CELULA. PERCY ZAPATA MENDO.

Célula

1 INTRODUCCIÓN

Célula, unidad básica de la vida. La célula es la estructura más pequeña capaz de realizar por sí misma las tres funciones vitales: nutrición, relación y reproducción. Todos los organismos vivos están formados por células. Algunos organismos microscópicos, como las bacterias y los protozoos, son unicelulares, lo que significa que están formados por una sola célula. Las plantas, los animales y los hongos son organismos pluricelulares, es decir, están formados por numerosas células que actúan de forma coordinada. La célula representa un diseño extraordinario y eficaz con independencia de si es la única célula que forma una bacteria o si es una de los billones de células que componen el cuerpo humano. La célula lleva a cabo miles de reacciones bioquímicas cada minuto y origina células nuevas que perpetúan la vida.

El tamaño de las células es muy variable. La célula más pequeña, un tipo de bacteria denominada micoplasma, mide menos de una micra de diámetro (10.000 micoplasmas puestos en fila tienen el mismo diámetro que un cabello humano). Entre las células de mayor tamaño destacan las células nerviosas que descienden por el cuello de una jirafa, que pueden alcanzar más de 3 m de longitud. Las células humanas presentan también una amplia variedad de tamaños, desde los pequeños glóbulos rojos (hematíes) que miden 0,00076 mm hasta las células hepáticas que pueden alcanzar un tamaño diez veces mayor. Aproximadamente 10.000 células humanas de tamaño medio tienen el mismo tamaño que la cabeza de un alfiler.

Además de estas diferencias de tamaño, las células presentan una amplia variedad de formas. Algunas, como la bacteria Escherichia coli, tienen forma de bastón. El paramecio, un tipo de protozoo, tiene forma de zapatilla y la ameba, otro protozoo, tiene una forma irregular que cambia conforme se mueve. Las células de las plantas tienen, por lo general, forma poligonal. En los seres humanos, las células de las capas más superficiales de la piel son planas, mientras que las células musculares son largas y delgadas. Algunas células nerviosas, con sus prolongaciones delgadas en forma de tentáculos, recuerdan a un pulpo.

En los organismos pluricelulares la forma de la célula está adaptada, por lo general, a su función. Por ejemplo, las células planas de la piel forman una capa compacta que protege a los tejidos subyacentes de la invasión de bacterias. Las células musculares, delgadas y largas, se contraen rápidamente para mover los huesos. Las numerosas extensiones de una célula nerviosa le permiten conectar con otras células nerviosas para enviar y recibir mensajes con rapidez y eficacia.

Toda célula es, en sí misma, un modelo de independencia. Igual que una ciudad amurallada en miniatura que estuviese permanentemente en hora punta, la célula debe soportar constantemente el tráfico, transportando moléculas esenciales de un lugar a otro con el fin de mantener las funciones vitales. Sin embargo, a pesar de su individualidad, las células poseen además una capacidad notable para unirse, comunicarse y coordinarse con otras células. Por ejemplo, el cuerpo humano está formado por unos 60 billones de células. Docenas de distintos tipos de células están organizadas en grupos especializados denominados tejidos. Los tendones y los huesos, por ejemplo, están formados por tejido conjuntivo, mientras que la piel y las membranas mucosas están formadas por tejido epitelial. Los distintos tipos de tejidos se unen para formar órganos, que son estructuras especializadas en funciones específicas. Algunos ejemplos de estos órganos son el corazón, el estómago o el cerebro. Los órganos, a su vez, se constituyen en sistemas como el sistema nervioso, el digestivo o el circulatorio. Todos estos sistemas de órganos se unen para formar el cuerpo humano.

Los componentes de las células son moléculas, estructuras sin vida propia formadas por la unión de átomos. Las moléculas de pequeño tamaño sirven como piezas elementales que se combinan para formar moléculas de mayor tamaño. Las proteínas, los ácidos nucleicos, los carbohidratos o hidratos de carbono y los lípidos (grasas y aceites) son los cuatro tipos principales de moléculas que forman la estructura celular y participan en las funciones celulares. Por ejemplo, una disposición muy organizada de lípidos, proteínas y compuestos de proteínas y azúcares, forman la membrana plasmática, o límite externo, de ciertas células. Los orgánulos, compartimentos rodeados por una membrana, presentes en el interior de las células, están formados principalmente por proteínas. Las reacciones bioquímicas en las células están dirigidas por enzimas, proteínas especializadas que aceleran las reacciones químicas. El ácido desoxirribonucleico (ADN) contiene la información hereditaria de las células y otro ácido nucleico, el ácido ribonucleico (ARN), actúa junto al ADN para producir las miles de proteínas que la célula necesita.

