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| Esta figura muestra una célula animal típica y una célula vegetal típica. |
La membrana plasmática
Al igual que las procariotas, las células eucariotas tienen una membrana plasmática compuesta por una bicapa de fosfolípidos con proteínas incrustadas que separa el contenido interno de la célula de su entorno circundante. Un fosfolípido es una molécula lipídica compuesta de dos cadenas de ácidos grasos, un esqueleto de glicerol y un grupo fosfato. La membrana plasmática regula el paso de algunas sustancias, como las moléculas orgánicas, los iones y el agua, evitando el paso de algunas para mantener las condiciones internas, mientras que activa o elimina otras. Otros compuestos se mueven pasivamente a través de la membrana.
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| La membrana plasmática es una bicapa de fosfolípidos con proteínas incrustadas. Hay otros componentes, como el colesterol y los carbohidratos, que se pueden encontrar en la membrana además de los fosfolípidos y las proteínas. |
Las membranas plasmáticas de las células que se especializan en la absorción se pliegan en proyecciones en forma de dedos llamadas microvellosidades (singular = microvellosidades). Este plegado aumenta el área superficial de la membrana plasmática. Dichas células se encuentran típicamente en el intestino delgado, el órgano que absorbe los nutrientes de los alimentos digeridos. Este es un excelente ejemplo de forma que coincide con la función de una estructura.
Las personas con enfermedad celíaca tienen una respuesta inmune al gluten, que es una proteína que se encuentra en el trigo, la cebada y el centeno. La respuesta inmune daña las microvellosidades y, por lo tanto, las personas afectadas no pueden absorber los nutrientes. Esto conduce a la desnutrición, calambres y diarrea. Los pacientes que padecen enfermedad celíaca deben seguir una dieta libre de gluten.
El citoplasma
El citoplasma comprende el contenido de una célula entre la membrana plasmática y la envoltura nuclear (una estructura que se discutirá en breve). Se compone de orgánulos suspendidos en el citosol en forma de gel, el citoesqueleto y varios productos químicos. Aunque el citoplasma se compone de 70 a 80 por ciento de agua, tiene una consistencia semisólida, que proviene de las proteínas que contiene. Sin embargo, las proteínas no son las únicas moléculas orgánicas que se encuentran en el citoplasma. La glucosa y otros azúcares simples, polisacáridos, aminoácidos, ácidos nucleicos, ácidos grasos y derivados del glicerol también se encuentran allí. Los iones de sodio, potasio, calcio y muchos otros elementos también se disuelven en el citoplasma. Muchas reacciones metabólicas, incluida la síntesis de proteínas, tienen lugar en el citoplasma.
El citoesqueleto
Si fuera a eliminar todos los orgánulos de una célula, ¿serían la membrana plasmática y el citoplasma los únicos componentes que quedan? No. Dentro del citoplasma, todavía habría iones y moléculas orgánicas, además de una red de fibras de proteínas que ayuda a mantener la forma de la célula, asegura ciertos orgánulos en posiciones específicas, permite que el citoplasma y las vesículas se muevan dentro de la célula, y permite organismos unicelulares para moverse independientemente. Colectivamente, esta red de fibras proteicas se conoce como el citoesqueleto. Hay tres tipos de fibras dentro del citoesqueleto: microfilamentos, también conocidos como filamentos de actina, filamentos intermedios y microtúbulos.
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| Los microfilamentos, los filamentos intermedios y los microtúbulos componen el citoesqueleto de una célula. |
Los microfilamentos son las fibras citoesqueléticas más delgadas y funcionan en el movimiento de componentes celulares, por ejemplo, durante la división celular. También mantienen la estructura de las microvellosidades, el extenso plegamiento de la membrana plasmática que se encuentra en las células dedicadas a la absorción. Estos componentes también son comunes en las células musculares y son responsables de la contracción de las células musculares. Los filamentos intermedios son de diámetro intermedio y tienen funciones estructurales, como el mantenimiento de la forma de la célula y el anclaje de los orgánulos. La queratina, el compuesto que fortalece el cabello y las uñas, forma un tipo de filamento intermedio. Los microtúbulos son las fibras citoesqueléticas más gruesas. Estos son tubos huecos que pueden disolverse y reformarse rápidamente. Los microtúbulos guían el movimiento de los orgánulos y son las estructuras que atraen a los cromosomas a sus polos durante la división celular. También son los componentes estructurales de flagelos y cilios. En los cilios y flagelos, los microtúbulos están organizados como un círculo de nueve microtúbulos dobles en el exterior y dos microtúbulos en el centro.
