Biol 3051 Estructura Celular

Teoría Celular

Capítulo 6: Organización Celular

(1)

Dr. Fernando J. Bird-Picó Departamento de Biología Recinto Universitario de Mayagüez

(2)

Las células son las unidades básicas de la estructura, organización y funcionamiento celular de los organismos vivos Todas las células se originan de células La estructura celular se relaciona a la función celular Todas las células vivientes han evolucionado de un ancestro común

(3) (4)

Homeostasis •

Las células eucariotas poseen varios organelos, que son estructuras internas que llevan a cabo funciones específicas que ayudan a mantener el balance u homeostasis

Membrana Plasmática •

Membrana Plasmática o celular • •

•

•

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Envuelve a la célula Es el umbral entre la célula y el medio ambiente que la rodea Mantiene las condiciones de vida en el interior de la célula Permite que la célula intercambie materiales con su medio ambiente y viceversa de forma selectiva.

1

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Figure 6.2

10 m

Chicken egg 1 cm

100 µm

1 µm 100 nm 10 nm 1 nm

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Frog egg Human egg Most plant and animal cells

10 µm

0.1 nm

•

•

Nucleus Most bacteria Mitochondrion

EM

Importancia del tamaño celular

1 mm

Microscopía:

LM

0.1 m

Human height Length of some nerve and muscle cells

Unaided eye

1m

Smallest bacteria Viruses Ribosomes

Superresolution microscopy

•

Proteins Lipids

Magnificación: la tasa o razón del tamaño de la imágen de un objeto a su tamaño real Resolución: medida de la claridad de la imágen o capacidad de distinguir la distancia mínima entre dos puntos Contraste: diferencia en claridad en partes de una muestra

Small molecules Atoms

Figure 6.3

Microscopios

•

Mejor poder de resolución

Fluorescence

Differentialinterference-contrast (Nomarski)

Confocal (without)

Confocal (with)

10 µm Deconvolution

Super-resolution (without)

Super-resolution (with)

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Phase-contrast

10 µm

•

Microscopios de luz Microscopios Electrónicos

1 µm

•

Brightfield (stained specimen)

50 µm

50 µm

Brightfield (unstained specimen)

Scanning 2 µm electron microscopy (SEM)

Transmission 2 µm electron microscopy (TEM)

2

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Fraccionamiento Celular •

•

•

Permite la purificación de organelos utilizando diferentes métodos para aislarlos Una vez aislados, se puede estudiar la función de estas estructuras celulares Centrifugación, tinción, marcado con moléculas fluorescentes, marcado con isótopos radioactivos, etc.

Procariotas o Procariontes •

Célula Procariota •

•

• •

•

No poseen organelos con membranas en su organización interna Area nuclear - nucleoide (no es un núcleo) Poseen pared celular Tienen ribosomas (partículas de ribonucleoproteínas – no organelos) Algunos poseen flagelos (estructuras para la locomoción o anclaje a substratos)

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© 2014 Pearson Education, Inc.

Figure 6.6

Eucariotas •

Células Eucariotas • •

•

•

Poseen núcleo rodeado de membrana Poseen varios organelos con membranas en el citoplasma Nos referimos al componente líquido del citoplasma como el citosol Son más grandes en tamaño que las células procariotas

Outside of cell

Inside of cell

0.1 µm

(a) TEM of a plasma membrane

Carbohydrate side chains

Hydrophilic region

Hydrophobic region Hydrophilic region

Phospholipid

Proteins

(b) Structure of the plasma membrane © 2014 Pearson Education, Inc.

