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AURORA APARICIO MANRIQUE
BIOLOGÍA 2º BACH
TEMA 11: ORGANIZACIÓN CELULAR.
ENVUELTAS CELULARES
1. LA TEORÍA CELULAR
2. LA FORMA DE LAS CÉLULAS
3. EL TAMAÑO DE LAS CÉLULAS
4. ORGANIZACIÓN CELULAR
5. ORGANIZACIÓN DE UNA CÉLULA EUCARIÓTICA:
CÉLULAS ANIMALES Y VEGETALES
6. MEMBRANA PLASMÁTICA:
Composición química, estructura y funciones
7. MEMBRANAS DE SECRECION
7.1- matriz extracelular o glucocalix
7.2- pared celular
1.
TEORÍA CELULAR
Las sustancias químicas estudiadas en el nivel molecular se pueden organizar
en unidades elementales dotadas de vida propia que llamamos células.
El conocimiento de la existencia de las células data de mediados del siglo XVII.
Robert Hoocke, en 1665 realizó observaciones de tejidos vegetales mediante un
microscopio que producía unos 50 aumentos que él mismo había construido. Observó
el corcho que estaba formado por un conjunto de celdillas que se parecían a un panal.
A cada unidad constituyente la puso el nombre de célula.
La mayor parte del conocimiento sobre la célula data del siglo XIX. El avance en
el estudio se debió a la mejora de las técnicas de preparación microscópica y también
gracias a la mejora de la microscopía.
El resultado de los sucesivos descubrimientos cristalizaron con la "teoría
celular" establecida por el botánico Schleiden y el zoólogo Schwann entre 1.838 y
1.839. Los postulados fundamentales de esta teoría son los siguientes:
TEMA 11. ENVUELTAS CELULARES -1
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1º.
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Todos los seres vivos están compuestos por una o más células.
La célula es la unidad estructural o morfológica de todos los seres vivos.
Cualquier órgano o tejido de un ser vivo está formado por células, por tanto el ser vivo
se puede considerar el resultado de la asociación de miles de células organizadas de
una forma característica y diferenciadas específicamente.
2º. Las células solo pueden aparecer a partir de la división de otras
células preexistentes
La célula es la unidad vital: es la forma más elemental con vida, todo elemento
o nivel inferior carece de vida. Además la célula no es una asociación de partes sino
que es un conjunto organizado en una unidad con propiedades propias que en
ningún caso es la suma de sus componentes. Cualquier estructura subcelular
carece de vida propia.
3º. La célula es capaz de realizar todos los procesos metabólicos
necesarios para permanecer con vida
La célula es la unidad funcional: la célula por si misma es capaz de realizar
todas las funciones vitales, nutrición, relación y reproducción y por tanto es la unidad
mínima capaz de sobrevivir por si misma.
4º.La célula contiene toda la información genética capaz de transmitirla a
sus descendientes creando células exactas a la original.
La célula es la unidad genética con vida: todos los seres pluricelulares tienen
su origen en una única célula y por tanto cada célula es capaz de segmentarse,
dividirse y dar lugar a células hijas con idénticas características que la original.
En resumen, la teoría celular se deduce que la célula es la unidad morfológica,
fisiológica y genética de todos los seres vivos.
El conocimiento de la célula ha ido pareja con el perfeccionamiento de los
medios de observación óptica (microscopios). Han sido especialmente revolucionarios
los conocimientos adquiridos sobre la célula a partir de la implantación de la
microscopía electrónica inventado por el alemán Ruska en 1932 y perfeccionado
posteriormente para su uso en microbiología en 1952.
TEMA 11. ENVUELTAS CELULARES -2
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2.
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LA FORMA DE LAS CELULAS
La forma de las células es muy variada debido a las presiones ejercidas entre
ellas o a adaptaciones en su función.
Las células con forma definida pueden ser redondeadas, elípticas, fusiformes,
estrelladas, prismáticas, aplanadas, etc. Incluso algunas células no tienen una forma
fija, permanente.
Las células epiteliales de los animales y muchas células de los vegetales tienen
formas poliédricas o prismáticas.
En las fibras musculares lisas son fusiformes; en el tejido óseo y las células
nerviosas muestran aspecto estrellado.
