¿CÓMO FUNCIONA LA CÉLULA?. PERCY ZAPATA MENDO.

¿CÓMO FUNCIONA LA CÉLULA?

Todos los organismos vivos, desde las bacterias a los humanos, están construidos por unidades llamadas células. Estas como una eficiente industria, elabora productos de acuerdo a especificaciones muy precisas, pero aun hacen más, como eliminación de desperdicios y rechazo de impostores.

Hace casi 350 años atrás, el filósofo francés René Descartes afirmó que el cuerpo humano trabaja con los principios mecánicos. El comparaba la enfermedad y el disconfort causada por el mal funcionamiento de un órgano, a una máquina que se descompone porque una pieza se quebró o se descompuso. El sostenía que todas las máquinas pueden repararse, siempre que se reemplace la pieza quebrada y creía que lo mismo sucedía con nuestro propio organismo. Este punto de vista mecanicista, que considera al cuerpo humano como una suma de órganos y tejidos, aún domina a la medicina occidental. Sin embargo muy raramente nos detenemos a pensar que nuestro organismo está compuesto por 75 millones de millones de pequeños componentes, o células, cuyo tamaño variable oscila entre tres centésimos de milímetros a un milímetro de diámetro (30 a 1000 micrómetros).

No todos los organismos están constituidos por millones de células. Algunos animales, como la hidra (un invertebrado), contiene sólo unas pocas miles de células y aún otros organismos más pequeños, están constituidos por una sola célula.

También las células varían grandemente en su forma y tamaño, dependiendo de su función y de donde se ubican. Así por ejemplo, las células nerviosas (neuronas) poseen extensiones especializadas que cubren una larga superficie por donde propagan sus impulsos eléctricos. Las células musculares, en cambio, usan pequeños filamentos proteicos que soportan grandes presiones. Por otra parte, un glóbulo blanco, cuya función es proteger el organismo, está preparado para fagocitar gérmenes patógenos invasores.

A pesar de estas enormes diferencias de formas y funciones, todas las células de un organismo comparten tres elementos fundamentales:

a.- Una membrana, que es una envoltura externa que contienen a la célula. b.- El contenido de una información genética que está impresa en la molécula del ácido desoxirribonucleico (DNA) y que dirige las actividades de la célula, y

c.- Un citoplasma, que envuelto por la membrana externa, contiene en su interior una substancia gelatinosa (citosol), rico en nutrientes y con un equipamiento necesario de estructuras bioquímicas, como para mantener la vida de la célula.

En un comienzo, por cerca de mil millones de años, la Tierra permaneció sin vida y sus colinas y valles no contenían nada más que elementos químicos rudimentarios. De acuerdo a dos bioquímicos, uno americano, Stanley Miller, y otro ruso Alexander Oparin, estos ingredientes constituyeron lo que llamaron "la sopa primordial", que gradualmente y como consecuencia de la acción de la luz, las erupciones volcánicas, las lluvias torrenciales y otras influencias ambientales, comenzaron a reaccionar para ir adquiriendo cada vez formas químicas más complejas. Se estima que hace 3500 millones de años atrás, estos complejos químicos adquirieron la habilidad de hacer copias de sí mismos, y en ese momento comenzó la primera forma de vida. De ahí en adelante se fue evolucionando hasta las primeras células simples, conocidas como "procariotas". Estas células, casi sin cambios, aún abundan en nuestra Tierra. En un comienzo ellas reinaron solas durante aproximadamente 500 mil años, hasta que en algún momento, algunas de ellas evolucionaron a una forma celular más elaborada: las células "eucarióticas".

Estas nuevas células eucarióticas, por su tamaño, dejaron chicas a las procariotas. Imagínense un gato en relación a una mosca, y así se tendrá una visión objetiva de la diferencia de tamaño. Estas nuevas células, tuvieron la característica de guardar su DNA con una doble membrana protectora, formando lo que se ha llamado un "núcleo". En su interior este DNA se ha maravillosamente organizado, empaquetándose en otras estructuras llamadas "cromosomas". En cambio las células más primitivas llamadas procarióticas, se caracterizan porque su DNA flota libre en su citoplasma. Pero tal vez la más importante diferencia entre uno y otro tipo de células, es que las eucariotas poseen además un mayor grado de organización de diversas estructuras existentes en el interior de su citosoma (organellos) y que son necesarias para desarrollar más ordenadamente las mayores y más complejas funciones necesarias para la vida. En cambio las células procarióticas, por su simplicidad, sólo poseen algunos organelos de estructura muy simple.