El centrosoma es una región cercana al núcleo de las células animales que funciona como un centro organizador de microtúbulos. Contiene un par de centriolos, dos estructuras que se encuentran perpendiculares entre sí. Cada centríolo es un cilindro de nueve tripletes de microtúbulos.
El centrosoma se replica antes de que una célula se divida, y los centriolos juegan un papel en atraer los cromosomas duplicados a los extremos opuestos de la célula en división. Sin embargo, la función exacta de los centriolos en la división celular no está clara, ya que las células que tienen los centriolos removidos aún pueden dividirse, y las células vegetales, que carecen de centriolos, son capaces de la división celular.
Flagella y cilios
Los flagelos (singular = flagelo) son estructuras largas y peludas que se extienden desde la membrana plasmática y se utilizan para mover una célula completa (por ejemplo, esperma, Euglena). Cuando está presente, la célula tiene solo un flagelo o unos pocos flagelos. Sin embargo, cuando los cilios (singular = cilio) están presentes, son muchos en número y se extienden a lo largo de toda la superficie de la membrana plasmática. Son estructuras cortas, similares a pelos, que se usan para mover células enteras (como el paramecio) o mover sustancias a lo largo de la superficie externa de la célula (por ejemplo, los cilios de las células que recubren las trompas de Falopio que mueven el óvulo hacia el útero, o cilios que recubren las células del tracto respiratorio que mueven las partículas hacia la garganta que ha atrapado el moco).
El sistema de endomembranas
El sistema de endomembranas (endo = dentro) es un grupo de membranas y orgánulos (Figura 3.13) en células eucariotas que trabajan juntas para modificar, empaquetar y transportar lípidos y proteínas. Incluye la envoltura nuclear, los lisosomas y las vesículas, el retículo endoplásmico y el aparato de Golgi, que cubriremos en breve. Aunque técnicamente no está dentro de la célula, la membrana plasmática está incluida en el sistema de endomembranas porque, como verá, interactúa con los otros orgánulos endomembranosos.
El núcleo
Típicamente, el núcleo es el orgánulo más prominente en una célula. El núcleo (plural = núcleos) aloja el ADN de la célula en forma de cromatina y dirige la síntesis de ribosomas y proteínas. Miremos con más detalle.
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| El límite más externo del núcleo es la envoltura nuclear. Observe que la envoltura nuclear consta de dos bicapas de fosfolípidos (membranas), una membrana externa y una membrana interna, en contraste con la membrana plasmática, que consiste en una sola bicapa de fosfolípidos. |
La envoltura nuclear es una estructura de doble membrana que constituye la porción más externa del núcleo. Tanto las membranas internas como las externas de la envoltura nuclear son bicapas de fosfolípidos.
La envoltura nuclear está salpicada de poros que controlan el paso de iones, moléculas y ARN entre el nucleoplasma y el citoplasma.
Para comprender la cromatina, es útil considerar primero los cromosomas. Los cromosomas son estructuras dentro del núcleo que están formadas por ADN, el material hereditario y las proteínas. Esta combinación de ADN y proteínas se llama cromatina. En eucariotas, los cromosomas son estructuras lineales. Cada especie tiene un número específico de cromosomas en el núcleo de las células de su cuerpo. Por ejemplo, en humanos, el número de cromosomas es 46, mientras que en moscas de la fruta, el número de cromosomas es ocho.
Los cromosomas solo son visibles y distinguibles entre sí cuando la célula se prepara para dividirse. Cuando la célula se encuentra en las fases de crecimiento y mantenimiento de su ciclo de vida, los cromosomas se asemejan a un montón de hilos desenrollados y desordenados.
Ya sabemos que el núcleo dirige la síntesis de ribosomas, pero ¿cómo lo hace? Algunos cromosomas tienen secciones de ADN que codifican el ARN ribosómico. Un área de tinción oscura dentro del núcleo, llamada nucleolo (plural = nucleoli), agrega el ARN ribosómico con proteínas asociadas para ensamblar las subunidades ribosómicas que luego son transportadas a través de los poros nucleares hacia el citoplasma.