2 ESTRUCTURA CELULAR

Las células pertenecen a una de estas dos categorías: procariota o eucariota. En las células procariotas, propias de bacterias y arquebacterias, todos los componentes, incluyendo el ADN, se disponen libremente en el interior de la célula, en un compartimento único. Las células eucariotas que forman las plantas, los animales, los hongos y las restantes formas de vida, contienen numerosos compartimentos, u orgánulos, en su interior. El ADN de las células eucariotas está contenido dentro de un orgánulo especial denominado núcleo, que funciona como centro de mando de la célula y biblioteca donde se almacena la información. El término procariota procede de palabras griegas que significan ‘antes del núcleo’ o ‘prenúcleo’, mientras que eucariota significa ‘núcleo verdadero’.

2.1 Células procariotas

Las células procariotas están entre las de menor tamaño de todas las células; por lo general miden entre 1 y 10 µ, aunque algunas solo alcanzan menos de una micra de diámetro. Alrededor de 100 células procariotas típicas alineadas en fila tienen el mismo grosor que la página de un libro. Estas células, que pueden tener forma de bastón, esfera o espiral, están rodeadas por una pared celular protectora. Igual que la mayoría de las células, las células procariotas viven en un medio acuoso. La presencia de poros diminutos en la pared celular permite que el agua y las sustancias disueltas en ella, como el oxígeno, entren en la célula. Esos poros permiten también la salida de los desechos.

Apoyada en la superficie interna de la pared de la célula procariota se encuentra una membrana denominada membrana plasmática. Esta membrana, compuesta por una doble capa de moléculas intercaladas de lípidos flexibles y proteínas resistentes, está dotada de flexibilidad y resistencia. A diferencia de la pared celular, cuyos poros abiertos permiten el paso no regulado de materiales dentro y fuera de la célula, la membrana plasmática presenta una permeabilidad selectiva, permitiendo solo el paso de determinadas sustancias. De este modo, la membrana plasmática separa activamente el contenido de la célula de los fluidos que la rodean.

Mientras que las moléculas de pequeño tamaño como el agua, el oxígeno y el dióxido de carbono se difunden libremente a través de la membrana plasmática, el paso de numerosas moléculas de mayor tamaño, como aminoácidos (componentes básicos que forman las proteínas) e hidratos de carbono, está cuidadosamente regulado. Esta tarea es desempeñada por proteínas de transporte especializadas que abarcan todo el espesor de la membrana plasmática, formando un intrincado sistema de bombas y canales que permite el paso de estas sustancias. Algunas sustancias presentes en el fluido que rodea la célula pueden entrar solo si se unen y son acompañadas por proteínas de transporte específicas. De este modo, la célula controla con precisión la composición de su medio interno.

La membrana plasmática rodea al citoplasma, el semifluido presente en el interior de la célula. El citoplasma está formado por un 65% de agua aproximadamente y contiene hasta 1.000 millones de moléculas por célula, un copioso almacén que comprende enzimas y nutrientes disueltos, como carbohidratos y aminoácidos. El agua proporciona un medio favorable para las miles de reacciones bioquímicas que tienen lugar en la célula.

En el interior del citoplasma de todas las células procariotas se localiza el ADN, una molécula compleja con forma de doble hélice cerrada. El ADN tiene aproximadamente 1.000 veces la longitud de la célula y, para adaptarse a su interior, se enrolla y pliega repetidamente hasta formar una estructura compacta denominada cromosoma. El cromosoma de la célula procariota es circular y está localizado en una región de la célula llamada nucleoide. Con frecuencia existen en el citoplasma moléculas cíclicas de ADN de menor tamaño denominadas plásmidos. El ADN está formado por unidades denominadas genes, de forma similar a un tren largo formado por vagones independientes. El ADN contiene varios cientos o incluso miles de genes, dependiendo de la especie. Por lo general, un gen contiene instrucciones codificadas para la síntesis de toda o parte de una proteína específica.

También están inmersos en el citoplasma los únicos orgánulos presentes en las células procariotas: pequeños orgánulos sin membrana denominados ribosomas que constituyen las fábricas de proteínas de la célula. Siguiendo las instrucciones codificadas en el ADN, los ribosomas producen cientos de proteínas por minuto aportando a la célula las enzimas necesarias, los recambios de las proteínas de transporte consumidas y otras proteínas indispensables.

Aunque su composición es relativamente sencilla, las células procariotas desarrollan una actividad extremadamente compleja. Tienen una variedad de reacciones bioquímicas más amplia que la de sus parientes de mayor tamaño: las células eucariotas. La extraordinaria diversidad bioquímica de las células procariotas queda reflejada en los distintos modos de vida de las arquebacterias y las bacterias, cuyos hábitats comprenden desde el hielo polar hasta los desiertos y las grietas hidrotermales.

2.2 Células animales eucariotas

Las células eucariotas tienen, por lo general, un tamaño diez veces mayor que las procariotas. No tienen pared celular y la membrana plasmática forma, en las células animales, el límite externo de la célula. Con un diseño similar al de la membrana plasmática de las células procariotas, esta membrana separa la célula de su ambiente exterior y regula el paso de sustancias a través de ella.

