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Biol 3051 Estructura Celular
Dr. Fernando J. Bird-Picó - 2016 1
Capítulo 6:Organización Celular
Dr. Fernando J. Bird-Picó
Departamento de BiologíaRecinto Universitario de Mayagüez
Teoría Celular
(1) Las células son las unidades básicas de la estructura, organización y funcionamiento celular de losorganismos vivos
(2) Todas las células se originan de células(3) La estructura celular se relaciona a la
función celular(4) Todas las células vivientes han
evolucionado de un ancestro común
Homeostasis
• Las células eucariotas poseen variosorganelos , que son estructuras internasque llevan a cabo funciones específicasque ayudan a mantener el balance u homeostasis
Membrana Plasmática
• Membrana Plasmática o celular• 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.
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Importanciadel tamaño
celular
Figure 6.210 m
1 m
0.1 m
1 cm
1 mm
100 µm
10 µm
1 µm
100 nm
10 nm
1 nm
0.1 nm Atoms
Small molecules
LipidsProteins
Ribosomes
VirusesSmallest bacteria
MitochondrionMost bacteriaNucleus
Most plant andanimal cells
Human egg
Frog egg
Chicken egg
Length of somenerve andmuscle cells
Human height
Una
ided
eye
LM
EM
Super-resolution
microscopy
© 2014 Pearson Education, Inc.
Microscopía:
• Magnificación : la tasa o razón del tamaño de la imágen de un objeto a sutamaño real
• Resolución : medida de la claridad de la imágen o capacidad de distinguir la distancia mínima entre dos puntos
• Contraste : diferencia en claridad enpartes de una muestra
Microscopios
• Microscopiosde luz
• MicroscopiosElectrónicos
• Mejor poderde resolución
Figure 6.3
50 µm
10 µm
50 µ
m
10 µ
m
1 µm
2 µm 2 µm
Brightfield(unstainedspecimen)
Brightfield(stained specimen)
Phase-contrast Differential-interference-contrast(Nomarski)
Fluorescence Confocal (without) Confocal (with)
Deconvolution
Super-resolution(without)
Super-resolution(with)
Scanningelectronmicroscopy (SEM)
Transmissionelectronmicroscopy (TEM)
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Fraccionamiento Celular
• Permite la purificaciónde organelosutilizando diferentesmétodos para aislarlos
• Una vez aislados, se puede estudiar la función de estasestructuras celulares
• Centrifugación, tinción, marcado con moléculasfluorescentes, marcado con isótoposradioactivos, etc.
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Procariotas o Procariontes• Célula Procariota
• No poseen organelos con membranas en suorganización 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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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
Figure 6.6
(a) TEM of a plasma membraneOutside of cell
Insideof cell Carbohydrate side chains
Hydrophilicregion
Hydrophobicregion
Hydrophilicregion
Structure of the plasma membrane(b)
Phospholipid Proteins
0.1 µm
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Figure 6.7Surface area increases while
total volume remains constant
Total surface area[sum of the surface areas(height × width) of all boxsides × number of boxes]
5
11
6
6 6
150 750
1251251
1.2
Total volume[height × width × length× number of boxes]
Surface-to-volume(S-to-V) ratio[surface area ÷ volume]
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• Razón o tasa de Superficie a Volúmen• 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 tamañocelular
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Figure 6.8a
Flagellum
Centrosome
CYTOSKELETON:Microfilaments
Intermediate filamentsMicrotubules
Microvilli
Peroxisome
MitochondrionLysosome
Golgi apparatus
Ribosomes
Plasmamembrane
Nuclearenvelope
Nucleolus
Chromatin
NUCLEUS
ENDOPLASMICRETICULUM (ER)
Rough ER Smooth ER
Células de Plantas
• Características de las células vegetales• Poseen una pared celular rígida• Poseen plastidios• Presencia de vacuolas grandes• No poseen centríolos