El retículo endoplásmico
El retículo endoplásmico (ER) es una serie de túbulos membranosos interconectados que modifican colectivamente proteínas y sintetizan lípidos. Sin embargo, estas dos funciones se realizan en áreas separadas del retículo endoplásmico: el retículo endoplásmico rugoso y el retículo endoplásmico liso, respectivamente.
La porción hueca de los túbulos ER se llama lumen o espacio cisternal. La membrana de la sala de emergencias, que es una bicapa de fosfolípidos incrustada con proteínas, es continua con la envoltura nuclear.
El retículo endoplasmático rugoso (RER) se llama así porque los ribosomas unidos a su superficie citoplasmática le dan una apariencia tachonada cuando se observa a través de un microscopio electrónico.
Los ribosomas sintetizan proteínas mientras están unidos a la sala de emergencias, lo que da como resultado la transferencia de sus proteínas recién sintetizadas a la luz del RER, donde sufren modificaciones como el plegamiento o la adición de azúcares. El RER también produce fosfolípidos para las membranas celulares.
Si los fosfolípidos o las proteínas modificadas no están destinados a permanecer en el RER, se empaquetarán dentro de las vesículas y se transportarán desde el RER brotando de la membrana. Dado que el RER se dedica a modificar las proteínas que serán secretadas por la célula, es abundante en las células que secretan proteínas, como el hígado.
El retículo endoplásmico liso (SER) es continuo con el RER pero tiene pocos o ningún ribosoma en su superficie citoplasmática. Las funciones del SER incluyen síntesis de carbohidratos, lípidos (incluidos los fosfolípidos) y hormonas esteroides; desintoxicación de medicamentos y venenos; metabolismo del alcohol; y almacenamiento de iones de calcio.
El aparato de Golgi
Ya hemos mencionado que las vesículas pueden brotar de la sala de emergencias, pero ¿a dónde van las vesículas? Antes de llegar a su destino final, los lípidos o proteínas dentro de las vesículas de transporte deben clasificarse, empaquetarse y etiquetarse para que terminen en el lugar correcto. La clasificación, etiquetado, empaquetado y distribución de lípidos y proteínas tiene lugar en el aparato de Golgi (también llamado cuerpo de Golgi), una serie de sacos membranosos aplanados.
| El aparato de Golgi en esta micrografía electrónica de transmisión de un glóbulo blanco es visible como una pila de anillos aplanados semicirculares en la parte inferior de esta imagen. Se pueden ver varias vesículas cerca del aparato de Golgi. |
El aparato de Golgi tiene una cara receptora cerca del retículo endoplásmico y una cara de liberación en el lado alejado de la sala de emergencias, hacia la membrana celular. Las vesículas de transporte que se forman desde la sala de emergencias viajan a la cara receptora, se fusionan con ella y vacían su contenido en la luz del aparato de Golgi. A medida que las proteínas y los lípidos viajan a través del Golgi, sufren modificaciones adicionales. La modificación más frecuente es la adición de cadenas cortas de moléculas de azúcar. Las proteínas y los lípidos recientemente modificados se etiquetan con pequeños grupos moleculares para permitirles enrutarlos a sus destinos adecuados.
Finalmente, las proteínas modificadas y etiquetadas se empaquetan en vesículas que brotan de la cara opuesta del Golgi. Mientras que algunas de estas vesículas, transportan vesículas, depositan su contenido en otras partes de la célula donde se utilizarán, otras, vesículas secretoras, se fusionan con la membrana plasmática y liberan su contenido fuera de la célula.
La cantidad de Golgi en diferentes tipos de células ilustra nuevamente que la forma sigue a la función dentro de las células. Las células que participan en una gran cantidad de actividad secretora (como las células de las glándulas salivales que secretan enzimas digestivas o las células del sistema inmunitario que secretan anticuerpos) tienen una cantidad abundante de Golgi.
En las células vegetales, el Golgi tiene una función adicional de sintetizar polisacáridos, algunos de los cuales se incorporan a la pared celular y otros se usan en otras partes de la célula.