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3

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Figure 6.7

Razón o tasa de Superficie a Volúmen

•

Figure 6.8a

ENDOPLASMIC RETICULUM (ER)

La tasa de superficie de membrana plasmática (celular) con respecto al volúmen de la célula La membrana regula el paso de materiales a través de la misma para llevar materiales

•

•

Factor Crítico en la determinación del tamaño celular

•

Surface area increases while total volume remains constant

Rough ER Smooth ER Flagellum

Nuclear envelope Nucleolus NUCLEUS Chromatin

5 Centrosome

1

Plasma membrane

1 Total surface area [sum of the surface areas (height × width) of all box sides × number of boxes]

6

150

750

Total volume [height × width × length × number of boxes]

1

125

125

Surface-to-volume (S-to-V) ratio [surface area ÷ volume]

CYTOSKELETON: Microfilaments Intermediate filaments Microtubules Ribosomes Microvilli Golgi apparatus

6

1.2

6

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Peroxisome © 2014 Pearson Education, Inc.

Mitochondrion

Lysosome

Figure 6.8b

Células de Plantas

NUCLEUS

Nuclear envelope Nucleolus Chromatin

Rough ER Smooth ER

•

Características de las células vegetales • • • •

Poseen una pared celular rígida Poseen plastidios Presencia de vacuolas grandes No poseen centríolos

Ribosomes Golgi apparatus

Central vacuole Microfilaments Microtubules

CYTOSKELETON

Mitochondrion Peroxisome Chloroplast

Plasma membrane Cell wall

Plasmodesmata

Wall of adjacent cell © 2014 Pearson Education, Inc.

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4

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Figure 6.8c

Nucleus Nucleolus

Human cells from lining of uterus (colorized TEM)

Vacuole

Nucleus

Yeast cells budding (colorized SEM)

Mitochondrion

Chloroplast Mitochondrion Nucleus Nucleolus

Unicellular Eukaryotes

Cell wall

Cells from duckweed (colorized TEM)

1 µm

A single yeast cell (colorized TEM)

8 µm

5 µm

Animación: Pared Celular en Plantas

Cell wall

Buds

Cell

Plant Cells

1 µm

5 µm

Cell

Fungal Cells

Animal Cells

10 µm

Parent cell

Flagella Nucleus Nucleolus Vacuole

Chlamydomonas (colorized SEM)

Chloroplast Cell wall

Chlamydomonas (colorized TEM)

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Membranas Celulares • •

•

•

Dividen la célula en compartimientos interiores Estructuras llamadas vesículas transportan materiales entre compartimientos Estas membranas son importantes en el proceso de almacenaje y conversión energética de la célula Algunas forman un sistema de endomembranas

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Núcleo •

Centro de Control y Comando de la célula •

•

Envoltura Nuclear •

•

Información genética codificada en el DNA Estructura de doble membrana que separa al núcleo del citoplasma

Poros Nucleares •

Permiten comunicación con el citoplasma

5

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Figure 6.9

Estructuras encontradas en el núcleo

Outer membrane

Compuesta de DNA y proteínas

Nuclear pore Rough ER

Cromosomas

Nucleolo • •

Surface of nuclear envelope (TEM)

Compuestos de DNA en forma compacta con proteínas (histonas) previo a la división celular Síntesis del RNA ribosomal (rRNA) Ensamblaje de los ribosomas ocurre aquí

Pore complex Ribosome

Close-up of nuclear envelope

Pore complexes (TEM)

•

Lámina nuclear: compuesta de proteínas, mantiene la forma del núcleo

Chromatin

0.5 µm

•

•

Nuclear envelope: Inner membrane

Cromatina •

•

Nucleus Nucleolus Chromatin

0.25 µm

•

Nucleus

1 µm

Nuclear lamina (TEM)

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Figure 6.10

Ribosomas • Son partículas (no organelos) compuestos de RNA y proteínas (partículas de ribonucleoproteínas) • Llevan a cabo la síntesis de proteínas a partir de los mensajes genéticos que vienen del DNA (mRNA) • Los encontramos de forma libre en el citoplasma o asociados a membranas ya sea en la envoltura nuclear o el retículo endoplásmico

0.25 µm Ribosomes

Free ribosomes in cytosol Endoplasmic reticulum (ER)