Figure 6.8b
NUCLEUS
Nuclearenvelope
NucleolusChromatin Rough ER
Smooth ER
Ribosomes
Central vacuole
Microfilaments
MicrotubulesCYTOSKELETON
Chloroplast
Plasmodesmata
Wall of adjacent cell
Cell wall
Plasmamembrane
PeroxisomeMitochondrion
Golgiapparatus
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Figure 6.8c
Ani
mal
Cel
ls
Fun
gal C
ells
Pla
nt C
ells
Uni
cellu
lar
Euk
aryo
tes
Human cells from liningof uterus (colorized TEM)
Yeast cells budding(colorized SEM)
A single yeast cell(colorized TEM)
Cells from duckweed(colorized TEM)
Chlamydomonas(colorized SEM)
Chlamydomonas(colorized TEM)
Cell
NucleusNucleolus
Parentcell
BudsCell wall
Vacuole
Nucleus
Mitochondrion
Cell wall
Cell
Chloroplast
Mitochondrion
Nucleus
Nucleolus
Flagella
Vacuole
Cell wallChloroplast
Nucleus
Nucleolus
10 µ
m
5 µ
m
5 µ
m
1 µ
m
8 µ
m
1 µm Animación: Pared Celular en Plantas
Membranas Celulares
• Dividen la célula en compartimientos interiores
• Estructuras llamadas vesículastransportan materiales entre compartimientos
• Estas membranas son importantes en el proceso de almacenaje y conversión energética de la célula
• Algunas forman un sistema de endomembranas
Núcleo
• Centro de Control y Comando de la célula• Información genética codificada en el DNA
• Envoltura Nuclear• Estructura de doble membrana que separa al
núcleo del citoplasma
• Poros Nucleares• Permiten comunicación con el citoplasma
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Estructuras encontradas en el núcleo
• Cromatina• Compuesta de DNA y proteínas
• Cromosomas• Compuestos de DNA en forma compacta con
proteínas (histonas) previo a la división celular
• Nucleolo• Síntesis del RNA ribosomal (rRNA)• Ensamblaje de los ribosomas ocurre aquí
• Lámina nuclear : compuesta de proteínas, mantiene la forma del núcleo
Figure 6.91 µm Nucleus
NucleolusChromatin
Nuclear envelope:Inner membrane
Outer membrane
Nuclear pore
Nucleus
RoughER
Chromatin
Nuclear lamina (TEM)
Close-upof nuclearenvelope
Pore complexes (TEM)
0.25
µm
0.5 µ
m
Porecomplex
Ribosome
Surface ofnuclear envelope(TEM)
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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
© 2014 Pearson Education, Inc.
Figure 6.10
RibosomesER
TEM showing ERand ribosomes
Free ribosomes in cytosolEndoplasmicreticulum (ER)
Ribosomes bound to ERLarge subunit
Small subunit
Diagram of aribosome
Computer modelof a ribosome
0.25 µm
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Síntesis de Proteínas Sistema de endomembranas regula el movimiento de proteínas y lleva a cabo
funciones metabólicas en la célula
• 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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Retículo E ndoplásmico (RE)
• Red de membranas continuas con la envoltura nulear• sus membranas hacen mas de la mitad de la cantidad de
membranas que encontramos en la célula eucariota• en el citosol
• RE Liso• 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© 2014 Pearson Education, Inc.
Figure 6.11
Smooth ER
Rough ER Nuclearenvelope
ER lumenCisternae
Ribosomes
Transport vesicle
TransitionalER
Smooth ER Rough ER
0.20 µm
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Complejo de Golgi
• Compuesto de Cisternas: estibas de sacosmembranosos aplanados
• Procesamiento de proteínas sintetizadas por el RE
• Producción de lisosomas:• Saco membranoso que contiene enzimas hidrolíticas
que pueden digerir macromoléculas tales comoproteínas, grasas, ácidos nucléicos y polisacáridos
• Autofagia o sacos suicidas de de Duve
Figure 6.12
0.1 µm
TEM of Golgi apparatus
Cisternae
Golgiapparatus
cis face(“receiving” side ofGolgi apparatus)
trans face(“shipping” side of Golgi apparatus)
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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© 2014 Pearson Education, Inc.