Lisosomas
En las células animales, los lisosomas son el "triturador de basura" de la célula. Las enzimas digestivas dentro de los lisosomas ayudan a la descomposición de proteínas, polisacáridos, lípidos, ácidos nucleicos e incluso orgánulos desgastados. En eucariotas unicelulares, los lisosomas son importantes para la digestión de los alimentos que ingieren y el reciclaje de los orgánulos. Estas enzimas son activas a un pH mucho más bajo (más ácido) que las ubicadas en el citoplasma. Muchas reacciones que tienen lugar en el citoplasma no podrían ocurrir a un pH bajo, por lo que la ventaja de compartimentar la célula eucariota en orgánulos es evidente.
Los lisosomas también usan sus enzimas hidrolíticas para destruir los organismos causantes de enfermedades que podrían ingresar a la célula. Un buen ejemplo de esto ocurre en un grupo de glóbulos blancos llamados macrófagos, que son parte del sistema inmunológico de su cuerpo. En un proceso conocido como fagocitosis, una sección de la membrana plasmática del macrófago invagina (se pliega) y engulle un patógeno. La sección invaginada, con el patógeno adentro, se desprende de la membrana plasmática y se convierte en una vesícula. La vesícula se fusiona con un lisosoma. Las enzimas hidrolíticas del lisosoma destruyen el patógeno.
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| Un macrófago ha fagocitado una bacteria potencialmente patógena en una vesícula, que luego se fusiona con un lisosoma dentro de la célula para que el patógeno pueda ser destruido. Otros orgánulos están presentes en la célula, pero por simplicidad, no se muestran. |
Vesículas y vacuolas
Las vesículas y las vacuolas son sacos unidos a la membrana que funcionan en el almacenamiento y el transporte. Las vacuolas son algo más grandes que las vesículas, y la membrana de una vacuola no se fusiona con las membranas de otros componentes celulares. Las vesículas pueden fusionarse con otras membranas dentro del sistema celular. Además, las enzimas dentro de las vacuolas de las plantas pueden descomponer las macromoléculas.
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| El sistema de endomembrana trabaja para modificar, empaquetar y transportar lípidos y proteínas. |
Ribosomas
Los ribosomas son las estructuras celulares responsables de la síntesis de proteínas. Cuando se ve a través de un microscopio electrónico, los ribosomas libres aparecen como grupos o como pequeños puntos que flotan libremente en el citoplasma. Los ribosomas pueden estar unidos al lado citoplasmático de la membrana plasmática o al lado citoplasmático del retículo endoplásmico. La microscopía electrónica ha demostrado que los ribosomas consisten en subunidades grandes y pequeñas. Los ribosomas son complejos enzimáticos responsables de la síntesis de proteínas.
Debido a que la síntesis de proteínas es esencial para todas las células, los ribosomas se encuentran en prácticamente todas las células, aunque son más pequeñas en las células procariotas. Son particularmente abundantes en glóbulos rojos inmaduros para la síntesis de hemoglobina, que funciona en el transporte de oxígeno por todo el cuerpo.
Mitocondrias
Las mitocondrias (singular = mitocondrias) a menudo se denominan "centrales eléctricas" o "fábricas de energía" de una célula porque son responsables de producir adenosina trifosfato (ATP), la principal molécula transportadora de energía de la célula. La formación de ATP a partir de la descomposición de la glucosa se conoce como respiración celular. Las mitocondrias son orgánulos ovales de doble membrana que tienen sus propios ribosomas y ADN. Cada membrana es una bicapa de fosfolípidos incrustada con proteínas. La capa interna tiene pliegues llamados crestas, que aumentan el área superficial de la membrana interna. El área rodeada por los pliegues se llama matriz mitocondrial. Las crestas y la matriz tienen diferentes roles en la respiración celular.
De acuerdo con nuestro tema de la forma que sigue a la función, es importante señalar que las células musculares tienen una concentración muy alta de mitocondrias porque las células musculares necesitan mucha energía para contraerse.
