Célula eucariota (núcleo y membrana celular)

Una célula eucariota (del griego eu = verdadero, karyon = núcleo) es aquella que posee un núcleo verdadero, es decir, un núcleo rodeado por una envoltura membranosa doble, dentro del cual se encuentra el material genético organizado en cromosomas.

Esta característica la distingue claramente de la célula procariota, que carece de envoltura nuclear. Además, las células eucariotas presentan:

• ADN lineal asociado a proteínas llamadas histonas.
• Organelas membranosas en el citoplasma, como mitocondrias, retículo endoplasmático, aparato de Golgi, lisosomas, cloroplastos (en vegetales), etc.
• Ribosomas de tipo 80S (con subunidades 60S y 40S), a diferencia de los procariotas que tienen ribosomas 70S.
• Mayor tamaño que las procariotas (generalmente de 10 a 100 µm, aunque varía).

La presencia de núcleo y organelas membranosas permite la compartamentalización: los distintos procesos metabólicos ocurren en espacios separados, lo que aumenta la eficiencia celular.

Las células eucariotas se encuentran en los organismos de los reinos Protista, Fungi, Plantae y Animalia. Por ejemplo, una Euglena es un organismo unicelular flagelado y fotosintético, pero no pertenece al Reino Monera (bacterias) porque es eucariótico.

Estructura general de la célula eucariota

Toda célula eucariota consta de tres partes principales:

En este tema nos concentraremos en la membrana plasmática y en el núcleo.

La membrana plasmática (también llamada plasmalema) es una fina película que rodea a todas las células, tanto procariotas como eucariotas. En las células eucariotas, su estructura es más compleja y contiene esteroides, a diferencia de la membrana procariota que carece de ellos.

Su función principal es actuar como barrera semipermeable selectiva: permite el paso de ciertas moléculas e impide el de otras, manteniendo así un medio interno estable y diferente al exterior.

2.1 Composición química de la membrana

Según el modelo actual, la membrana plasmática está formada por tres tipos de biomoléculas:

• Lípidos (40%):
  • Fosfolípidos: son los más abundantes. Cada fosfolípido tiene una cabeza hidrofílica (afín al agua) y dos colas hidrofóbicas (que rechazan el agua). En medio acuoso se organizan en una bicapa lipídica: las cabezas quedan hacia el exterior e interior celular, y las colas enfrentadas en el centro.
  • Glicolípidos: lípidos unidos a glúcidos; se ubican en la cara externa y participan en el reconocimiento celular.
  • Colesterol: presente solo en células animales. Se inserta entre las colas de los fosfolípidos y regula la fluidez de la membrana: a temperaturas altas la estabiliza, y a temperaturas bajas evita que se rigidice.
• Proteínas (52%):
  • Proteínas integrales: están embebidas en la bicapa, muchas la atraviesan por completo (proteínas transmembrana). Forman canales, transportadores, receptores, etc.
  • Proteínas periféricas: se asocian solo a la superficie interna o externa de la membrana, sin penetrar en el interior hidrofóbico.
• Glúcidos (8%):
  • Se unen a lípidos (glicolípidos) o a proteínas (glucoproteínas) y forman el glucocáliz o cubierta celular. El glucocáliz participa en la adhesión celular, el reconocimiento celular y la compatibilidad de trasplantes.

La naturaleza anfipática de los fosfolípidos es la base de la estructura de la membrana: las cabezas hidrofílicas interactúan con el agua, mientras que las colas hidrofóbicas se alejan de ella, formando espontáneamente la bicapa.

2.2 Modelo del mosaico fluido

La estructura de la membrana se explica mediante el modelo del mosaico fluido, propuesto por Singer y Nicholson en 1972. Según este modelo:

• La bicapa lipídica es un fluido bidimensional: los lípidos pueden moverse lateralmente con facilidad.
• Las proteínas están incrustadas en esa bicapa como piezas de un mosaico, con distribución irregular.
• La membrana es asimétrica: la composición de la cara externa es diferente de la cara interna. Los glúcidos solo se encuentran en la cara externa.

Las moléculas de la membrana no son estáticas: los lípidos y muchas proteínas se desplazan lateralmente, lo que le da fluidez. El colesterol modula esta fluidez en células animales.