Figure 6.13
1 µm
(a)
NucleusVesicle containingtwo damagedorganelles
Mitochondrionfragment
Peroxisomefragment
Lysosome
Peroxisome
MitochondrionVesicle
Digestion
Autophagy: lysosome breaking downdamaged organelles
(b)
Digestion
Phagocytosis: lysosome digesting food
Foodvacuole
Plasmamembrane
Digestiveenzymes
Lysosome
Lysosome
1 µm
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Vesículas de Transporte
• 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
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Figure 6.15
Smooth ER
Nucleus
Rough ER
cis Golgi
trans Golgi
Plasmamembrane
Vacuolas
• Vacuolas• Compartimientos celulares con diversas
funcionesVacuolas alimenticias : fagocitosisVacuolas contráctiles : en protistas
dulceacuícolas para mantener balance hídricoVacuolas centrales : en células vegetales
maduras para almacenar agua y compuestos orgánicos
Figure 6.14
5 µm
Central vacuole
Nucleus
Cell wall
Chloroplast
Centralvacuole
Cytosol
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Mitocondrios y Cloroplastos: transformación de energía
• Mitocondrios y Cloroplastos: • no son parte del sistema de endomembranas• Poseen estructura de membrana doble• Poseen su propio DNA• Proteínas sintetizadas por ribosomas libres
• 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
Figure 6.16Endoplasmicreticulum
Nucleus
Nuclearenvelope
Ancestor ofeukaryotic cells (host cell)
Engulfing of oxygen-using nonphotosyntheticprokaryote, whichbecomes a mitochondrion
Nonphotosyntheticeukaryote
Engulfing ofphotosyntheticprokaryote
Mitochondrion
Mitochondrion
Chloroplast
Photosynthetic eukaryote
At leastone cell
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Mitocondrios• En casi todas las células eucariotas• Se lleva a cabo la respiración celular
aeróbica• Estructura de doble membrana
• Membrana interna plegada (cristas: proveesuperficie amplia para enzimas que sintetizanATP)
• matriz (en cristas y compartimientos internos)
• Importante en el proceso de apoptosis• Muerte celular programada
Figure 6.17a
MitochondrionIntermembranespace
Outermembrane
DNA
Innermembrane
Freeribosomesin themitochondrialmatrix
Cristae
Matrix
Diagram and TEM of mitochondrion0.1 µm
(a)
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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
• 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
• 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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Figure 6.18a
Fotosíntesis
• Clorofila• Pigmento verde en las membranas del tilacoides
• Responsable de atrapar energía lumínica
• Esta energía de luz se convierte a energía química enmoléculas de ATP
• Este último se utiliza para sintetizar carbohidratos a partir de dióxido de carbono y agua
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Peroxisomas: Oxidación• Compartimientos
especializados de una sólamembrana
• Producen y degradanperóxido de hidrógeno (poracción de la enzima catalasa) y lo convierten en agua
• Utilizan oxígeno para romper diferentes tipos de moléculas
• Glioxisoma : peroxisomaespecializado en célulasvegetales para la oxidaciónde ácidos grasos
Citoesqueleto
• Es una red de fibras que se extiende portodo el citoplasma
• Organiza las estructuras celulares y susactividades fisiológicas, sirviendo de anclapara inmovilidar a los organelos
• Se compone de tres tipos de estructurasmoleculares:
• Microtúbulos (o simplemente microtubos)• Microfilamentos• Filamentos intermedios
Table 6.1
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Fig. 6-20
Microtubule
Microfilaments0.25 µm
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Citoesqueleto: Apoyo estructural, motilidad y regulación
• 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
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Figure 6.21
0.25 µmVesiclesMicrotubule
SEM of a squid giant axon(b)
(a) Motor proteins “walk” vesicles along cytoskeletalfibers.
(a)
Motor protein(ATP powered)
Microtubuleof cytoskeleton
Receptor formotor protein
VesicleATP
Citoesqueleto• 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
Table 6.1b
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Microtúbuloso
Microtubos
Centrosomas y Centríolos• En muchas células, los microtúbulos crecen
desde el centrosoma cerca del núcleo• El centrosoma es el MTOC (“microtubule-
organizing center”)• En las células animales, el centrosoma
posee un par de centríolos , cada uno con nueve (9) tripletas de microtúbulosdispuestos en forma de anillo (circular)
Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings
Centrosoma
• 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)
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Figure 6.22
0.25 µm
Microtubule
Centrioles
Centrosome
Longitudinalsection of onecentriole Microtubules
Cross sectionof the other centriole
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Centríolos Cilios y Flagelos: controlados por microtúbulos
• 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:
• Cuerpo basal que los ancla a la célula• Microtúbulos dispuestos en arreglo 9+2• Motor de dineína que logra el movimiento
Figure 6.23
5 µm
15 µm
(a)
(b)
Motion of flagella
Motion of cilia
Direction of swimming
Direction of organism’s movement
Power stroke
Recoverystroke
© 2014 Pearson Education, Inc. © 2014 Pearson Education, Inc.