ER

Ribosomes bound to ER Large subunit Small subunit TEM showing ER and ribosomes

Diagram of a ribosome

Computer model of a ribosome

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6

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Sistema de endomembranas regula el movimiento de proteínas y lleva a cabo funciones metabólicas en la célula

Síntesis de Proteínas

•

Componentes del sistema de endomembranas: • • • • • •

•

Envoltura nuclear Retículo endoplásmico Complejo u aparato de Golgi Lisosomas Vacuolas Membrana Plasmática

Estos componentes son ya sea continuos o conectados a través de vesículas de transporte

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Figure 6.11

Retículo Endoplásmico (RE) •

Red de membranas continuas con la envoltura nulear •

•

•

Smooth ER Rough ER

RE Liso • • •

•

sus membranas hacen mas de la mitad de la cantidad de membranas que encontramos en la célula eucariota en el citosol Síntesis de lípidos y metaboliza carbohidratos Almacenar iones de calcio (célula muscular) Producción de enzimas detoxificadoras

RE Granular • • •

ribosomas en la superficie externa Ensamblaje de proteínas y glicoproteínas Distribuye vesículas de transporte (proteínas) y componentes para fabricar membranas

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ER lumen Cisternae Ribosomes Transport vesicle

Nuclear envelope

Transitional ER

Smooth ER

Rough ER

0.20 µm

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7

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Figure 6.12

Complejo de Golgi •

Golgi apparatus

Compuesto de Cisternas: estibas de sacos membranosos aplanados

Procesamiento de proteínas sintetizadas por el RE • Producción de lisosomas: •

•

•

cis face (“receiving” side of Golgi apparatus)

0.1 µm Cisternae

Saco membranoso que contiene enzimas hidrolíticas que pueden digerir macromoléculas tales como proteínas, grasas, ácidos nucléicos y polisacáridos Autofagia o sacos suicidas de de Duve trans face (“shipping” side of Golgi apparatus)

TEM of Golgi apparatus

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Figure 6.13

Lisosomas •

•

• • •

Sacos membranosos que contienen enzimas hidrolíticas para digerir macromoléculas Las enzimas lisosómicas son capaces de digerir proteinas, grasas, polisacáridos y ácidos nucleicos Estas enzimas funcionan de forma óptima en el ambiente ácido dentro del lisosma Fagocitosis: forma vacuola alimenticia Autofagia: enzimas lisosómicas pueden reciclar los organelos de la misma célula

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Vesicle containing two damaged organelles

1 µm

Nucleus

1 µm

Mitochondrion fragment Peroxisome fragment Lysosome Digestive enzymes

Lysosome Lysosome

Plasma membrane

Peroxisome Digestion Food vacuole

(a) Phagocytosis: lysosome digesting food

Mitochondrion Vesicle

Digestion

(b) Autophagy: lysosome breaking down damaged organelles

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8

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Figure 6.15

Vesículas de Transporte Nucleus

• •

Formadas por membranas Movilizan glicoproteínas • •

Del RE a la faceta cis del complejo de Golgi Acarrean proteínas modificadas de la faceta trans a lugares específicos

Rough ER Smooth ER

cis Golgi

Plasma membrane

trans Golgi

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Figure 6.14

Vacuolas Central vacuole

•

Vacuolas •

Compartimientos celulares con diversas funciones Vacuolas alimenticias: fagocitosis Vacuolas contráctiles: en protistas dulceacuícolas para mantener balance hídrico Vacuolas centrales: en células vegetales maduras para almacenar agua y compuestos orgánicos

Cytosol

Nucleus

Central vacuole

Cell wall Chloroplast 5 µm

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Figure 6.16

Mitocondrios y Cloroplastos: transformación de energía •

Endoplasmic reticulum

Nucleus

Nuclear envelope

Engulfing of oxygenusing nonphotosynthetic prokaryote, which becomes a mitochondrion