El citoplasma de la célula eucariota es similar al de la célula procariota excepto porque las células eucariotas alojan un núcleo y numerosos orgánulos distintos delimitados por una membrana. Igual que las habitaciones separadas de una vivienda, estos orgánulos permiten la separación de funciones especializadas. Por ejemplo, la síntesis de proteínas y lípidos tiene lugar en orgánulos independientes donde se localizan las enzimas especializadas para cada función.

El núcleo es el orgánulo de mayor tamaño en la célula animal. Contiene numerosos filamentos de ADN cuya longitud es bastante mayor que el diámetro de la célula. A diferencia del ADN procariota circular, el ADN eucariota está contenido en el núcleo en forma de secciones largas, denominadas cromatina, que se enrollan alrededor de unas proteínas especiales llamadas histonas. Cuando la célula comienza a dividirse, cada filamento de ADN se pliega varias veces sobre sí mismo, dando lugar a un cromosoma filiforme.

El núcleo está rodeado por una doble membrana que protege al ADN de las reacciones químicas potencialmente nocivas que tienen lugar en el citoplasma. Las macromoléculas circulan entre el citoplasma y el núcleo a través de los poros nucleares, orificios presentes en la membrana nuclear. Los poros se abren y se cierran para regular selectivamente el transporte de moléculas. Este transporte se realiza mediante uniones a receptores específicos.

Unido a la membrana nuclear externa se encuentra un sistema de membranas denominado retículo endoplasmático. Este orgánulo se dispone en el citoplasma formando una red de sacos aplanados y túbulos ramificados e interconectados entre sí. El retículo endoplasmático adopta dos formas: rugoso y liso. El retículo endoplasmático rugoso (RER) recibe este adjetivo porque, al observarlo al microscopio, presenta numerosas protuberancias. Estas prominencias son, en realidad, miles de ribosomas que se encuentran unidos a la superficie de la membrana. Los ribosomas tienen la misma función en las células eucariotas que en las procariotas pero su estructura es ligeramente diferente. Las funciones del RER comprenden la síntesis de proteínas, cuyo destino es la membrana, otros orgánulos celulares o el exterior de la célula; el inicio de la glucosilación de las proteínas (adición de un azúcar), que tiene lugar en el espacio interno del retículo o lumen; y la participación en procesos de detoxificación de la célula.

El retículo endoplasmático rugoso está muy desarrollado en las células que producen muchas proteínas para exportar, como es el caso de los glóbulos blancos del sistema inmunológico, que producen y secretan anticuerpos. Algunos ribosomas que fabrican proteínas no están unidos al retículo endoplásmatico. Estos ribosomas libres están dispersos en el citoplasma y, por lo general, sintetizan proteínas (muchas de ellas enzimas) que permanecen en la célula.

La segunda forma de retículo endoplasmático, el retículo endoplasmático liso (REL), carece de ribosomas y tiene una superficie uniforme. En el interior de los canales que componen el retículo endoplasmático liso se encuentran las enzimas necesarias para la síntesis de lípidos. El retículo endoplasmático liso es abundante en las células hepáticas, donde además depura sustancias tóxicas como el alcohol, drogas y otros venenos.

Las proteínas son transportadas desde los ribosomas del retículo endoplasmático y los ribosomas libres hasta el aparato de Golgi, un orgánulo que recuerda a globos desinflados apilados y que contiene enzimas que completan el procesamiento de las proteínas. Estas enzimas añaden, por ejemplo, átomos de azufre y de fósforo en ciertas regiones de las proteínas, o eliminan diminutos fragmentos de los extremos de las mismas. Después, la proteína completa abandona el aparato de Golgi para alcanzar su destino definitivo dentro o fuera de la célula. Durante su ensamblado en el ribosoma, cada proteína adquiere un grupo de 4 a 100 aminoácidos denominado “señal”. La “señal” actúa como una etiqueta de transporte molecular que dirige la proteína hasta su localización adecuada.

Los lisosomas son orgánulos pequeños y a menudo esféricos que actúan como centro de reciclado y vertedero de la célula. Las enzimas digestivas concentradas en el lisosoma descomponen los orgánulos inservibles y transportan sus elementos básicos al citoplasma donde son aprovechados para construir orgánulos nuevos. Los lisosomas también descomponen y reciclan proteínas, lípidos y otras moléculas.

Los peroxisomas son pequeñas vesículas membranosas que contienen unas enzimas, llamadas oxidasas, que participan en reacciones metabólicas de oxidación. Las vacuolas son también vesículas membranosas formadas, fundamentalmente, por agua. Actúan también almacenando sustancias, tanto nutrientes como productos de desecho.