Figure 6.24
0.1 µm
0.5 µm
0.1 µm
Microtubules
Plasmamembrane
Basalbody
Longitudinal sectionof motile cilium
(a)
Triplet
Cross section ofmotile cilium
(b)
Outer microtubuledoublet
Motor proteins(dyneins)Centralmicrotubule
Radial spoke
Cross-linkingproteins betweenouter doublets
Plasmamembrane
Cross section of basal body(c)
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Fig. 6-25Microtubuledoublets
Dyneinprotein
ATP
ATP
(a) Effect of unrestrained dynein movement
Cross-linking proteinsinside outer doublets
Anchoragein cell
(b) Effect of cross-linking proteins
1 3
2
(c) Wavelike motion
Microfilamentos
• 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
• Grupos de microfilamentosforman centro de microvellosidadesen el intestinodelgado
Figure 6.25
Microvillus
Plasma membrane
Microfilaments (actinfilaments)
Intermediate filaments
0.25
µm
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• Forman matriz tridimensional (3D) justamente debajo de la membrana celular (corteza): mantenimiento de forma celular
Fig. 4-26b, p. 101
(b) Many bundles of microfilaments (green) are evident in thisfluorescent LM of fibroblasts, cells found in connective tissue.
100 µm
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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)© 2014 Pearson Education, Inc.
Figure 6.26
Muscle cell0.5 µm
Actinfilament
Myosinfilament
Myosinhead Chloroplast
(a)
(b)
(c)Myosin motors in muscle cell contraction Cytoplasmic streaming in plant cells
Amoeboid movement
Extendingpseudopodium
Cortex (outer cytoplasm):gel with actin network
Inner cytoplasm(more fluid)
100 µm
30 µm
Filamentos intermedios
• Fuerza estructural y robustez del citoesqueleto• Diámetro variable de 8 a 12 nm
• Estabiliza la forma de la célula
• Son estructuras más permanentes que los microtúbulos y microfilamentos
Filamentos Intermedios
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Citoesqueleto Un motor de cinesina
Animación: Proteínas Motoras
Envoltura Celular
• Glicocáliz (envoltura celular)• Rodea a la célula• Los polisacáridos se extienden y proyectan
de la membrana plasmática hacia el exterior
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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)
• Integrinas• Proteínas receptoras en la membrana plasmática
Fig. 4-28, p. 102
Membranaplasmática
Colágeno
Fibronectinas
Integrina
Filamentointermedio
Microtubos
Matrizextracelular
Citosol
Matriz Extracelular
Microfilamentos
Proteoglu-cano complejo
Pared Celular
• Celulosa y otros polisacáridos• Forman paredes celulares rígidas• En células de bacterias, hongos, y plantas
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Figure 6.27
Secondarycell wall
Primarycell wall
Middlelamella
Central vacuole
Cytosol
Plasma membrane
Plant cell walls
Plasmodesmata
1 µm
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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• 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.
Uniones Celulares
• Uniones de Anclaje• desmosomas y uniones adherentes • Entre células dispuestas en láminas o camadas de
tejidos
• Desmosomas • Equivalente a un remache que une físicamente las
membranas de dos células
• Uniones Adherentes• formadas por cadherinas• Pega las células unas a otras
Tight Junctions Uniones apretadas [“tight junctions”]
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Gap Junctions
Fig. 5-24, p. 127
0.25 µm
Plasmamembranes
Intercellularspace
Intermediatefilaments
Proteinfilaments
Disc ofdense proteinmaterial
Cell 1 Cell 2
Desmosome
Desmosomas
Fig. 6-32c
Desmosoma1 µm
Figure 6.30Tight junctions preventfluid from movingacross a layer of cells.
Tightjunction
TEM 0.5 µm
Tight junction
Desmosome
Intermediatefilaments
Gapjunction
Ions or smallmolecules
Plasmamembranes ofadjacent cells
Spacebetween cells
Extracellularmatrix
Desmosome(TEM)
1 µm
0.1 µmGap junctions
TE
M
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Uniones Celulares: Célula Vegetal
• Plasmodesmos• Orificios en las paredes celulares• canales que conectan las membranas
plasmáticas de células adyacentes• Permite el paso de algunos iones y moléculas
Interiorof cell
Interiorof cell
0.5 µm Plasmodesmata Plasma membranes
Cell walls
Fig. 5-27, p. 130
Cell walls
Smooth ER
Cell 2
Cell 1
Plasmamembrane
Desmotubule
Plasmodesmata