaje de ácidos grasos insaturados. Explica por qué.

Los animales que viven en climas fríos, como los renos, presentan una proporción elevada de ácidos grasos insaturados para asegurar la estabilidad mecánica de sus membranas. Las células de sus pezuñas ven incrementada la proporción de ácidos grasos insaturados con la finalidad de conservar constante la fluidez de la bicapa, al hacer que sus componentes lipídicos encajen con más dificultad.

20 Una proteína X consta de 300 aminoácidos en una única

cadena polipeptídica con 180 aminoácidos hidrofílicos en su extremo aminoterminal y 60 aminoácidos hidrofóbicos en el carboxilo terminal. ¿Podría asociarse a la membrana? ¿Sería una proteína integral o periférica?

Sería una proteína integral, no transmembranal. Únicamente puede asociarse a una de las caras de la membrana (presenta una región hidrófoba por la que se puede asociar al interior de la membrana y una región hidrófila que se situaría hacia el exterior). Para ser transmembranal tendría que presentar dos dominios hidrofílicos y uno hidrofóbico.

21 ¿La ATPasa es una proteína transmembranal o periférica?

Los fosfolípidos son moléculas anfipáticas porque presentan zonas hidrofóbicas (restos apolares) y zonas hidrofílicas (cabezas polares), lo cual les confiere la capacidad de formar bicapas en soluciones acuosas.

Modelos de membrana

Región hidrófila (capas densas)

Proteína asociada a la cara interna

6

La ATPasa es una proteína transmembranal.

103

Transporte de moléculas 24 Indica los tipos y subtipos de transporte de moléculas a

través de la membrana plasmática y explica sus características.

Transporte pasivo. Consiste en el transporte de sustancias a favor de gradiente, ya sea gradiente de concentración o gradiente de carga, y no requiere gasto energético. El transporte pasivo se puede realizar mediante:

❚ Difusión simple. Las moléculas atraviesan directamente la membrana (por ejemplo, el oxígeno, el CO2).

❚ Difusión facilitada. En este caso, las moléculas de mayor tamaño o los iones pasan a favor de gradiente a través de proteínas transmembranales.

❚ Las proteínas de canal o canales membranosos permiten el paso de las sustancias sin experimentar cambios conformacionales, mientras que las proteínas transportadoras o permeasas experimentan un cambio conformacional a la vez que transportan las moléculas polares (azúcares, aminoácidos, nucleótidos, etc.) o con carga.

La difusión facilitada puede presentar dos modalidades:

❚ Uniporte, si se transporta una sola sustancia.

❚ Cotransporte, si se transportan simultáneamente dos sustancias. Si las sustancias se transportan hacia el mismo lado se habla de «simporte», y si lo hacen en sentidos opuestos, de «antiporte».

Las proteínas transportadoras presentan una alta especificidad para el transporte de un determinado tipo de compuesto químico. En las proteínas transportadoras, el ligando se une a sitios específicos en el exterior (estado pong) y se produce entonces un cambio conformacional (estado ping) por el cual los lugares donde se ha unido el ligando pasan a estar expuestos al interior de la célula.

6


Transporte activo. Este tipo de transporte se produce en contra de gradientes electroquímicos, por lo cual se requiere un gasto energético (gasto de ATP o disipación de gradientes iónicos). En el transporte activo se consigue mantener diferentes concentraciones intra y extracelulares para determinadas sustancias. La sustancia transportada se une a la proteína transportadora y es liberada en el interior de la célula sin sufrir modificación química (excepto en el transporte por translocación de grupo característico de las bacterias).

Puede ser transporte activo directo, si la proteína transportadora está directamente acoplada a una ATPasa (aporte directo de energía) o transporte activo indirecto en el que la proteína transportadora puede transportar una molécula en contra de gradiente y otra molécula a favor de gradiente (puede ser un simporte o un antiporte).

En el transporte por translocación de grupo la sustancia transportada se une a la proteína transportadora y es liberada en el interior de la célula sin sufrir modificación química.

26 ¿Qué diferencias presentan el transporte activo direc-

to e indirecto?

27 ¿Qué tipo de transporte de sustancias a través de la

membrana supone un gasto energético para la célula?

25 Los foraminíferos son un tipo de protistas ameboides

con caparazones de carbonato de calcio. ¿Qué importancia tiene en ellos la exocitosis?

En el transporte activo directo la proteína transportadora está acoplada a una ATPasa de membrana, mientras que en el transporte activo indirecto se transportan las moléculas en contra de gradiente gracias al cotransporte de otras sustancias a favor de gradiente.

En los foraminíferos la exocitosis permite la secreción de las sustancias componentes de los caparazones que inicialmente son orgánicos y secundariamente se mineralizan, son caparazones de carbonato cálcico.

104

El transporte activo implica un gasto de energía para la célula en forma de ATP o por la disipación de gradientes.

2,3,4,5 AF 6, 7, 12

6

2.1. Reconoce y diferencia la microscopía óptica de campo claro, contraste de fases, campo oscuro, interferencia diferencial y fluorescencia y sus aplicaciones.