En las células vegetales y en las bacterias, que presentan una pared de
secreción rígida, presentan formas muy estables, poco o nada deformables y
frecuentemente de formas rectas.
En resumen, las formas de las células están determinadas básicamente por su
función y pueden variar más o menos en relación con la presencia o ausencia de pared
celular rígida, del tipo de citoesqueleto que posean, de los fenómenos osmóticos, de
las tensiones originadas al unirse a otras células, etc.
3.
EL TAMAÑO DE LAS CELULAS
Su tamaño también varía, y varía bastante, desde los micoplasmas que miden
0'1 micras hasta los 10 cm. de longitud de la Acetabularia, un alga unicelular.
│
CELULA
TAMAÑO
│Micoplasma
0'1 micra
│Estafilococo
1 micra
│Escherichia coli
5 micras
│Eritrocito
7 micras
│Espermatozoide humano
40 micras
│Ovulo humano
100 micras
│Célula nerviosa (sin axón)
120-160 micras
│Ameba
1 cm
│Fibra musculares estriadas
2-6 cm
│Ovulo gallina
3 cm
│Acetabularia
10 cm
└───────────────────────────
1 micra = 1 milésima de milímetro
1 nanómetro = milésima de micra 10-9
1 angstrom = dies milésima de micra, 10-10
TEMA 11. ENVUELTAS CELULARES -3
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4. ORGANIZACION CELULAR
Según el grado de diferenciación estructural alcanzado se han establecido
diferentes niveles de organización celular.
1. Organización metacítica, propia de las células de organización compleja,
caracterizadas por la limitación del núcleo con respecto al citoplasma por lo que
denominan "células eucarióticas". Tanto animales como plantas, hongos, algas
y protozoos presentan células eucariotas.
2. Organización protocítica, que se caracteriza por su simplificación, pues en
ellas faltan muchas estructuras, en especial la membrana nuclear que separa al
núcleo del citoplasma, que poseen los anteriores. Presentan esta organización
las bacterias y cianobacterias.
3. Organización acelular. Son los virus que presentan una organización que
queda reducida a un filamento de ácido nucleido protegido por una envoltura
(cápsula).
5. ORGANIZACIÓN DE UNA CÉLULA EUCARIÓTICA:
CÉLULAS ANIMALES Y VEGETALES
En toda célula eucariótica podemos distinguir tres partes: la membrana
plasmática, el citoplasma y el núcleo.
- Envoltura
- Glucocalix
- Membrana Plasmática
Célular
- Pared celular
- Hialoplasma
- Citoplasma
- Morfoplasma
- Núcleo
REL
RER
AG
Ribosomas
Vacuolas
Envoltura nuclear o membrana nuclear
Nucleoplasma
Cromátina
Nucleolo
TEMA 11. ENVUELTAS CELULARES -4
Mitocondrias
Lisosomas
Centriolo
Plastos
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Todas las células eucarióticas tienen una estructura común, pero se pueden
distinguir dos tipos de células: animales y vegetales. Las principales diferencias entre
ellas son:
a) Las células vegetales
están recubiertas de
una
pared
celular
gruesa construida con
celulosa.
En
el
citoplasma
suelen
presentar una gran
vacuola que provoca
que el núcleo se
desplace
hacia
la
periferia
celular.
Tienen plastos para el
almacenamiento
de
sustancias
y
para
realizar la fotosíntesis.
b) Las células animales carecen
de pared celular celulósica.
Las vacuolas son pequeñas, el
núcleo con frecuencia es
central y presentan centriolos.
Muchas
células
animales
tienen además cilios o flagelos.
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1. LA MEMBRANA PLASMÁTICA
La membrana plasmática es la envoltura celular que aparece en todas las
células, tanto animales como vegetales y tanto en eucariotas como procariotas. En
algunas células, la membrana plasmática puede hallarse recubierta por una gruesa
envoltura llamada "membrana de secreción", cuyo aspecto y constitución varía según
se trate de células animales o de células vegetales.
Composición Química
•
•
•
LÍPIDOS: Constituyen el 40% de los componentes de la membrana. Los más
abundantes son los fosfolípidos. También hay, aunque en menor proporción,
colesterol y glucolípidos.