Las mitocondrias son unos de los orgánulos más conspicuos presentes en el citoplasma y constituyen las centrales de energía de la célula. Observadas al microscopio, presentan una estructura característica: las mitocondrias tienen forma alargada u oval, de varias micras de longitud, y están envueltas por dos membranas: una externa, que delimita el espacio intermembranoso y otra interna, muy replegada, que engloba la matriz mitocondrial. Dentro de estos orgánulos alargados se realizan las reacciones específicas de la respiración aerobia o celular, un proceso que consume oxígeno y produce dióxido de carbono y tiene como finalidad la obtención de energía que pueda ser utilizada por la célula. Las enzimas presentes en las mitocondrias convierten la glucosa y otros nutrientes en trifosfato de adenosina (ATP). Esta molécula sirve como fuente de energía para incontables procesos celulares, como el transporte de sustancias a través de la membrana plasmática, la síntesis y transporte de proteínas y lípidos, el reciclado de moléculas y orgánulos y la división celular. Las células musculares y hepáticas son especialmente activas y requieren docenas y en ocasiones hasta un centenar de mitocondrias por célula para satisfacer sus necesidades energéticas. Las mitocondrias son unos orgánulos peculiares ya que contienen su propio ADN, en forma de cromosoma circular de tipo procariota, tienen sus propios ribosomas, que se asemejan también a los ribosomas procariotas, y se dividen con independencia de la célula.

A diferencia de la célula procariota diminuta, la célula eucariota de mayor tamaño necesita un soporte estructural. El citoesqueleto constituye una red dinámica de microtúbulos, filamentos y fibras de proteínas que se entrecruzan en el citoplasma, anclan los orgánulos en posición y son responsables de la forma y estructura de la célula. Numerosos componentes del citoesqueleto son ensamblados y desensamblados por la célula según sus necesidades. Por ejemplo, durante la división celular se forma una estructura especial para desplazar a los cromosomas que recibe el nombre de huso acromático. Después de la división, el huso se desmonta porque no es necesario. Algunos componentes del citoesqueleto actúan como vías microscópicas a lo largo de las cuales se desplazan proteínas y otras moléculas como si fueran trenes en miniatura. Hallazgos de investigaciones recientes indican que el citoesqueleto podría ser también una estructura de comunicación mecánica que colabora con el núcleo para ayudarle a organizar los fenómenos que tienen lugar en la célula.

2.3 Células eucariotas vegetales

Las células vegetales tienen todos los orgánulos presentes en las células animales y poseen además algunos adicionales, como los cloroplastos, una vacuola central y una pared celular. Los cloroplastos tienen forma alargada y su estructura es aún más compleja que la mitocondrial: además de las dos membranas de la envoltura, que no se repliegan formando crestas, los cloroplastos tienen numerosos sacos internos aplanados en forma de disco (denominados tilacoides), interconectados entre sí, que están formados por una membrana que encierra el pigmento verde llamado clorofila. En los cloroplastos tiene lugar la fotosíntesis, un proceso que utiliza la energía solar para producir moléculas ricas en energía (ATP) y moléculas reductoras (NADPH) que se utilizan para sintetizar hidratos de carbono a partir de dióxido de carbono, liberando oxígeno. La fotosíntesis es un proceso vital ya que constituye una fuente importante del oxígeno fotosintético que necesitan la mayor parte de los organismos, incluidas las plantas, para vivir. Al igual que las mitocondrias, los cloroplastos también poseen un cromosoma circular y ribosomas de tipo procariota, que se encargan de sintetizar las proteínas que estos orgánulos necesitan.

La vacuola central de las células vegetales es una bolsa membranosa que, por lo general, ocupa la mayor parte del citoplasma de la célula y desplaza los orgánulos hacia la periferia. Desempeña diversas funciones, como la regulación osmótica, la digestión de macromoléculas y el almacenamiento de nutrientes y sustancias de desecho. La vacuola central almacena agua, sales, carbohidratos, proteínas y otros nutrientes. Además, almacena los pigmentos azul, rojo y morado que dan color a ciertas flores y contiene también desechos que poseen sabor amargo y alejan a los insectos de la planta.

Las células vegetales poseen una pared celular rígida y resistente que rodea y protege la membrana plasmática. Sus poros permiten el paso de materiales dentro y fuera de la célula. La resistencia de la pared permite también que la célula absorba agua en la vacuola central y aumente de tamaño sin estallar. La presión resultante en las células aporta rigidez y soporte a los tallos, hojas y flores de las plantas. Sin una presión de agua suficiente, las células se colapsan y la planta se marchita.

3 FUNCIONES CELULARES

Para mantenerse vivas, las células tienen que ser capaces de realizar distintas funciones. Algunas células necesitan moverse y la mayoría deben de ser capaces también de dividirse. Todas las células deben mantener una concentración adecuada de sustancias químicas en su citoplasma, deben ingerir alimento y utilizarlo para fabricar energía, reciclar moléculas, eliminar desechos y construir proteínas. Las células también deben tener capacidad para responder a los cambios que suceden en el medio externo.