Así como los diferentes órganos de nuestro cuerpo desempeñan sus propias funciones, así también los organellos dentro del citoplasma de las células desempeñan las suyas. Ellos demarcan los diferentes procesos de la actividad celular y aseguran que los productos y las materias primas de cada uno de esos procesos no lleguen a mezclarse. En todo caso, la posición de los diferentes organelos permite un orden lógico de transferencia de substancias, que recuerda la "producción industrial en línea", o el pasaje sucesivo del alimento a través del estómago, el intestino delgado y finalmente el colon.

Como es de esperarse, la mayor parte de los organelos están dedicados fundamentalmente a la producción de proteínas, ya que ellas son los bloques basales constituyentes de toda la estructura de la vida. El sistema básico productor de proteínas, es común a todas las células, y también en todas ellas el DNA guarda la información necesaria para su producción. En el proceso de la síntesis de proteínas, es necesario que sub-unidades o "RNA mensajero" (mRNA), lea y transcriba el mensaje obteniéndolo de un trozo de DNA, de modo se prepare un templado o molde de él, que va a usarse en una segunda etapa del proceso de manufacturación. En las células eucarióticas, cuando el mRNA ya está listo, sale del núcleo a través de un poro de la membrana nuclear y se dirige a unas estructuras esféricas llamadas "ribosomas". Allí, los "aminoácidos" (subunidades de las proteínas) se unen para ir formando las proteínas, de acuerdo a la información que trae el templado de mRNA.

Los ribosomas, que están compuestos en una mitad por RNA y en otra mitad por proteínas, pueden estar tanto libres en el citosol como adheridos a membranas. Ellos se han originado de una condensación dentro del núcleo, que se ha llamado "nucléolo". Los ribosomas de las células eucarióticas son más pesados y más complejos que los de las células procarióticas, aun cuando ambos desarrollan iguales tareas. A menudo los ribosomas forman claustros, que se denominan "polisomas" y en estas estructuras se van construyendo las proteínas, como en una verdadera correa transportadora.

La única otra estructura citoplasmática que tienen en común las células procarióticas y eucarióticas son los gránulos, que la célula usa para almacenar hidratos de carbono, cuya función es alimentar a las hambrientas células cuando ellas requieren energía para desempeñar su trabajo. Las células animales almacenan los carbohidratos como "glicógeno", mientras que las células vegetales lo hacen como "almidón". Ambos tipos de gránulos, son en realidad largas cadenas de polímeros de moléculas de glucosa, apretados como en un pellet.

Hasta aquí llegan las semejanzas entre células procarióticas y eucarióticas. Uno de los avances de es-tas últimas sobre las primeras, es la construcción de un andamiaje de fibras proteicas a "citoesqueleto", que tienen par función el organizar y reforzar su mayor y más expandido citoplasma. Esta fortificación celular consiste en fibras de diversos tipos. Algunas tienen forma de tubos y sus proteínas constituyentes se llaman tubulinas. Estos "microtúbulos" se usan tanto para fijar organelos en lugares específicos, como también para movilizarse estos al interior de la célula. Otras consisten en subunidades de "actina" (una proteína). Las sub-unidades de actina están continuamente juntándose o dejando sus cadenas, de modo que pueden alargarse o acortarse, con lo que permiten que la célula constantemente cambie de forma. Y también micro filamentos pueden engancharse en el interior de la membrana celular para ayudar tanto a su migración (especialmente durante la formación de los órganos y el crecimiento de los embriones), como también para entremezclar materiales alrededor del citoplasma. En el caso de las células musculares, que constituyen la maquinaria de la contracción muscular, hay también filamentos de actina y "miosina", que es otra proteína.