PROTEÍNAS: El52%. Algunas son enzimas y otras son proteínas estructurales.
GLÚCIDOS: Constituyen el 8%. Se asocian a lípidos (glicolípidos) o a proteínas
(glicoproteínas).
Estructura
En el microscopio electrónico, la membrana se observa formada por tres capas
de diferente densidad electrónica: una capa clara cuya densidad electrónica
corresponde a la de los lípidos y otras dos capas opacas de densidad igual a la de las
proteínas. El espesor de la membrana plasmática es de unos 75 Ä, de los cuales 20 Ä
corresponden a cada una de las capas de proteína y 35 Ä para los lípidos.
De acuerdo con estas observaciones Danielli (1.954), formuló un modelo de
membrana que fue confirmado y completado por Robertson (1.957). Y posteriormente,
en 1972, Singer y Nicholson propusieron el que llamaron el modelo del mosaico
fluido que se mantiene en vigor actualmente. En este modelo se considera a la
membrana plasmática como un mosaico formado por piezas que se pueden mover.
Los fosfolípidos se disponen formando una bicapa debido a su carácter
anfipático con los extremos no polares (hidrófobos) enfrentados y los extremos polares
(hidrófilos) dirigidos hacia las interfases. Las cabezas hidrofílicas se disponen
orientadas hacia las partes exteriores de la membrana, es decir en contacto con el
medio extracelular y el interior de la propia célula. Y las partes lipófilas (zona de las
cadenas hidrocarbonadas de los ácidos grasos) se disponen enfrentadas y protegidos
del agua en el centro de la estructura.
TEMA 11. ENVUELTAS CELULARES -6
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El aspecto más novedoso del modelo de mosaico fluido es que introduce el
aspecto de la movilidad. Las moléculas de fosfolípidos tienen varios tipos de
movimientos: pueden girar sobre si mismas, intercambiar su posición con otras
moléculas de la misma monocapa, o realizar movimientos llamados de flip-flop
consistentes en el intercambio de posición entre moléculas de distinta monocapa ( este
último movimiento requiere la presencia de enzimas llamas flipasas). Esta movilidad de
las moléculas origina una fluidez en la membrana de forma que puede adaptarse a las
condiciones del medio y a las funciones características de la membrana. Por ejemplo
permite la entrada y salida de sustancias de pequeño volumen, la pérdida o la adicción
de un fragmento de membrana, etc.
El colesterol se une a los fosfolípidos y evita el excesivo movimiento de las
moléculas y de esta forma da estabilidad a toda la membrana. También impide que los
lípidos se unan entre sí lo que provocaría la ruptura de la bicapa por cristalización. En
general el colesterol endurece la membrana reduciendo su fluidez y permeabilidad.
Las proteínas suelen ser globulares. Se disponen de tal forma que los radicales
polares de los aminoácidos quedan fuera de la membrana, en contacto con el agua
intra o extracelular; y los radicales apolares quedan estableciendo contacto con los
lípidos de la membrana. Las proteínas también pueden moverse por la membrana,
pero su difusión es más lenta por su mayor volumen molecular. Según su posición en
la membrana, las proteínas se clasifican en:
Proteínas periféricas o extrínsecas: Se unen a los lípidos mediante enlaces
covalentes o a las proteínas por puentes de H. Se localizan a ambos lados de
la membrana, tanto hacia el interior como hacia el exterior.
Proteínas intrínsecas o integrales que están íntimamente asociadas a los
lípidos. Embutidas en la bicapa total o parcialmente. Algunas atraviesan
completamente la membrana, se llaman proteínas transmembranosas.
Los glúcidos se ensamblan en la periferia de la membrana Se trata de
moléculas sencillas de oligosacáridos que se unen a lípidos o a proteínas formando
respectivamente glucolípidos o glucoproteínas. Siempre se disponen en la cara que da
al medio extracelular. En ocasiones, especialmente en células animales su espesor da
origen a una envuelta de secreción llamada glucocalix. Tienen importantes funciones
como facilitar la unión entre células vecinas y el reconocimiento de señales químicas
(como en el caso del espermatozoide que reconoce al óvulo de la misma especie
precisamente gracias a los glucolípidos de membrana).