3.1 Movimiento

Muchos organismos unicelulares nadan, se deslizan o reptan en busca de alimento o para escapar de sus enemigos. Los organismos acuáticos se desplazan a menudo mediante un flagelo, una prolongación delgada formada por microtúbulos y proteínas accesorias. Por ejemplo, numerosas bacterias tienen uno, dos o varios flagelos que rotan como hélices propulsoras para desplazar al organismo. Algunos organismos eucariotas unicelulares, como la euglena, tienen también un flagelo, pero más largo y grueso que el flagelo procariota. El flagelo eucariota funciona mediante ondulaciones como un látigo. En animales superiores, el espermatozoide utiliza un flagelo para alcanzar el óvulo femenino y fecundarlo.

El movimiento de los organismos eucariotas se consigue también mediante cilios, estructuras móviles en forma de pelos, numerosos y cortos, formados también por microtúbulos y proteínas. Por lo general, miles de cilios se extienden a través de la membrana plasmática y cubren la superficie de la célula, dándole un aspecto piloso denso. Al batir sus cilios como si fueran remos, un organismo como el paramecio se propulsa a través de su medio acuoso. En las células que no se mueven, los cilios desempeñan otras funciones. Por ejemplo, en el aparato respiratorio del ser humano millones de células ciliadas impiden que el polvo, el humo y los microorganismos inhalados entren en los pulmones al barrerlos sobre una corriente de moco hacia la garganta, desde donde son deglutidos.

Los flagelos y cilios eucariotas constan de una parte que sobresale fuera de la superficie celular y otra situada debajo de la membrana. La primera está recubierta por la membrana plasmática y contiene un haz de microtúbulos, denominado axonema, capaz de desarrollar movimientos. La parte situada debajo de la membrana se denomina cuerpo basal y consiste en una pequeña estructura proteica, similar a los centriolos, a partir de la cual crece el axonema. Los cuerpos basales ayudan también a anclar los flagelos y los cilios.

Sin embargo, otras células eucariotas, como las amebas y los glóbulos blancos sanguíneos, se desplazan con un movimiento ameboide o de arrastre. Deforman su citoplasma para formar seudópodos temporales o falsos pies. Después, arrastran el extremo de avance del citoplasma hasta los seudópodos. Una célula que se desplaza con movimiento ameboide perdería una carrera con una euglena o con un paramecio. Sin embargo, aunque es lento, el movimiento ameboide es lo suficientemente potente para permitir que las células se desplacen contra corriente, lo que permite a los organismos que viven en un medio acuoso perseguir y devorar a sus presas o a los glóbulos blancos viajar por el torrente sanguíneo para atrapar y engullir una bacteria o un virus.

3.2 Nutrición

La nutrición es una de las funciones vitales que permite a las células obtener la materia y energía que necesitan. Sin embargo, unas células son capaces de fabricar su propia materia orgánica mientras que otras necesitan incorporar materia orgánica ya elaborada. Por eso, según la forma de nutrición las células se pueden clasificar en dos grandes grupos: autótrofas y heterótrofas.

Las células autótrofas fabrican la materia orgánica que necesitan a partir de nutrientes inorgánicos utilizando una fuente de energía externa. Las células autótrofas pueden ser fotosintéticas (realizan la fotosíntesis y utilizan como fuente de energía la luz solar), o quimiosintéticas o quimiolitótrofas (obtienen la energía que necesitan para fabricar sus compuestos orgánicos de la oxidación de moléculas inorgánicas). Algunas células procariotas y las células eucariotas de algas y plantas son células fotosintéticas. En células eucariotas autótrofas, la fotosíntesis tiene lugar en los cloroplastos. Estos orgánulos contienen numerosos compartimentos internos denominados tilacoides donde las enzimas ayudan al proceso de transformación de la energía. Una simple hoja contiene entre 40 y 50 cloroplastos. Con suficiente luz solar, un árbol grande es capaz de producir hasta dos toneladas de azúcar en un solo día. La fotosíntesis en organismos procariotas (bacterias acuáticas por lo general) se realiza en pliegues de la membrana plasmática denominados cromatóforos, que contienen los pigmentos fotosintéticos. Las bacterias acuáticas producen el alimento consumido por organismos microscópicos que viven en estanques, ríos, lagos y mares. Las células quimiosintéticas solo son procariotas.

Las células heterótrofas obtienen la energía que necesitan de la oxidación de moléculas orgánicas que incorporan. Todos los animales, hongos, protozoos y algunas bacterias están formados por células heterótrofas.