3.1. Reconoce y diferencia el microscopio electrónico de transmisión y de barrido y sus aplicaciones.

11 AF 16

12,13 AF 15, 17, 18, 19, 22

15,16 AF 20, 21

17,18 AF 23

19 AF 16

20 AF 24

7.1. Relaciona fosfolípidos, glucolípidos y esteroles con la composición de la membrana.

8.1. Distingue proteínas integrales y periféricas, así como su relación con la asimetría de la membrana.

9.1. Compara los modelos de membrana y explica el modelo del mosaico fluido.

10.1. Conoce la importancia de la membrana y sus funciones.

11.1 Define la difusión simple y facilitada y distingue uniporte y cotransporte de moléculas a través de la membrana.

AF 8, 11

5.1. Asocia las técnicas de criofractura, difracción de rayos X y autorradiografía con sus aplicaciones.

6.1. Reconoce la estructura trilaminar de la membrana común a todos los organismos celulares.

AF 8

4.1. Conoce las diferencias estructurales entre células procariotas y eucariotas.

AF 6, 9, 10, 12

1 AF 1, 2, 3, 4, 5, 6


1.1. Conoce la teoría celular y la teoría de la endosimbiosis.


105 Distingue los diferentes tipos de transporte correctamente.

Reconoce correctamente la importancia de la membrana como barrera selectiva.

Aporta todos los modelos explicados.

Identifica correctamente las proteínas de la membrana.

Identifica correctamente los componentes lipídicos de la membrana.

Identifica la estructura sin errores.

Conoce otras técnicas de estudio de la célula sin errores.

Diferencia los tipos celulares sin errores.

Identifica los diferentes microscopios electrónicos y sus aplicaciones sin errores.

Identifica los diferentes microscopios ópticos y sus aplicaciones sin errores.

Conoce los conceptos básicos.

3

Excelente

Distingue de forma válida los diferentes tipos de transporte.

Reconoce de forma válida la importancia de la membrana como barrera selectiva con algunos errores.

Aporta algunos de los modelos explicados.

Identifica las proteínas de la membrana aunque con algunos errores.

Identifica los componentes lipídicos de la membrana aunque con algunos errores.

Identifica la estructura cometiendo pocos errores.

Conoce otras técnicas de estudio de la célula cometiendo pocos errores.

Diferencia los tipos celulares cometiendo pocos errores.

Identifica los diferentes microscopios electrónicos y sus aplicaciones cometiendo pocos errores.

Identifica los diferentes microscopios ópticos y sus aplicaciones cometiendo pocos errores.

Conoce los conceptos básicos cometiendo pocos errores.

Satisfactorio 2

Distingue los diferentes tipos de transporte con muchos errores.

Reconoce la importancia de la membrana como barrera selectiva aunque comete muchos errores.

Aporta alguno de los modelos explicados cometiendo muchos errores.

Identifica las proteínas de la membrana cometiendo muchos errores.

Identifica los componentes lipídicos de la membrana cometiendo muchos errores.

Identifica la estructura cometiendo muchos errores.

Conoce otras técnicas de estudio de la célula cometiendo muchos errores.

Diferencia los tipos celulares cometiendo muchos errores.

Identifica los diferentes microscopios electrónicos y sus aplicaciones cometiendo muchos errores.

Identifica los diferentes microscopios ópticos y sus aplicaciones cometiendo muchos errores.

Conoce los conceptos básicos cometiendo muchos errores.

En proceso 1

No responde o responde de forma errónea.











No logrado 0 Puntos


RÚBRICA DE ESTÁNDARES DE APRENDIZAJE

6

24, 25

26, 27 AF 25

29

28, 29

13.1. Describe la endocitosis simple o mediada por receptor y los tipos de endocitosis (pinocitosis y fagocitosis).

14.1. Conoce el papel de la exocitosis en la célula. Distingue la exocitosis constitutiva y regulada.

15.1. Describe las microvellosidades, los estereocilios y las invaginaciones.

16.1. Diferencia los tipos de uniones laterales intercelulares.

*LA: Libro del alumno, AF: Actividades finales

21, 22, 23 AF 24, 26, 27


12.1. Conoce las características del transporte activo acoplado a ATPasas o a simporte o antiporte de moléculas.


Identifica los tipos de uniones laterales intercelulares correctamente.

Identifica correctamente las diferenciaciones de la membrana.

Comprende los conceptos básicos y distingue sus tipos correctamente.

Comprende los conceptos básicos y distingue sus tipos correctamente.

Distingue los diferentes tipos de transporte activo correctamente.

3

Excelente

Identifica los tipos de uniones laterales intercelulares cometiendo pocos errores.

Identifica de forma válida las diferenciaciones de la membrana.

Comprende los conceptos básicos y distingue sus tipos cometiendo pocos errores.

Comprende los conceptos básicos y distingue sus tipos cometiendo pocos errores.

Distingue de forma válida los diferentes tipos de transporte activo.

Satisfactorio 2 No responde o responde de forma errónea.

No logrado 0

Identifica los tipos de uniones laterales intercelulares cometiendo muchos errores.