Los microtúbulos son también el principal componente de estructuras en forma de pelos que protruyen desde la célula y que se llaman "cilios" y "flagelos". Ellos se usan tanto para movilizar las células o para que con su movimiento se transporten substancias en su superficie exterior. Los flagelos trabajan solos y por ello son entre 10 a 20 veces más largos que los cilios. Pequeñas criaturas que viven en las pozas de agua, como la "euglena", viajan impulsada por largos flagelos, del mismo modo que lo hacen también los espermios. En organismos mayores existen en su superficie millones de cilios puestos en línea, que con su movimiento mueven substancias. Por ejemplo, las células de la mucosa pulmonar usan estos cilios para desplazar el mucus e impurezas hacia el pasaje nasal.

Membranas

Proteínas procesadoras:

Miles de estructuras con sus propias membranas pueblan el citoplasma, siendo las más numerosas las que forman una densa red de túbulos interconectados (cisternas), constituyendo el llamado "retículo endoplásmico (RE)". Hay dos tipos de RE: ER rugoso (RER), llamado así porque en su cara citoplasmática se adhieren los ribosomas que le dan este aspecto, y ER suave (SRE), porque está desprovisto de ellos.

El RER es más extenso que el SER, y actúa como productor de proteínas y también como almacenamiento de ellas. Cadenas de aminoácidos recientemente producidas por los ribosomas, se van deslizando a través de pequeños agujeros de sus membranas al interior de la cisterna, donde se almacenan para que oportunamente, más tarde sean enviadas a algún lugar del citoplasma o para que se dirijan hacia la membrana celular, donde ellas puedan incorporarse a ésta, o atravesándola, se exporten fuera de la célula.

En cambio en el SER se producen hormonas esteroidales y otros "lípidos" (termino general para denominar grasas, jabones o aceites). Estos dos tipos de red endoplásmica están separadas, de modo que sus cargos no se confundan. El RER, por su delicada e importante función de síntesis de las proteínas, se conecta directamente con los poros del núcleo, y es a través de ellos que el mRNA viaja para llevar su mensaje a los ribosomas. Las células que generan muchas proteínas, como por ejemplo las células del estómago que secreta enzimas digestivas (las enzimas son proteínas), poseen un RER muy extenso. A su vez, las células de las gónadas que producen hormonas esteroidales, es grande su SER.

Las proteínas en el RER tienen una enorme variedad de posibles destinos. Algunas de ellas son transportadas a la zona de preparado y empaquetaje, que se denomina "Aparato de Goly". Este está constituido por 6 a 20 unidades de sacos membranosos en forma de platillos que se arriman unos encima de otros, envueltos en tenues contenedores membranosos o "vesículas". En la medida que las proteínas pasan a través de cada una de estas capas, estas van sufriendo modificaciones químicas. Generalmente estas consisten en la adición de azúcares para formar glicoproteínas. Muchas secreciones de las células, como el mucus, son glicoproteínas. Es por esto que las células endoteliales que secretan mucus, como es el caso de las células pulmonares y el cérvix, poseen Aparatos de Golgi.

Empaquetamiento de las proteínas

Exo y endocitosis:

De una manera Única, las proteínas viajan hacia los límites de la célula, a través de las cisternas del Aparato de Golgi. Es así como una sección del tubo endoplásmico conteniendo la proteína, se desprende del resto del ER y se cierra inmediatamente en ambos extremos, aprisionando la proteína en una vesícula, que luego se funde con la superficie del compartimento de Golgi más cercano, transfiriéndole su contenido. De este modo las proteínas se van moviendo de un saco de Golgi al siguiente y eventualmente se desprenden, quedando llenas de proteínas y listas para la secreción. A menudo estas vesículas secretoria se mantienen cerca del límite de la célula, listas y esperando para ser expelidas. El proceso de secreción en el cual las vesículas se funden con la membrana externa de la célula y expulsan su carga hacia afuera, se llama "exocitosis".