Mitocondrios y Cloroplastos: • • • •

Ancestor of eukaryotic cells (host cell)

no son parte del sistema de endomembranas Poseen estructura de membrana doble Poseen su propio DNA Proteínas sintetizadas por ribosomas libres

Mitochondrion Engulfing of photosynthetic prokaryote Chloroplast At least Mitochondrion one cell

Mitocondrios: es donde se lleva a cabo parte de la respiración celular, un proceso metabólico que genera ATP • Cloroplastos: en las algas y plantas, es donde se lleva a cabo la fotosíntesis • Peroxisomas: organelos oxidativos •

Nonphotosynthetic eukaryote

Photosynthetic eukaryote © 2014 Pearson Education, Inc.

Figure 6.17a

Mitocondrios • • •

Intermembrane space

En casi todas las células eucariotas Se lleva a cabo la respiración celular aeróbica Estructura de doble membrana •

•

•

Mitochondrion

Membrana interna plegada (cristas: provee superficie amplia para enzimas que sintetizan ATP) matriz (en cristas y compartimientos internos)

Importante en el proceso de apoptosis •

Outer membrane DNA Free ribosomes in the mitochondrial matrix

Inner membrane Cristae Matrix 0.1 µm

(a) Diagram and TEM of mitochondrion

Muerte celular programada © 2014 Pearson Education, Inc.

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10

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Plastidios

Respiración Aeróbica • •

•

Catabolismo (rompimiento) de nutrientes utilizando oxígeno La energía obtenida de estos nutrientes es transferida a corto tiempo en forma de ATP (no se puede almacenar). De ese proceso se produce CO2 y H2O, además de la energía obtenida

•

Plastidios •

•

•

organelos que producen y almacenan alimentos u otros compuestos (amiloplastos, cromoplastos, etc.) En células de plantas y algas

Cloroplastos •

plastidios que llevan a cabo el proceso de fotosíntesis

Estructura del Cloroplasto

Fotosíntesis

Figure 6.18a

•

Clorofila • •

•

Pigmento verde en las membranas del tilacoides Responsable de atrapar energía lumínica

Esta energía de luz se convierte a energía química en moléculas de ATP •

Este último se utiliza para sintetizar carbohidratos a partir de dióxido de carbono y agua

© 2014 Pearson Education, Inc.

•

Estroma •

•

Matriz líquida encerrada o limitado por la membrana interna del cloroplasto

Granas o granos • •

Estibas de sacos membranosos llamados tilacoides Se encuentran suspendidos en la estroma

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11

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Peroxisomas: Oxidación •

•

• •

Compartimientos especializados de una sóla membrana Producen y degradan peróxido de hidrógeno (por acción de la enzima catalasa) y lo convierten en agua Utilizan oxígeno para romper diferentes tipos de moléculas Glioxisoma: peroxisoma especializado en células vegetales para la oxidación de ácidos grasos

Table 6.1

Citoesqueleto • •

• • • •

Es una red de fibras que se extiende por todo el citoplasma Organiza las estructuras celulares y sus actividades fisiológicas, sirviendo de ancla para inmovilidar a los organelos Se compone de tres tipos de estructuras moleculares: Microtúbulos (o simplemente microtubos) Microfilamentos Filamentos intermedios

Fig. 6-20

Microtubule

0.25 µm

Microfilaments

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12

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Figure 6.21

Citoesqueleto: Apoyo estructural, motilidad y regulación • • •

•

ATP

Vesicle Receptor for motor protein

Rol en mantener la forma de la célula Interactúa con proteínas motoras para llevar a cabo movimiento Provee “autopistas” de dirección para el movimiento de vesículas que acarrean materiales Puede ayudar a regular actividad bioquímica

Motor protein Microtubule (ATP powered) of cytoskeleton (a) Motor proteins “walk” vesicles along cytoskeletal fibers. Microtubule

Vesicles

0.25 µm

(b) SEM of a squid giant axon © 2014 Pearson Education, Inc.