TEMA 11. ENVUELTAS CELULARES -7
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La estructura de la membrana es asimétrica porque no tiene los mismos
componentes a ambos lados, pero además la distribución de los fosfolípidos y de las
proteínas no es homogénea por toda la membrana ni de una cara a otra. Esta
estructura de la membrana, así como la movilidad de sus componentes permite
explicar la autorreparación de la membrana, la capacidad para fusionarse con otra
membrana, la posibilidad de perder un sector de la membrana para formar vesículas y
el transporte de las sustancias a través de la membrana.
La estructura y composición que hemos visto aparece también en el interior de
la célula rodeando a los distintos orgánulos citoplasmáticos, por lo que se llama
"membrana unitaria".
FUNCIONES
La membrana plasmática es la frontera física entre el medio intra y extracelular.
Regular el paso de sustancias, controlando el transporte.
Mantener la diferencia de potencial entre el medio interno y el externo de la
célula.
Realizar los procesos de endocitosis y fagocitosis.
Receptores de membrana. Ciertas moléculas de la membrana permiten la
captación de moléculas mensaje y por tanto la recepción de estímulos externos
ante los que puede reaccionar la célula.
Las moléculas tienen diversos medios para atravesar la membrana. El
mecanismo es muy distinto según que se trate de moléculas de bajo peso
molecular o de macromoléculas.
1. TRANSPORTE
La membrana supone una barrera física entre el medio externo y el interno, pero
además es también una barrera química porque la mayoría de las sustancias son
solubles y no pueden pasar a través de la barrera que forman los lípidos. Por todo
ello, la membrana regula el intercambio de moléculas entre el medio externo e
interno. Podemos agrupar las formas de transporte en tres tipos: transporte pasivo,
transporte activo y transporte de macromoléculas.
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A)
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El transporte pasivo
Se realiza sin consumo de energía, de forma espontánea. Siempre se realiza a
favor de un gradiente:
. Gradiente de concentración: al haber diferente concentración a un lado y
otro de la membrana, las sustancias se dirigen del medio más concentrado al
medio menos concentrado.
. Gradiente eléctrico: al haber diferente carga eléctrica a ambos lados de la
membrana. El medio externo es positivo respecto al medio interno celular que
es negativo. Por simple difusión los iones con carga positiva entran en la célula,
mientras que los iones negativos salen de ella.
. Gradiente electroquímico: Es la conjugación del gradiente de concentración y
el eléctrico.
El transporte pasivo puede darse por medio de varios fenómenos:
• Por difusión simple. Al haber una diferencia de gradiente (de concentración,
o eléctrico o electroquímico) a ambos lados de la membrana ciertos sólidos de
pequeño tamaño pueden pasar de la región más concentrada a la menos
concentrada. Por ejemplo, muchas sustancias apolares pasan libremente a
través de la capa de lípidos. Este es el caso por ejemplo de pequeñas
hormonas esteroides, del O2, la urea, etc. Este tipo de transporte es tanto
más rápido cuanto menor sea el tamaño de la molécula, cuanto mayor el
gradiente y cuanto más apolar sea la sustancia que ha de atravesar la
membrana.
• Por difusión facilitada: Las moléculas polares (azúcares, aminoácidos,
nucleótidos, glucosa, sacarosa, etc) atraviesan la membrana gracias a la
presencia de proteínas transportadoras o permeasas a las que se unen de
forma específica. La sustancia que va a ser transportada se une a la proteína
específica formando un complejo y posteriormente se separa de la proteína.
Un ejemplo, es el colesterol que se incorpora así a la célula, de manera que
hay personas que carecen de proteínas receptoras de membrana para
colesterol y esto hace que se vaya acumulando en la sangre, lo que
predispone a la hipercolesterolemia y a la arterioesclerosis.
• Por ósmosis: Las membranas biológicas son de tipo semipermeable de
manera que permiten el paso del agua hacia el medio más concentrado.
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B)
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El transporte activo
Se realiza en contra de un gradiente de concentración y eléctrico por lo que
supone un gasto de energía para la célula que consigue mediante la hidrólisis de ATP.