3.3 Energía

Las células necesitan energía para realizar distintas funciones como moverse, fabricar y destruir moléculas, y transportar sustancias a través de la membrana celular. Independientemente de cómo las células hayan conseguido la materia orgánica, una parte de esa materia se utiliza para conseguir energía en forma de moléculas de ATP, el combustible celular; la oxidación de la materia orgánica libera energía que se utiliza para sintetizar ATP. La respiración celular es un conjunto de reacciones que permiten a las células obtener energía de las moléculas orgánicas al combinar sus átomos de carbono e hidrógeno con el oxígeno para producir dióxido de carbono y agua. La respiración celular o respiración aerobia tiene lugar en las mitocondrias en los organismos eucariotas. El interior de cada mitocondria contiene una membrana interna con numerosos repliegues que reciben el nombre de crestas. En la membrana interna, las enzimas forman una línea de ensamblado donde la energía presente en la glucosa y en otros nutrientes ricos en energía es transformada en ATP. En una célula normal se forman miles de moléculas de ATP por segundo. Algunos organismos procariotas también realizan una respiración aerobia. No obstante, carecen de mitocondrias, por lo que este proceso se realiza en el citoplasma.

Algunos tipos de células, que viven en ambientes anaerobios (carecen de oxígeno), como el lodo, charcas con agua estancada o en el interior del intestino de los animales, metabolizan la glucosa de manera incompleta obteniendo menos ATP. Esta degradación incompleta recibe el nombre de fermentación.

3.4 Síntesis de proteínas

Una célula típica contiene alrededor de 30.000 proteínas. Muchas de estas proteínas son enzimas necesarias para construir las moléculas principales utilizadas por las células (carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos) o para ayudar a la degradación de esas moléculas una vez que han sido utilizadas. Otras proteínas forman parte de la estructura de la célula, por ejemplo, de la membrana plasmática y de los ribosomas. En los animales, las proteínas actúan también como hormonas y anticuerpos, y funcionan como sistemas de transporte para llevar otras moléculas por todo el cuerpo. Por ejemplo, la hemoglobina es una proteína que transporta oxígeno en los glóbulos rojos sanguíneos. La demanda celular de proteínas es continua.

Sin embargo, antes de poder fabricar una proteína hay que obtener, de uno o más genes, las instrucciones moleculares para lograrlo. Por ejemplo, en el ser humano un gen contiene la información para la fabricación de la proteína insulina, la hormona que las células necesitan para extraer glucosa del torrente sanguíneo, mientras que al menos dos genes contienen la información para la síntesis del colágeno, la proteína que aporta resistencia a la piel, tendones y ligamentos. El proceso de fabricación de las proteínas comienza cuando las enzimas, en respuesta a una señal de la célula, se unen al gen que contiene el código para toda o parte de la proteína necesaria. Las enzimas transfieren el código a una molécula nueva denominada ARN mensajero, que transporta el código desde el núcleo hasta el citoplasma. Esto permite que el código genético original permanezca seguro en el núcleo mientras el ARN mensajero envía pequeños fragmentos y piezas de información del ADN al citoplasma cuando es necesario. Dependiendo del tipo de célula, cada minuto se forman cientos o incluso miles de moléculas de ARN mensajero.

Al llegar al citoplasma, la molécula de ARN mensajero se une a un ribosoma. El ribosoma se desplaza a lo largo del ARN mensajero como un tren monorraíl sobre su vía, y se convierte en otro tipo de ARN (ARN de transferencia) que recopila y se une a los aminoácidos necesarios almacenados en el citoplasma para formar la proteína concreta o un trozo de ella. La proteína es modificada según sea necesario por el retículo endoplasmático y el aparato de Golgi antes de comenzar a desempeñar su función.

3.5 División celular

La mayoría de las células se dividen en algún momento de su ciclo vital y otras lo hacen docenas de veces antes de morir. Los organismos dependen de la división celular para la reproducción, crecimiento, reparación y sustitución de las células dañadas o envejecidas. Hay tres tipos de división celular: fisión binaria, mitosis y meiosis. La fisión binaria, el método utilizado por las células procariotas, da lugar a dos células hijas idénticas a la célula original. El proceso de mitosis es más complicado, aunque también da lugar a dos células genéticamente idénticas a la original y es el empleado por muchos organismos eucariotas unicelulares para reproducirse. Los organismos pluricelulares utilizan la mitosis para crecer, reparar y sustituir las células dañadas. Por ejemplo, se calcula que en el cuerpo humano se producen 25 millones de divisiones celulares mitóticas cada segundo para reemplazar a las células que han completado sus ciclos vitales normales. Las células del hígado, intestino y piel, por ejemplo, pueden ser sustituidas cada pocos días.

El tipo de división celular necesaria para llevar a cabo la reproducción sexual es la meiosis. Los organismos con reproducción sexual son las algas marinas, los hongos, las plantas y los animales (incluyendo, por supuesto, al ser humano). La meiosis difiere de la mitosis en que la división celular comienza con una célula que tiene una dotación completa de cromosomas y termina con la formación de células gameto, como espermatozoides y óvulos, que solo tienen la mitad de la dotación cromosómica. Cuando el espermatozoide y el óvulo se unen durante la fecundación, la célula resultante de esta unión, denominada cigoto, contiene la dotación completa de cromosomas.