Citoesqueleto •

Table 6.1b

Microtúbulos o microtubos • •

•

•

•

Cilindros huecos de la proteína tubulina 25 nm de diámetro y de 200 nm a 25 micrones de largo Poseen terminales (+) y (-); estos últimos anclados a los MTOC Centros de Organización de Microtubos (MTOC del texto y centrosoma) y Proteínas Asociadas a Microtubos (MAPs del texto) Mantenimiento de la forma de la célula; dirigiendo el movimiento de organelos y separando los cromosomas durante la división de cromosomas © 2014 Pearson Education, Inc.

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Microtúbulos o Microtubos

Centrosomas y Centríolos • En muchas células, los microtúbulos crecen desde el centrosoma cerca del núcleo • El centrosoma es el MTOC (“microtubuleorganizing center”) • En las células animales, el centrosoma posee un par de centríolos, cada uno con nueve (9) tripletas de microtúbulos dispuestos en forma de anillo (circular) Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings

Figure 6.22

Centrosoma •

• •

Centrosome

Es el Centro Organizador de Microtubos en las céculas animales (MTOC en el libro de texto) Usualmente contiene dos centríolos Cada centríolo esta compuesto de un arreglo de microtubos dispuestos en 9 x 3 (nueve tripletas de microtubos)

Microtubule Centrioles 0.25 µm

Longitudinal section of one centriole

Microtubules

Cross section of the other centriole

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Cilios y Flagelos: controlados por microtúbulos

Centríolos •

Cilios y flagelos • • •

Estructuras delgadas y mótiles Se proyectan desde la superficie de la célula Función principal es movimiento y locomoción

Cilios: usualmente cortos • Flagelos: largos (en comparación a cilios) • Ambos con misma ultraestructura: •

• • •

Figure 6.23

Cuerpo basal que los ancla a la célula Microtúbulos dispuestos en arreglo 9+2 Motor de dineína que logra el movimiento

Figure 6.24

(a) Motion of flagella

0.1 µm

Direction of swimming

Outer microtubule doublet

Plasma membrane

Motor proteins (dyneins) Central microtubule Radial spoke Microtubules

5 µm

Plasma membrane

(b) Motion of cilia

Basal body

Direction of organism’s movement Power stroke

Recovery stroke

(b) Cross section of motile cilium 0.1 µm

Cross-linking proteins between outer doublets

Triplet

0.5 µm (a) Longitudinal section of motile cilium

(c) Cross section of basal body

15 µm © 2014 Pearson Education, Inc.

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© 2014 Pearson Education, Inc.

15

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Fig. 6-25 Microtubule doublets

ATP

Microfilamentos Dynein protein (a) Effect of unrestrained dynein movement ATP

Cross-linking proteins inside outer doublets

Filamentos dobles de la proteína actina Sólidos en estructura, 7 nm de diámetro • Importantes en el movimiento celular • Rol estructural es en tensión: resiste fuerzas de separación dentro de la célula

Anchorage in cell

• •

(b) Effect of cross-linking proteins 1

3 2

(c) Wavelike motion

Microvillus

•

Grupos de microfilamentos forman centro de microvellosidades en el intestino delgado

0.25 µm

Figure 6.25

(b) Many bundles of microfilaments (green) are evident in this fluorescent LM of fibroblasts, cells found in connective tissue.

Plasma membrane

Microfilaments (actin filaments)

Intermediate filaments

Fig. 4-26b, p. 101

100 µm

• Forman matriz tridimensional (3D) justamente debajo de la membrana celular (corteza): mantenimiento de forma celular © 2014 Pearson Education, Inc.