La bomba de sodio-potasio es el ejemplo mejor estudiado de transporte
activo; todas las células tienen que mantener un fuerte gradiente eléctrico en la
membrana de manera que el interior la célula es eléctricamente negativa, mientras
que en el exterior predominan las cargas positivas.
Este gradiente eléctrico o potencial de membrana es imprescindible para que
puedan llevarse a cabo determinadas funciones como la contracción muscular, la
transmisión nerviosa, la captación de estímulos externos, la entrada de iones positivos
mediante transporte pasivo etc... y permite que entren por transporte pasivo iones y
moléculas cargadas positivamente.
Para mantener el potencial de membrana existe una enzima ATP-asa-NaK+ o
bomba sodio-potasio que es una proteína transmembranosa y que se encarga de
bombear constantemente iones Na+ hacía el exterior de la célula de manera que la
concentración de este ión en el exterior es muy elevada frente al interior. Acoplado a
este proceso se encarga de bombear iones K+ hacia el interior y así la concentración
de este ión es muy superior en el interior de la célula. La enzima tiene actividad ATPasa o sea que hidroliza ATP, obteniendo la energía necesaria para el bombeo.
Por cada ATP que se gasta se transportan 3 iones NA+ hacia el exterior y 2
iones K+ hacia el interior.
Otra enzima acoplada a este proceso llamada canal de fuga de potasio permite
la salida de K+ hacia el exterior de la célula colaborando en la acumulación de cargas +
en el exterior de la célula quedando el interior cargado negativamente.
Para que funcione este mecanismo, la célula gasta la tercera parte de ATP que
obtiene y en células nerviosas, en las que se restablecen continuamente el potencial
de membrana el gasto puede llegar a suponer el 70% del total.
TEMA 11. ENVUELTAS CELULARES -10
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C)
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Transporte de macromoléculas
Las células tienen otros mecanismos para incorporar o expulsar compuestos de
mayor tamaño, por medio de deformaciones de la membrana.
La endocitosis es el proceso mediante el cual se incorporan a la célula
partículas de elevado peso molecular por medio de una invaginación de la membrana
en la que quedan incluidas. La invaginación va haciéndose más profunda hasta
formarse una cavidad que acabará por desprenderse de la superficie formándose una
vesícula de endocitosis (o endosoma). Esta vesícula, cuya pared es un fragmento de
membrana plasmática, va adentrándose en la célula hasta que queda totalmente
dentro y separada de la membrana. En esta vesícula, ahora llamada vacuola digestiva,
se realiza la digestión del contenido por vía enzimática.
Según el tamaño de las partículas pueden distinguirse dos tipos de endocitosis:
• Fagocitosis: si se capturan partículas sólidas de gran tamaño que servirán de
alimento o incluso ingiere microorganismos (+ de 0,1mm). En los seres
unicelulares y en los de constitución muy simple este proceso representa la
función principal por la cual la célula toma el alimento del exterior. En los
animales superiores la actividad fagocítica es realizada por células
especializadas en ello, como los glóbulos blancos; estas células engloban y
digieren gérmenes y partículas sólidas perjudiciales, por tanto cumplen una
función de defensa.
• Pinocitosis: si son gotitas de líquido con o sin partículas sólidas, y en todo caso
es de pequeño tamaño.
La exocitosis es un proceso contrario a la endocitosis. Las vesículas se fusionan con
la membrana y se abren al exterior expulsando su contenido.
2. PERCEPCIÓN DE SEÑALES QUÍMICAS
Algunas proteínas que aparecen en la membrana actúan como receptores de
señales externas. Se denominan genéricamente receptores de membrana. Cada
proteína reconoce de forma específica a una determinada molécula-mensaje. Tras
producirse la unión entre el receptor de membrana y la molécula mensaje, en el interior
de la célula se desencadena una serie de reacciones químicas en cascada que en
último término provocan un cambio de la actividad celular.
Cada célula del organismo tiene numerosos receptores de membrana
específicos y responde a unas determinadas señales químicas.