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| Esta micrografía electrónica de transmisión muestra una mitocondria vista con un microscopio electrónico. Observe las membranas internas y externas, las crestas y la matriz mitocondrial. |
Peroxisomas
Los peroxisomas son pequeños organelos redondos encerrados por membranas individuales. Llevan a cabo reacciones de oxidación que descomponen los ácidos grasos y aminoácidos. También desintoxican muchos venenos que pueden ingresar al cuerpo. El alcohol se desintoxica por los peroxisomas en las células del hígado. Un subproducto de estas reacciones de oxidación es el peróxido de hidrógeno, H2O2, que está contenido dentro de los peroxisomas para evitar que el químico cause daño a los componentes celulares fuera del orgánulo. El peróxido de hidrógeno se descompone de manera segura por las enzimas peroxisomales en agua y oxígeno.
Células animales versus células vegetales
A pesar de sus similitudes fundamentales, existen algunas diferencias notables entre las células animales y vegetales. Las células animales tienen centriolos, centrosomas (discutidos bajo el citoesqueleto) y lisosomas, mientras que las células vegetales no. Las células vegetales tienen una pared celular, cloroplastos, plasmodesmos y plástidos utilizados para el almacenamiento, y una gran vacuola central, mientras que las células animales no.
La pared celular
La pared celular es una cubierta rígida que protege la célula, proporciona soporte estructural y le da forma a la célula. Las células fúngicas y protistas también tienen paredes celulares.
Si bien el componente principal de las paredes celulares procariotas es el peptidoglucano, la principal molécula orgánica en la pared celular de la planta es la celulosa, un polisacárido formado por cadenas largas y rectas de unidades de glucosa. Cuando la información nutricional se refiere a la fibra dietética, se refiere al contenido de celulosa de los alimentos.
Cloroplastos
Al igual que las mitocondrias, los cloroplastos también tienen su propio ADN y ribosomas. Los cloroplastos funcionan en la fotosíntesis y se pueden encontrar en células eucariotas como plantas y algas. En la fotosíntesis, el dióxido de carbono, el agua y la energía de la luz se utilizan para producir glucosa y oxígeno. Esta es la principal diferencia entre plantas y animales: las plantas (autótrofos) pueden producir su propio alimento, como la glucosa, mientras que los animales (heterótrofos) deben depender de otros organismos para sus compuestos orgánicos o fuente de alimento.
Al igual que las mitocondrias, los cloroplastos tienen membranas externa e interna, pero dentro del espacio encerrado por la membrana interna de un cloroplasto hay un conjunto de sacos de membrana llenos de líquido interconectados y apilados llamados tilacoides. Cada pila de tilacoides se llama granum (plural = grana). El fluido encerrado por la membrana interna y que rodea el grana se llama estroma.
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| Este diagrama simplificado de un cloroplasto muestra la membrana externa, la membrana interna, los tilacoides, el grana y el estroma. |
CONEXIÓN DE EVOLUCIÓN: Endosimbiosis
Hemos mencionado que tanto las mitocondrias como los cloroplastos contienen ADN y ribosomas. ¿Te has preguntado por qué? Fuerte evidencia apunta a la endosimbiosis como la explicación.
La simbiosis es una relación en la cual los organismos de dos especies separadas viven en estrecha asociación y típicamente exhiben adaptaciones específicas entre sí. La endosimbiosis (endo- = dentro) es una relación en la cual un organismo vive dentro del otro. Las relaciones endosimbióticas abundan en la naturaleza. Los microbios que producen vitamina K viven dentro del intestino humano. Esta relación es beneficiosa para nosotros porque no podemos sintetizar la vitamina K. También es beneficiosa para los microbios porque están protegidos de otros organismos y se les proporciona un hábitat estable y alimentos abundantes al vivir dentro del intestino grueso.
Los científicos han notado durante mucho tiempo que las bacterias, las mitocondrias y los cloroplastos son de tamaño similar. También sabemos que las mitocondrias y los cloroplastos tienen ADN y ribosomas, al igual que las bacterias. Los científicos creen que las células huésped y las bacterias formaron una relación endosimbiótica mutuamente beneficiosa cuando las células huésped ingirieron bacterias aerobias y cianobacterias, pero no las destruyeron. A través de la evolución, estas bacterias ingeridas se volvieron más especializadas en sus funciones, con las bacterias aeróbicas convirtiéndose en mitocondrias y las bacterias fotosintéticas convirtiéndose en cloroplastos.