Los citólogos, que son los biólogos que hacen de la célula su razón de estudio, han encontrado que en ocasiones el aparato de Golgi determina el destino de su carga con la ayuda de hidratos de carbono que actúan como indicadores, que sería como ponerle la etiqueta a la carga con la dirección a donde deben llegar. Así por ejemplo, agregándole a la proteína un azúcar como la manosa-6 fosfato, aseguran que esta va a un organelo específico que se llama lisosoma. Con otra azúcar, la carga puede ir a otro lugar, como por ejemplo a la membrana celular. Otros destinos se logran no con un azúcar, sino con una "secuencia de señales" introducida en la cadena de la proteína. Esta forma de etiquetado intracelular, es lo que se llama "proteína marcada" (protein targeting). Los citólogos James Rothman y Lelio Orci, han demostrado también que las vesículas tienen en su cobertura una variedad de proteínas que puede ayudar a formar la vesícula.

Arcón destructor de basuras

Huéspedes no invitados:

La célula eucariótica no estaría completa sin una estructura donde deshacerse de la basura. Ellos son los "lisosomas". A diferencia de un tarro de basura, los lisosomas están llenos de bordes que poseen un cocktail de enzimas muy potentes, capaces de digerir los ingredientes básicos de la vida: ácidos nucleicos (DNA, RNA), proteínas, hidratos de carbono y lípidos. Su mayor función es digerir restos de organelos y partículas extrañas. También algunos de los glóbulos blancos, como es el caso de los fagocitos, usan lisosomas para destruir los patógenos.

Los filtrados de los lisosomas pueden causar daño y aun matar a las células viejas. Los citólogos aún no saben cómo resiste la misma membrana del lisosoma al poder digestivo de las substancias químicas que contiene en su interior. Con todo, ellos saben que las enzimas se activan sólo bajo condiciones de extrema acidez, y tal vez es por ello que se logran mantener inactivas si por alguna razón se filtran al citosol.

También hay estructuras del mismo tamaño, llamadas peroxisomas, que desarrollan funciones algo diferentes. Ellas contienen enzimas (peroxidasas) que catalizan reacciones donde el peróxido de hidrógeno (H202) es un subproducto. Estas enzimas catalizan importantes reacciones, incluyendo la hidrólisis de ciertos tipos de lípidos, alcoholes y además la síntesis de ácidos biliares en el hígado. El problema es que el H202 es un poderoso oxidante y tóxico para la célula. Por este motivo, siempre se encuentra en los peroxisomas una enzima, la catalasa, que convierte el H202 a hidrógeno no dañino y agua.

El proceso de manufactura y transporte de los materiales, es bien conocido, pero ¿Qué hace la célula para la energía? Para ello posee otros organelos en forma de salchicha, llamados "mitocondrias", donde se realiza la respiración aeróbica (la producción de energía en presencia de oxígeno). En cada una de las células eucarióticas se encuentra en su citoplasma, entre 40 a mil de estos organelos. Una doble membrana en vuelve cada mitocondria, en donde la interna esta doblada en numerosos y largos dedos (crestas). Pequeños dobleces o partículas protruyen de las crestas a intervalos regulares y están compuestas por verdaderas cuerdas de enzimas colocadas en una secuencia precisa, en que el substrato pasando por diferentes etapas metabólicas va generando energía. En el espacio interior, suspendido en un medio jaleoso, hay un trozo de DNA, unos pequeños ribosomas, además de enzimas y otras substancias químicas que se necesitan para la respiración. Las mitocondrias suelen ser muy numerosas en aquellas células que requieren mucha energía, como es el caso de los espermios y las células musculares del corazón.

La bióloga Lynn Margulis por años ha sostenido que las mitocondrias antes fueron independientes. Según ella, antes tuvieron una existencia procariota y después fueron asumidas por las células mayores. A ello se ha llamado la "hipótesis endosimbiótica". La existencia de un aparato primitivo, sintetizador de proteínas (DNA, ribosoma y ciertas enzimas) en organelos como las mitocondrias y cloroplastos, soportan esta hipótesis. Probablemente las procariotas fueron ingeridas durante la alimentación, pero en lugar de digerirlas, permanecieron en el citoplasma como huéspedes no invitados, que eventualmente llegaron a ser permanentes. De esta forma, su presencia llegó a ser benéfica para el huésped. Probablemente la incorporación de la mitocondria a la célula le permitió la generación de energía química, como la de los cloroplastos (en las células vegetales), permitió la fotosíntesis. De esta forma liberaron a la membrana celular para que ejerciera otras actividades, como la exocitosis y la endocitosis.