4 ORIGEN DE LAS CÉLULAS

El mecanismo de evolución de las células sigue siendo una cuestión de estudio sujeta a una intensa investigación científica. Los estudios sobre la evolución de las células a partir de la materia inerte que existía en la Tierra primigenia han sido llevados a cabo por físicos, geólogos, químicos y biólogos. La Tierra se formó hace aproximadamente 4.500 millones de años y durante millones de años las erupciones volcánicas violentas arrojaron al aire sustancias como dióxido de carbono, nitrógeno, agua y otras moléculas pequeñas. Estas moléculas, bombardeadas con la radiación ultravioleta y la luz de intensas tormentas, entraron en colisión formando uniones químicas estables y originando moléculas de mayor tamaño, como los aminoácidos y los nucleótidos (componentes básicos de las proteínas y de los ácidos nucleicos respectivamente). Ciertos experimentos indican que estas moléculas de mayor tamaño se forman de manera espontánea en condiciones de laboratorio que simulan el medio que probablemente existía en los orígenes de la Tierra.

Los científicos hacen conjeturas sobre si la lluvia podría haber arrastrado estas moléculas hasta los lagos para crear un caldo primordial, un terreno nutritivo para el ensamblado de las proteínas, el ácido nucleico ARN y los lípidos. Algunos investigadores piensan que estas moléculas más complejas se formaron en grietas hidrotermales y no en los lagos. Ciertos científicos creen incluso que estas sustancias clave podrían haber alcanzado la Tierra desde meteoritos procedentes del espacio exterior. No obstante, con independencia del medio en el que se originaron estas moléculas, los científicos coinciden en que las proteínas, los ácidos nucleicos y los lípidos representan los materiales básicos que formaron las primeras células. En el laboratorio, los científicos han puesto de manifiesto la unión de moléculas de lípidos para formar estructuras similares a la membrana plasmática celular. Como consecuencia de estas observaciones, los científicos plantean que millones de años de colisiones moleculares dieron lugar a esferas de lípidos que rodearon moléculas de ARN, la molécula más simple con capacidad de autorreplicación. Estos sistemas de moléculas rodeados de membrana, denominados protocélulas, ya existían hace 3.800 millones de años y habrían sido los ancestros de las primeras células procariotas.

Al no existir oxígeno en la atmósfera, esas primeras células eran anaerobias y obtenían la energía mediante procesos de fermentación. Esos primeros organismos eran heterótrofos, lo que acabó ocasionando que los nutrientes orgánicos fueran agotándose. Esa situación facilitó la aparición de organismos autótrofos fotosintéticos capaces de fabricar materia orgánica utilizando la luz solar, similares a las actuales cianobacterias. El oxígeno producido por estos organismos procariotas cambió radicalmente la composición de la atmósfera primitiva y favoreció la evolución de bacterias que usaban oxígeno para llevar a cabo la respiración aerobia, un proceso más eficaz de producción de ATP que la fermentación. Algunos estudios moleculares sobre la evolución de los genes en las arquebacterias indican que estos organismos podrían haber evolucionado en las aguas calientes de las grietas hidrotermales o manantiales de agua caliente ligeramente antes que las cianobacterias. Es probable que las arquebacterias dependieran de la fermentación para sintetizar ATP, igual que las cianobacterias.

Las células eucariotas pudieron haber evolucionado a partir de células procariotas primitivas hace aproximadamente 2.000 millones de años. Las células precursoras de las células eucariotas perdieron sus paredes celulares, lo que permitió que la membrana plasmática se expandiera y se plegara. Finalmente, estos pliegues podrían haber dado origen a compartimentos separados dentro de la célula (los precursores de ciertos orgánulos presentes en las células eucariotas). Según la teoría endosimbiótica, establecida por la bióloga estadounidense Lynn Margulis, estas primeras células eucariotas englobaron en su interior distintas bacterias que establecieron una relación simbiótica con su huésped. Estudios moleculares tanto del ADN como de los ribosomas de tipo bacteriano presentes en mitocondrias y cloroplastos indican que los ancestros de la mitocondria y el cloroplasto fueron, en algún momento, bacterias de vida libre que fueron engullidas por otras células procariotas en su propio beneficio (por su capacidad para producir ATP o por su eficacia para realizar la fotosíntesis). Durante generaciones, las células eucariotas completas con mitocondrias (los ancestros de los animales), o tanto con mitocondrias como con cloroplastos (los ancestros de las plantas) evolucionaron.