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16

Biol 3051 Estructura Celular

Figure 6.26

Microfilamentos •

• •

•

En unión a la miosina (filamentos gruesos en músculos) llevan a cabo la contracción del mismo Contracción localizada de actina y miosina contribuyen en el movimiento ameboideo Pseudópodos (extensiones celulares) se pueden extender y contraer por el ensamblaje y destrucción de las subunidades de actina en los microfilamentos El llamado flujo citoplásmico (streaming)

Filamentos intermedios

•

Fuerza estructural y robustez del citoesqueleto Diámetro variable de 8 a 12 nm

•

Estabiliza la forma de la célula

•

•

Muscle cell 0.5 µm Actin filament Myosin filament Myosin head (a) Myosin motors in muscle cell contraction Cortex (outer cytoplasm): gel with actin network

Chloroplast

30 µm

(c) Cytoplasmic streaming in plant cells

100 µm

Inner cytoplasm (more fluid)

Extending pseudopodium (b) Amoeboid movement © 2014 Pearson Education, Inc.

Filamentos Intermedios

Son estructuras más permanentes que los microtúbulos y microfilamentos

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Citoesqueleto

Un motor de cinesina

Animación: Proteínas Motoras

Envoltura Celular

•

Glicocáliz (envoltura celular) • •

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Rodea a la célula Los polisacáridos se extienden y proyectan de la membrana plasmática hacia el exterior

18

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Matriz Extracelular

Matriz Extracelular (MEC) Funciones: apoyo estructural, adhesión, movimiento y regulación • Matrix Extracelular (MEC) •

• •

Rodea el exterior de muchas células animales Formada de carbohidratos y proteínas

Fibronectinas

•

•

•

Son las glicoproteínas que encontramos en la matriz extracelular (MEC) Se unen a las integrinas (proteínas)

•

Fibronectinas

Matriz extracelular

Integrina Filamento intermedio

Membrana plasmática

Microtubos

Citosol

Microfilamentos

Integrinas

•

Proteoglucano complejo

Colágeno

Proteínas receptoras en la membrana plasmática Fig. 4-28, p. 102

Figure 6.27

Pared Celular •

Secondary cell wall Primary cell wall

Celulosa y otros polisacáridos • •

Forman paredes celulares rígidas En células de bacterias, hongos, y plantas

Middle lamella

1 µm Central vacuole Cytosol Plasma membrane Plant cell walls

Plasmodesmata © 2014 Pearson Education, Inc.

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Uniones Celulares en Células Animales •

Tight junctions – Uniones apretadas • •

•

• •

•

•

Sellan las dos membranas Impiden movimiento de materiales entre las células

Gap junctions •

Uniones Celulares

formados de la proteína conexina forma canales entre las células permite comunicación entre las células

Desmosomas: uniones de anclaje; amarran células entre sí formando láminas fuertes de éstas.

Tight Junctions

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Uniones de Anclaje • •

•

Desmosomas •

•

desmosomas y uniones adherentes Entre células dispuestas en láminas o camadas de tejidos Equivalente a un remache que une físicamente las membranas de dos células

Uniones Adherentes • •

formadas por cadherinas Pega las células unas a otras

Uniones apretadas [“tight junctions”]

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Gap Junctions

Desmosomas Plasma membranes

0.25 µm

Intercellular space Intermediate filaments Protein filaments

Desmosome

Disc of dense protein material

Cell 1

Fig. 6-32c

Figure 6.30

Tight junctions prevent fluid from moving across a layer of cells.

Cell 2

Fig. 5-24, p. 127

Tight junction

TEM

0.5 µm

Tight junction Intermediate filaments Desmosome

Gap junction Ions or small molecules

1 µm Plasma membranes of adjacent cells

Extracellular matrix Space between cells

TEM

Desmosoma

Desmosome 1 µm (TEM)

0.1 µm

Gap junctions

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Uniones Celulares: Célula Vegetal Cell walls Interior of cell Interior of cell 0.5 µm

•

Plasmodesmata Plasma membranes

Plasmodesmos • •

•

Orificios en las paredes celulares canales que conectan las membranas plasmáticas de células adyacentes Permite el paso de algunos iones y moléculas

Cell 1 Cell walls Plasmodesmata Desmotubule Plasma membrane

Smooth ER

Cell 2 Fig. 5-27, p. 130

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