TEMA 11. ENVUELTAS CELULARES -11
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2. MEMBRANAS DE SECRECIÓN
2.1. LA MATRIZ EXTRACELULAR O GLUCOCALIX
La mayoría de las células en los animales pluricelulares están rodeadas de un
entramado de macromoléculas que sintetizan y segregan las propias células y que
forman la matriz extacelular o glucocalix. La matriz está compuesta por una
solución gelatinosa muy hidratada de naturaleza glucoproteica (proteoglucanos,
principalmente el ácido hialurónico) que constituye la sustancia fundamental amorfa y
una red de fibras proteicas de colágeno y elastina que confieren elasticidad.
Las funciones de la matriz son:
Formar un cemento que sirve para unir las células que forman un mismo tejido
Dar consistencia, elasticidad y resistencia a los tejidos.
Protección mecánica y química de las células.
Reconocimiento y captación de señales químicas o reconocimiento celular, etc.
Las cadenas de oligosacáridos actúan como señales de reconocimiento. Por
ejemplo:
En la fecundación, los espermatozoides reconocen a los gametos
femeninos de su especie mediante sus receptores de membrana.
Muchos virus y bacterias reconocen a las células a las que infectan
uniéndose previamente a sus receptores.
Las células similares se reconocen mediante receptores de membrana,
adhiriéndose entre ellas para formar tejidos.
2.2.
PARED CELULAR
Es una forma especializada de matriz extracelular, pero más gruesa, resistente
y rígida. Se encuentra adosada a la parte externa de la membrana plasmática de las
células vegetales.
La composición química de la pared es básicamente similar de unas células a
otras: aparecen fibras largas formadas por celulosa unidas por una matriz o cemento
compuesto de agua, sales minerales, hemicelulosa y pectina.
Celulosa: Las moléculas de celulosa se unen entre sí por medio de puentes de
Hidrógeno dando lugar a microfibrillas.
Hemicelulosa, es un polisacárido que se une a la celulosa formando puentes
cruzados que unen unas microfibrillas de celulosa con otras.
Pectinas, son polisacáridos muy ramificados que forman un denso entramado
que une las fibrillas de celulosa.
TEMA 11. ENVUELTAS CELULARES -12
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La estructura: En las células vegetales jóvenes la pared celular es fina y está
formada por una capa de pectina. A esta primera capa se le llama lámina media y
sirve de unión entre células vecinas. A medida que la célula va creciendo se van
depositando láminas formadas por una red de fibras de celulosa unidas por un
entramado de pectinas y hemicelulosa. Se forma así la pared primaria que en general
consta de tres láminas. La pared primaria es características de las células que están en
crecimiento.
En la célula vegetal madura puede conservarse la lámina media y la pared
primaria y suelen aparecer nuevas capas que forman la pared secundaria. Las capas
que forman la pared secundaria suelen ser 3, pero en ocasiones llegan a 20. En ellas
predominan las microfibrillas de celulosa que se ordenan de forma paralela en cada
capa y carecen de pectinas. Cada capa se van superponiendo a la anterior, y en cada
capa cambia la orientación de las microfibrillas de celulosa.
La pared celular adulta puede experimentar modificaciones en su composición
química adaptándose así a su función. Ejemplos:
lignificación, pared celular con fuertes impregnaciones de lignina en células
que forman los vasos conductores
suberización, impregnaciones de suberina en células de la epidermis. Da
lugar al corcho.
cutinización, es un depósito de cutina sobre la superficie de las células
epidérmicas; es lo que produce el brillo de hojas y frutos.
-mineralización o depósito de carbonato cálcico o sílice en la pared celular.
Suele producirse a nivel de las células epidérmicas de muchas hojas.
La pared celular presenta una serie de conductos que le atraviesan y que
permiten el intercambio de sustancias entre células vecinas, se denominan
plasmodesmos. Son conductos a través de la pared celular que contienen una
porción de membrana plasmática de las células vecinas que se comunican y por el
centro del plasmodesmo pasa un tubo que es continuación del retículo
endoplasmático.
La función de la pared vegetal es dar forma y rigidez a la célula impidiendo su
ruptura. Cuando la célula vegetal muere, permanece la pared celular formando un
exoesqueleto que sirve a muchas plantas como tejido de sostén, permitiéndoles
alcanzar gran altura.
TEMA 11. ENVUELTAS CELULARES -13