La Vacuola Central
Anteriormente, mencionamos las vacuolas como componentes esenciales de las células vegetales. Verá que las células vegetales tienen una vacuola central grande que ocupa la mayor parte de la célula. La vacuola central desempeña un papel clave en la regulación de la concentración de agua de la célula en condiciones ambientales cambiantes. En las células vegetales, el líquido dentro de la vacuola central proporciona presión de turgencia, que es la presión externa causada por el fluido dentro de la célula. ¿Alguna vez has notado que si olvidas regar una planta durante unos días, se marchita? Esto se debe a que a medida que la concentración de agua en el suelo se vuelve más baja que la concentración de agua en la planta, el agua sale de las vacuolas centrales y el citoplasma hacia el suelo. A medida que la vacuola central se encoge, deja la pared celular sin soporte. Esta pérdida de soporte a las paredes celulares de una planta da como resultado la apariencia marchita. Además, este líquido tiene un sabor muy amargo, lo que desalienta el consumo de insectos y animales. La vacuola central también funciona para almacenar proteínas en las células semilla en desarrollo.
Matriz extracelular de células animales
La mayoría de las células animales liberan materiales en el espacio extracelular. Los componentes principales de estos materiales son las glucoproteínas y la proteína colágeno. Colectivamente, estos materiales se denominan matriz extracelular. La matriz extracelular no solo mantiene las células juntas para formar un tejido, sino que también permite que las células dentro del tejido se comuniquen entre sí.
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| La matriz extracelular consiste en una red de sustancias secretadas por las células. |
La coagulación de la sangre proporciona un ejemplo del papel de la matriz extracelular en la comunicación celular. Cuando las células que recubren un vaso sanguíneo están dañadas, muestran un receptor de proteína llamado factor tisular. Cuando el factor tisular se une con otro factor en la matriz extracelular, hace que las plaquetas se adhieran a la pared del vaso sanguíneo dañado, estimula las células adyacentes del músculo liso en el vaso sanguíneo para contraerse (por lo tanto, constriñe el vaso sanguíneo) e inicia una serie de pasos que estimulan las plaquetas para producir factores de coagulación.
Uniones intercelulares
Las células también pueden comunicarse entre sí por contacto directo, denominadas uniones intercelulares. Hay algunas diferencias en las formas en que las células vegetales y animales hacen esto. Los plasmodesmos (singular = plasmodesma) son uniones entre células vegetales, mientras que los contactos de células animales incluyen uniones estrechas y huecas, y desmosomas.
En general, los tramos largos de las membranas plasmáticas de las células vegetales vecinas no pueden tocarse entre sí porque están separadas por las paredes celulares que rodean cada célula. Los plasmodesmos son numerosos canales que pasan entre las paredes celulares de las células vegetales adyacentes, conectando su citoplasma y permitiendo que las moléculas de señal y los nutrientes sean transportados de una célula a otra.
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| Hay cuatro tipos de conexiones entre células. Un plasmodesma es un canal entre las paredes celulares de dos células vegetales adyacentes. Uniones estrechas unen células animales adyacentes. Los desmosomas unen dos células animales. (Las uniones huecas actúan como canales entre las células animales. |
Una unión apretada es un sello hermético entre dos células animales adyacentes. Las proteínas sostienen las células fuertemente unas contra otras. Esta adherencia firme evita que los materiales se filtren entre las células. Las uniones apretadas se encuentran típicamente en el tejido epitelial que recubre los órganos internos y las cavidades, y compone la mayor parte de la piel. Por ejemplo, las uniones estrechas de las células epiteliales que recubren la vejiga urinaria evitan que la orina se filtre en el espacio extracelular.
También se encuentran solo en las células animales los desmosomas, que actúan como soldaduras por puntos entre las células epiteliales adyacentes. Mantienen las células juntas en forma de láminas en órganos y tejidos que se estiran, como la piel, el corazón y los músculos.
Las uniones huecas en las células animales son como los plasmodesmos en las células vegetales, ya que son canales entre las células adyacentes que permiten el transporte de iones, nutrientes y otras sustancias que permiten que las células se comuniquen. Estructuralmente, sin embargo, las uniones gap y los plasmodesmos difieren.
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