Los avances en nuestra comprensión de las estructuras y forma de trabajar de las células, han ido siempre mano a mano con los desarrollos tecnológicos en los campos de la microscopía y la bioquímica. Hace 50 años atrás, antes del invento del microscopio electrónico, los biólogos pensaban que la célula era solo un núcleo con un citoplasma granuloso. Nunca se imaginaron el intrincado mundo de los organelos y de su ultra estructura. Probablemente si los conocimientos continúan generándose, más complejidades se irán describiendo en los años futuros.

Mundo de organelos

Nuevas posibilidades médicas:

La citología ha abierto el mundo de la patología subcelular y ha pavimentado el camino para el tratamiento de muchas enfermedades. Por ejemplo, la fibrosis quística ya se sabe que es la consecuencia de una proteína anormal de la membrana de las células pulmonares y del páncreas. Esta alteración impide que la sal escape de la célula, lo que condiciona un mucus seco y espeso que tapona los órganos y causa infecciones. Ahora ya se está ensayando un spray que contiene genes normales que entrarían a reemplazar los genes defectuosos que codifican dicha proteína. Muchas drogas psicoactivas trabajan simulando o retardando los movimientos de las vesículas secretorias que contienen substancias químicas que modifican los estados de ánimo (neurotransmisores) actuando en las células del cerebro. Del mismo modo, previniendo o estimulando el movimiento de las vesículas en células cancerosas, puede potencialmente usarse en el tratamiento de esta enfermedad que mata a tantos seres humanos.

I.- Denominando las células

Los seres humanos, los elefantes, las ratas y los claveles, todos tienen algo en común: los bloques basales de sus estructuras, que corresponden a células eucarióticas. Todos los organismos multicelulares están construidos de ellos. También son eucarióticos algunos organismos unicelulares que se han adaptado a vivir en pozas de agua. Tales el caso del "Paramecium", una criatura que nada en agua dulce, impulsándose con la ayuda de numerosos pelos o cilios.

Todos los organismos se clasifican en cinco grandes grupos o "reinos" de acuerdo a sus características. Tres de estos grupos son multicelulares: animales, plantas y hongos. Los otros comprenden los unicelulares, que pueden ser eucariotes o procariotes. Desde luego todas las bacterias son procarióticas.

Las bacterias podrían estimarse como primitivas aberrantes eucariótica, pero bioquímicamente ellas son tan diversas y adaptadas como lo son sus primos avanzados, y de hecho colonizan exitosamente cualquier hábitat conocido. Ellas se manejan bastante bien, aún sin tener todas las sofisticaciones del citoplasma de los eucariotes.

Su DNA está laxamente dispuesto en rollos, en contacto directo con el citosol, rodeado par otros numerosos pequeños trozos de DNA en anillos (plásmidos). Desde el punto de vista de la ingeniería genética, los plásmidos son muy útiles, ya que en ellos se pueden insertar genes ajenos a ellas. También los ribosomas de los procariotes son más simples y más compactos que los de eucariotes.

La respiración de las procarióticas tiene lugar en una zona pegada a la membrana externa (mesosoma), que es funcionalmente equivalente a una mitocondria. Del mismo modo las bacterias fotosintéticas poseen unos pequeños cuerpos esféricos (cromatóforos), que contienen un pigmento que atrapa la luz solar. Sin embargo carecen de la elaborada maquinaria que constituye el cloroplasto de una planta.

Los procariotes están rodeados de una membrana externa, constituida por una substancia denominada peptidoglican, y ésta a su turno está envuelta por una fina cápsula que previene su deshidratación. Tienen un flagelo, que no proviene como en el caso de los eucariotes de un micro túbulo, pero que facilita sus movimientos. Éste está hecho de una proteína, llamada flagelin, y tiene la forma de un tirabuzón. En lugar de oscilar, el cilio rota en un eje como una hélice.