Identifica las diferenciaciones de la membrana con muchos errores.



Comprende los conceptos No responde o responde básicos y distingue sus de forma errónea. tipos cometiendo muchos errores.

Comprende los conceptos No responde o responde básicos y distingue sus de forma errónea. tipos cometiendo muchos errores.

Distingue los diferentes tipos de transporte activo con muchos errores.

En proceso 1 Puntos

6 Técnicas de estudio de la célula. La membrana celular

RÚBRICA DE ESTÁNDARES DE APRENDIZAJE

106


6

PRUEBA DE EVALUACIÓN A 1. En la siguiente fotografía se observan dos protistas unicelulares con dos flagelos iguales y divergentes. Señala la técnica con la que se ha realizado la fotografía:

3. En relación con la asimetría de la membrana, señala las afirmaciones correctas:

a) Supone que existe distinta composición en ambas caras de la membrana.

b) Las glucoproteínas y los glucolípidos se encuentran en la cara externa de la membrana.

c) Las proteínas periféricas están asociadas por igual a ambas caras de la membrana.

d) Las proteínas transmembranales se asocian solo a la cara interna de la membrana.

4. En relación con los intercambios celulares a través de las membranas, señala las afirmaciones correctas:

a) Microscopía óptica de contraste de fases.

b) Microscopía de interferencia diferencial o Nomarsky.

c) Microscopía electrónica de barrido.

d) Microscopía electrónica de transmisión.

2. Señala la respuesta incorrecta sobre la molécula de colesterol:

a) El transporte pasivo se realiza a favor de gradiente de concentración o carga.

b) El transporte activo se realiza en contra de gradiente y supone un gasto energético para la célula.

c) El transporte pasivo de oxígeno se realiza por difusión simple.

d) La entrada y salida de macromoléculas y partículas complejas en la célula se realiza mediante procesos de endocitosis y exocitosis.

5. Señala las funciones en las que está implicada la membrana plasmática:

a) En el intercambio controlado de sustancias con el medio externo.

a) Es un lípido de membrana.

b) Presenta una zona hidrófila y otra hidrófoba.

b) En el mantenimiento de la forma celular.

c) Aumenta la fluidez de la membrana.

c) En los procesos de nutrición y secreción.

d) Pertenece a la categoría de los esteroles.

d) En la síntesis de pigmentos accesorios.

107

6


PRUEBA DE EVALUACIÓN B 1. Describe lo que se observa en las siguientes fotografías. ¿Qué técnica se ha utilizado para la observación de las mismas?

A

3. Completa el cuadro siguiente: Membrana fluida

B

A. La fotografía se ha realizado utilizando microscopía electrónica de barrido. En ella se observa un tejido, probablemente un epitelio, constituido por células ciliadas.

B. Se observa un corte al microscopio electrónico de transmisión de dos bacterias, una en corte longitudinal y otra cortada transversalmente. Se puede distinguir la pared bacteriana con una membrana externa (tipo gramnegativo) y la zona central del nucleoide.

2. Observa la siguiente fotografía y responde a las cuestiones planteadas:

Membrana rígida

Membrana fluida

Mayor porcentaje de insaturación

Mayor porcentaje de saturación

Temperatura

Mayor temperatura

Menor temperatura

Colesterol

Menos colesterol

Más colesterol

4. En los procesos de transporte activo se genera un gradiente de concentración de la sustancia transportada, cosa que no ocurre en el caso de la translocación de grupo. Explica por qué.

En el transporte por translocación de grupo no se genera un gradiente de concentración de la molécula transportada porque esta experimenta una modificación química durante el proceso, de modo que el producto que existe en el exterior es diferente al que se forma en el interior.

5. Indica si los siguientes enunciados son verdaderos o falsos: a) La membrana plasmática celular está compuesta por lípidos (principalmente, fosfolípidos) y por proteínas. Verdadero. b) El colesterol es un componente exclusivo de las membranas de las células procariotas.

Falso. El colesterol es un componente de las membranas de las células eucariotas, más abundante en las células animales.

c) Las proteínas de membrana atraviesan completamente la bicapa lipídica.

Falso. No todas las proteínas de membrana atraviesan completamente la bicapa lipídica, solo las transmembranales.

d) En las células animales, los glucolípidos de la membrana plasmática pertenecen al grupo de los esfingolípidos. Verdadero. a) ¿Cuántas unidades de membrana observas, una o dos?

La fotografía corresponde a la zona de unión entre dos tipos diferentes de células. Se observan las dos membranas (con estructura trilaminar típica) y un espacio de separación entre ambas.

b) ¿Qué significado tiene la unidad de membrana?

La unidad de membrana hace referencia a que la membrana plasmática posee la misma estructura en todas las células. Esta organización es común, además, al resto de las membranas biológicas de los orgánulos celulares.

c) ¿Es una fotografía de MET o MEB?

La fotografía corresponde a un corte al microscopio electrónico de transmisión.

108


NOTAS

109

6

6 TÉCNICAS DE ESTUDIO DE LA CÉLULA. LA MEMBRANA CELULAR

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