2.3 Funciones de la membrana celular

Además de ser una barrera selectiva, la membrana cumple otras funciones esenciales:

• Compartamentalización: separa el interior celular del medio externo y define los límites de la célula.
• Transporte de materiales: regula el ingreso y salida de nutrientes, iones, gases y desechos.
• Comunicación celular: posee receptores que reconocen señales químicas (hormonas, neurotransmisores) y desencadenan respuestas celulares.
• Reconocimiento y adhesión celular: gracias al glucocáliz, las células se reconocen entre sí y se unen para formar tejidos. También interviene en la compatibilidad de trasplantes.
• Homeostasis: participa activamente en mantener constantes las condiciones internas (concentración de iones, pH, volumen) a pesar de los cambios externos. Por ejemplo, si una célula es sometida a cambios bruscos de salinidad o temperatura, la membrana, junto con otros mecanismos, ayuda a restablecer el equilibrio.

• Irritabilidad o excitabilidad: la membrana detecta estímulos del medio y permite que la célula responda a ellos. Por ejemplo, el erizamiento de los pelos de un gato ante la presencia de un perro es una respuesta a un estímulo captado por receptores de membrana y células nerviosas.

El transporte de sustancias a través de la membrana se clasifica en dos grandes tipos: transporte pasivo (no gasta energía) y transporte activo (gasta energía en forma de ATP). También existe el transporte en masa mediante endocitosis y exocitosis.

3.1 Transporte pasivo

Se realiza a favor del gradiente de concentración, es decir, desde una zona de mayor concentración hacia una de menor concentración, y no requiere gasto de ATP.

Difusión simple

Es el paso de moléculas directamente a través de la bicapa lipídica, sin ayuda de proteínas. Ocurre para:

• Gases como $O_2$ y $CO_2$
• Moléculas liposolubles: ácidos grasos, hormonas esteroideas, vitaminas liposolubles
• Agua en pequeña cantidad (aunque el agua pasa principalmente por ósmosis o por acuaporinas)

Ósmosis

Es un caso especial de difusión: el paso de agua a través de una membrana semipermeable desde una solución de menor concentración de solutos (hipotónica) hacia una de mayor concentración de solutos (hipertónica).

Si colocamos una célula animal (como un glóbulo rojo) en:

En células vegetales, gracias a la presencia de pared celular, la entrada de agua en medio hipotónico produce turgencia (la célula se hincha pero no estalla), y en medio hipertónico se produce plasmólisis (la membrana se separa de la pared).

Difusión facilitada

Es el paso de solutos a favor del gradiente, pero con ayuda de proteínas integrales de membrana llamadas permeasas o transportadores. No gasta ATP. Cada transportador es específico para una sustancia o grupo de sustancias.

Ejemplos: transporte de glucosa y aminoácidos hacia el interior de muchas células.

3.2 Transporte activo

Se realiza en contra del gradiente de concentración, es decir, desde donde hay menos hacia donde hay más, y por ello requiere gasto de energía (ATP).

Los sistemas de transporte activo actúan como bombas que mueven iones o moléculas a través de la membrana. El ejemplo más representativo es la bomba de sodio y potasio (Na⁺/K⁺), una proteína integral que:

• Expulsa 3 iones $Na^+$ hacia el exterior.
• Introduce 2 iones $K^+$ hacia el interior.
• Utiliza ATP como fuente de energía.

Este mecanismo mantiene las diferencias de concentración de estos iones entre el citoplasma y el medio extracelular, fundamentales para el impulso nervioso, la contracción muscular y el equilibrio osmótico.

3.3 Transporte en masa: endocitosis y exocitosis

Cuando las sustancias son muy grandes (partículas, macromoléculas, microorganismos) no pueden atravesar la membrana mediante transportadores, por lo que la célula utiliza procesos que implican deformación de la membrana.

Endocitosis

Es la entrada de material extracelular mediante invaginación de la membrana, que forma una vesícula que se desprende hacia el citoplasma. Dos tipos:

• Fagocitosis (endo = dentro; fago = comer): la célula emite prolongaciones de su membrana llamadas pseudópodos que engloban partículas sólidas o microorganismos, formando una vesícula denominada fagosoma. Este se fusiona con lisosomas para digerir el contenido. Ejemplos: los leucocitos fagocitan bacterias; las amebas y esponjas de mar dependen de la fagocitosis para su digestión intracelular.
• Pinocitosis (pino = beber): la célula incorpora pequeñas gotas de líquido con solutos disueltos.

Exocitosis

Es la expulsión de sustancias fuera de la célula mediante la fusión de vesículas intracelulares con la membrana plasmática. Así se secretan hormonas, neurotransmisores, enzimas digestivas y se eliminan desechos.