5 DESCUBRIMIENTO Y ESTUDIO DE LAS CÉLULAS

Las primeras observaciones de las células fueron realizadas en 1665 por el científico inglés Robert Hooke, que utilizó un microscopio de su propia invención para examinar distintos objetos, como una lámina fina de corcho. Al observar las filas de las celdas diminutas que forman el tejido muerto de la madera, Hooke acuñó el término célula porque le recordaban a las pequeñas celdas ocupadas por los monjes en los monasterios. Aunque Hooke fue el primero en observar y describir las células, no llegó a comprender su relevancia. Unos años más tarde, el holandés Antoni van Leeuwenhoek, fabricante de microscopios, construyó uno de los mejores de la época. Gracias a su invento, Leeuwenhoek fue el primero en observar, dibujar y describir una amplia variedad de organismos vivos, como bacterias que se deslizaban en la saliva, organismos unicelulares que se movían en el agua de las charcas y espermatozoides nadando en el semen. Sin embargo, hubo que esperar algo más de un siglo para que los científicos fueran conscientes de la verdadera importancia de las células.

Los avances más significativos en el estudio de la célula tuvieron lugar en el siglo XIX, con el desarrollo y perfeccionamiento de los microscopios ópticos que permitieron observar con más detalle el interior de las células. Este desarrollo culminó con la formulación de la teoría celular por Scheleiden y Schwann. La colaboración entre el botánico alemán Matthias Jakob Schleiden y el zoólogo alemán Theodor Schwann permitió reconocer las similitudes fundamentales entre las células animales y vegetales. En 1839 presentaron la idea revolucionaria de que todos los organismos vivos están formados por una o más células y de que la célula constituye, por tanto, la unidad estructural de los seres vivos.

Sin embargo, el problema del origen de la célula no estaba resuelto, ya que se pensaba que las células podían originarse a partir de materia no celular. Fue otro científico alemán, Rudolf Virchow (1855) quien propuso que todas las células proceden de otras células. Así quedó establecida la teoría celular tal y como la conocemos hoy día:

• La célula es la unidad morfológica de los seres vivos. Todos los seres vivos están formados por una o más células.

• La célula es la unidad fisiológica de los seres vivos.

• Toda célula procede de otra célula por división de esta.

Hacia finales del siglo XIX, conforme se perfeccionaron aún más los microscopios ópticos, los científicos fueron capaces de observar los cromosomas en el interior de la célula. A esta investigación ayudaron las nuevas técnicas de tinción que hicieron posible las primeras observaciones detalladas de la división celular, incluyendo observaciones de las diferencias entre la mitosis y la meiosis en la década de 1880. En las primeras décadas del siglo XX numerosos científicos se concentraron en el estudio de los cromosomas durante la división celular. En ese momento estaba vigente el concepto de que las mitocondrias transmitían la información hereditaria. Sin embargo, hacia 1920 los científicos descubrieron que los cromosomas contienen genes y que los genes transmiten la información hereditaria de generación en generación. Durante ese periodo, los científicos comenzaron a conocer algunos de los procesos químicos que tienen lugar en el interior de las células. En la década de 1920 se inventó la ultracentrifugadora, un instrumento que hace girar las células en los tubos de ensayo a una velocidad muy elevada, lo que hace que las partes más pesadas se depositen en el fondo del tubo de ensayo. Este instrumento permitió a los científicos separar las mitocondrias relativamente pesadas y abundantes del resto de la célula y estudiar sus reacciones químicas. Hacia finales de la década de 1940 se consiguió explicar la función de las mitocondrias en la célula. Con ayuda de técnicas refinadas de ultracentrifugación, los científicos aislaron poco después los orgánulos de menor tamaño y empezaron a comprender sus funciones.

Mientras algunos científicos estudiaban las funciones celulares otros examinaban los detalles de la estructura celular. En la década de 1940 se logró un desarrollo tecnológico crucial: la invención del microscopio electrónico, que emplea un haz de electrones en lugar de rayos de luz para observar las muestras. Las nuevas generaciones de microscopios electrónicos han mejorado la resolución, revelando orgánulos como el retículo endoplasmático, los lisosomas, el aparato de Golgi y el citoesqueleto.

El descubrimiento de la estructura del ADN en 1953 por el bioquímico estadounidense James D. Watson y el biofísico británico Francis Crick dio paso a la era de la biología molecular, un área de estudio que permanece en continuo auge. Un campo especialmente activo en los últimos años ha sido la investigación de la señalización celular, el proceso por el que los mensajes moleculares encuentran su camino en el interior de la célula a través de una serie de complejas vías proteínicas.

Otra área muy activa de la biología celular es la relacionada con la muerte celular programada o apoptosis. En el cuerpo humano cada segundo, millones de células se suicidan como parte esencial del ciclo normal de recambio celular. También parece ser un mecanismo de seguridad frente a la enfermedad: cuando aparecen mutaciones dentro de una célula, esta, por lo general, se autodestruye. Si no ocurre así, la célula puede dividirse y dar lugar a células hijas mutadas que continúan dividiéndose y propagándose, formando de manera gradual lo que denominamos tumor. Este crecimiento celular descontrolado puede ser benigno, sin riesgo, o canceroso y puede amenazar la salud del tejido. La apoptosis es objeto de estudio por parte de los científicos cuya intención es conocer la transformación cancerosa de las células.