II.- La Membrana Celular

A primera vista, la membrana celular parece ser algo más que una barrera protectora para demarcar los márgenes de la célula. En rigor, regula con precisión el intercambio molecular con el medio y realiza otras funciones vitales. Es extremadamente delgada, flexible y a menudo con pliegues. En casos extremos, estos pliegues forman verdaderas puntas de guante o "dedos" como las micro vellosidades, lo cual permite aumentar el área de la superficie hasta 20 veces más, tal cual ocurre en la mucosa intestinal, sitio en el cual se incrementa la tasa de absorción de las moléculas constitutivas de alimentos que llegan a la corriente sanguínea.

Todas las membranas (incluidas las de los organelos) están formadas por una doble capa de moléculas de fosfolípidos. Cada fosfolípido, a su vez, consiste en una cabeza de fosfato y una cola de lípidos. Los fosfatos son hidrofílicos, es decir, se disuelven fácilmente en agua y, por lo tanto, son atraídos por medios húmedos. En contraste, las colas lipídicas son hidrofóbicas, o sea que "escapan" de los medios acuosos.

En una membrana, las 2 capas de fosfolípidos se disponen por sus extremos de tal modo que la cabeza de fosfato encaja con los terminales lipídicos en ambos lados. Esto significa que todas las moléculas son "felices": la cabeza de fosfato contacta con el medio interior acuoso y el exterior de la célula y, simultáneamente, protege a la parte lipídica del contacto con el medio acuoso.

El colesterol, presente en el interior de la membrana a intervalos, juega un importante rol otorgando rigidez y resistencia a la misma. Diversas sustancias de gran importancia bioquímica como hormonas esteroidales, oxígeno y C02, se disuelven con rapidez en el contenido interno oleoso de la doble capa, permitiendo su fácil difusión a través de la membrana de acuerdo a una gradiente de concentraciones. Incluso, moléculas no solubles en lípidos, más otras como azúcares, ácidos nucleicos, aminoácidos y proteínas, pueden pasar de un lado a otro. Otras proteínas pueden también ser dispersadas a través de la membrana. Según el modelo de "mosaico fluido", todos los constituyentes moleculares se encuentran libremente flotando en la membrana. Según los que formularon este modelo, Singer y Nicolson, las moléculas proteicas forman un verdadero techo de "tejas" localizadas en una estructura de mosaico dinámico.

Algunas proteínas transportan elementos bioquímicos hacia el interior y exterior de la célula contra una gradiente de concentración como es el caso de la bomba sodio-potasio que transporta estos elementos en las células nerviosas. Otras proteínas actúan como poros de agua, como anclaje de fijación de micro filamentos o catalizadores (enzimas) para la realización de reacciones químicas.

Por otra parte, en la cara externa de la membrana, se encuentran receptores que se unen a hormonas, proteínas que se unen a glúcidos y que actúan como marcadores (antígenos) que permiten al sistema inmune distinguir entre las células propias del organismo y agentes como virus y bacterias.

III.- Células de plantas

Organelos como el cloroplasto, las vacuolas y las paredes celulares, son exclusivas de las células vegetales. En las plantas verdes, los cloroplastos en forma de discos, manejan la fotosíntesis (la conversión de la luz solar en energía química). Del mismo modo que las mitocondrias, los cloroplastos mantienen su contenido, envuelto por una doble membrana. La maquinaria fotosintética (una colección de enzimas adheridas a la membrana y al pigmento clorofílico), reside en una cama de fluido gelatinoso (estroma), análogo a la matriz mitocondrial.

Todas las células de las plantas, están envueltas por una pared que no es viva, compuesta principalmente de celulosa, que es un polímero de glucosa. Atados de alrededor de 2000 cadenas de celulosa (microfibrillas), están unidas en capas formando una red. La capa interna de la célula, está construida de la proteína pectina. Finas fibras provenientes del citoplasma penetran a intervalos la pared y se conectan con las células vecinas. La pared de la célula asegura que la célula esté hinchada con agua, la que le da la "turgidez". Se logra esto manteniendo una concentración constante de sales y azúcar disueltas, lo que a su vez impide la expansión celular durante la entrada de agua. La turgidez mantiene a la planta viva y erguida.

Casi el 90% de la célula vegetal está constituida par vacuolas celulares. Estos son sacos membranosos que almacenan savia, que es una solución de azúcar y sales.