El núcleo es la estructura que caracteriza a la célula eucariota. Contiene la información genética (ADN) y controla las actividades celulares. Generalmente es esférico y se ubica en el centro de la célula animal, mientras que en la vegetal suele estar desplazado hacia la periferia por la gran vacuola central.

4.1 Estructura del núcleo

El núcleo está formado por:

1. Envoltura nuclear (carioteca)
2. Nucleoplasma
3. Cromatina
4. Nucléolo

Envoltura nuclear (carioteca)

Es una doble membrana que separa el contenido nuclear del citoplasma. Está formada por:

• Membrana nuclear externa: se continúa con el retículo endoplasmático rugoso (RER) y posee ribosomas adheridos en su cara citoplasmática.
• Membrana nuclear interna: en contacto con el nucleoplasma; en su cara nuclear tiene proteínas que anclan la cromatina.
• Espacio perinuclear: espacio entre ambas membranas, continuo con la luz del RER.
• Poros nucleares: complejos proteicos que atraviesan ambas membranas y permiten el intercambio selectivo entre el núcleo y el citoplasma. A través de ellos pasan ARN, proteínas, subunidades ribosomales y otras moléculas.

El tránsito núcleo-citoplasma es bidireccional y regulado: por ejemplo, las proteínas ribosomales sintetizadas en el citoplasma deben ingresar al núcleo a través de los poros nucleares para ensamblarse con el ARN ribosómico y formar las subunidades de los ribosomas.

La membrana externa de la envoltura nuclear, al continuarse con el retículo endoplasmático rugoso, comparte algunas características con este. Por ejemplo, en la membrana del RER existen glucoproteínas llamadas riboforinas que sirven de anclaje para los ribosomas.

Nucleoplasma

Es el medio acuoso interno del núcleo, en el que se encuentran disueltos iones, nucleótidos, enzimas y otras moléculas necesarias para la síntesis de ARN y la replicación del ADN.

Cromatina

Es el ADN nuclear asociado a proteínas (principalmente histonas). Durante la interfase (periodo entre divisiones celulares), el ADN se encuentra en forma de cromatina, que puede presentar dos estados:

• Eucromatina: forma poco condensada, transcripcionalmente activa.
• Heterocromatina: forma más condensada, generalmente inactiva.

Durante la división celular, la cromatina se condensa aún más y se organiza en cromosomas, que son las estructuras visibles que contienen los genes.

Nucléolo

Es una estructura esférica, no rodeada por membrana, que se ubica dentro del núcleo. Está formado por ARN ribosómico y proteínas. Su función es la síntesis de ARN ribosómico (ARNr) y el ensamblaje de las subunidades ribosomales (60S y 40S). Una vez formadas, estas subunidades salen por los poros nucleares al citoplasma para participar en la traducción de proteínas.

4.2 Funciones del núcleo

• Almacenamiento y protección de la información genética: el ADN nuclear contiene las instrucciones para la estructura y funcionamiento celular.
• Replicación del ADN: antes de la división celular, el ADN se duplica para transmitir la información a las células hijas.
• Transcripción: síntesis de ARN mensajero, ARN ribosómico y ARN de transferencia a partir del ADN.
• Control de las actividades celulares: al regular qué proteínas se sintetizan, el núcleo dirige el metabolismo y la diferenciación celular.

El flujo de la información genética es: ADN → ARN → proteína. El ADN se transcribe en ARN en el núcleo; el ARN viaja al citoplasma y es traducido en proteínas por los ribosomas.

4.3 El núcleo y la división celular

El núcleo no solo contiene la información genética, sino que coordina la división celular. Sin embargo, no todas las células de un organismo se dividen. Las neuronas, por ejemplo, se generan durante la etapa embrionaria y se conservan durante toda la vida adulta sin renovarse. Su incapacidad para dividirse se debe, entre otros factores, a que carecen de centriolos, estructuras citoplasmáticas necesarias para formar el huso mitótico durante la división celular. Aunque tienen núcleo, la ausencia de centriolos impide que completen la mitosis.

Aunque ambas son eucariotas, existen diferencias importantes relacionadas con la membrana y el núcleo:

La pared celular vegetal es una estructura externa a la membrana, porosa, que protege contra la lisis osmótica y contribuye al soporte mecánico. En plantas, se divide en lámina media (pectatos), pared primaria (hemicelulosa) y pared secundaria (celulosa). Los plasmodesmos son canales que atraviesan la membrana y la pared celular, permitiendo la comunicación entre células vegetales.

Esta comparación es importante para el siguiente tema, donde estudiaremos el citoplasma y las organelas, algunas de las cuales (como los cloroplastos) son exclusivas de las células vegetales.