La Célula: Origen, Estructura y Organización
1. Historia y Antecedentes de la Teoría Celular
Las primeras nociones sobre la célula datan del año 1665, fecha en la que Robert Hooke publicó los resultados de sus observaciones sobre tejidos vegetales realizadas con un microscopio rudimentario construido por él mismo.
Contemporáneo de Hooke, Van Leeuwenhoek, naturalista holandés, construyó un microscopio con el cual visualizó pequeños organismos vivos del agua de una olla, además de los glóbulos rojos de la sangre y otras células.
La naturaleza celular de la materia viva no se descubrió hasta mediados del siglo XIX, cuando dos científicos alemanes, Schleiden y Schwann, plantearon la teoría celular, que se opone a la visión vitalista de la unidad de vida de un cuerpo y la existencia de una fuerza vital unitaria.
Rudolf Virchow postuló que las células se originan únicamente a partir de otras preexistentes.
Santiago Ramón y Cajal demostró la estructura celular del sistema nervioso, en contra de la idea propuesta por Camillo Golgi. Ambos recibieron el Premio Nobel en 1906.
2. La Teoría Celular
La teoría celular se fundamenta en los siguientes principios:
- La célula es la unidad morfológica de los seres vivos.
- La célula es la unidad fisiológica de los seres vivos.
- Las células solo pueden existir a partir de otras células preexistentes.
- La célula es la unidad genética autónoma de los seres vivos.
En resumen, la teoría celular enuncia que la célula es la unidad morfológica, fisiológica, reproductiva y genética de todos los seres vivos.
2.1 La Célula como Unidad Propia de Vida
Todos los seres vivos están constituidos por células. Precisamente son estas las que caracterizan los procesos vitales, los cuales se pueden resumir así:
- Homeostasis: Mantenimiento de un ambiente interno relativamente constante.
- Nutrición: Obtención de materia y energía del exterior.
- Reproducción: Transferencia de su información genética.
- Relación: Respuesta a estímulos y adaptación a condiciones cambiantes captando información de su entorno.
Todas estas funciones integradas son el resultado de una trama muy compleja de interacciones químicas entre sus componentes.
3. Origen y Evolución de los Seres Vivos
Hoy en día se acepta casi únicamente que la vida surgió de los océanos primitivos.
3.1 Las Primeras Células
Alexander Ivanovich Oparin propuso que el origen de la vida se produjo en los océanos, donde se encuentran presentes todas las moléculas necesarias que constituyen lo que él llamó caldo primordial. Oparin imaginó que las altas temperaturas del planeta, la actuación de los rayos ultravioletas y las descargas eléctricas en la atmósfera podrían provocar reacciones químicas entre las moléculas. Estas interacciones habrían originado aminoácidos, los cuales, al depositarse por las lluvias sobre las rocas calientes, habrían formado espontáneamente enlaces peptídicos que originaron proteínas, las cuales habrían sido arrastradas por las lluvias a los océanos primordiales.
El Experimento de Miller
La teoría de Oparin fue respaldada por Stanley Miller, científico norteamericano que realizó una serie de experimentos con los cuales consiguió crear materia orgánica a partir de materia inorgánica. Diseñaron un aparato en el cual simularon algunas condiciones de la atmósfera que se supone que tenía la Tierra primitiva. Este experimento dio como resultado la formación de una serie de moléculas orgánicas, entre las cuales destacan el ácido acético, ADP-glucosa y los aminoácidos glicina, alanina, ácido glutámico y ácido aspártico.
3.2 Las Primeras Células: Heterótrofas y Anaerobias
La explicación de cómo aparecieron las primeras células a partir de las moléculas es una hipótesis, pero se cree que se produjeron dos hechos trascendentes:
- El desenvolvimiento de una membrana externa.
- La síntesis de proteínas dirigida por los ácidos nucleicos (Paso del ARN al ADN).
Las primeras estructuras celulares, llamadas progenotes o protobiontes, aparecieron hace unos 3880 millones de años y consisten en vesículas membranosas con proteínas y moléculas de ARN capaces de autorreplicarse en su interior.
Por tanto, en estas células primitivas, la información genética estaría codificada en el ARN. Se cree que los primeros protobiontes eran heterótrofos anaerobios y utilizaban como alimento las moléculas orgánicas presentes en el medio. Algunas células consiguieron fabricar moléculas orgánicas mediante la fijación y la reducción de CO2 (21%) utilizando la energía solar y la presencia de pigmentos, capaces de fijar esta energía en compuestos químicos. De esta manera se inicia la fotosíntesis.
Asimismo, otras se adaptaron a la presencia de O2, y algunas comenzaron a usarlo para las reacciones metabólicas, hecho que dio lugar a la aparición de la respiración aeróbica.
4. Origen de las Células Eucariotas. El Sistema de Membranas
Las células eucariotas son muy complejas y tienen un tamaño mayor que las procariotas.
El factor decisivo de la evolución hacia la célula eucariota fue el aumento de volumen que se produjo por la pérdida de la pared celular presente en sus precursores procariotas, lo cual fue acompañado de un aumento de la superficie celular con la aparición de repliegues en la membrana.
Las células eucariotas se caracterizan por la existencia de un sistema de membranas internas, o endomembranas, que permite un intercambio continuo de sustancias entre los compartimentos membranosos internos y el exterior de la célula, proceso exclusivo de las células eucariotas que sirve para aumentar la efectividad de la superficie celular. La existencia de estas endomembranas permite la especialización de los diferentes compartimentos de la célula para realizar funciones distintas.
4.1 Teoría de la Endosimbiosis
Según la teoría endosimbiótica, propuesta por la bióloga Lynn Margulis, la célula eucariota se transformó en huésped de endosimbiontes bacterianos. Según esta teoría, los orgánulos que contienen ADN, como el mitocondrio y los cloroplastos, e incluso el núcleo, presentan muchas características parecidas a las de las células procariotas, por lo cual se postula que podrían derivar de ellas.
Estas estructuras serían las precursoras de los peroxisomas.
4.2 El Origen de los Orgánulos Celulares por Endosimbiosis
- Los mitocondrios se originan a partir de bacterias púrpuras, capaces de producir energía mediante la fotosíntesis. Estos, después de ser incluidos inicialmente en la célula huésped, estarían capacitados para realizar la respiración aeróbica. El tamaño de los mitocondrios es similar al de las bacterias, contienen ribosomas, ADN y diversos tipos de ARN, y se dividen de manera simple (por fisión binaria).
- Los cloroplastos son los orgánulos que realizan la fotosíntesis en las células eucariotas vegetales. Tienen en su membrana interna moléculas de clorofila organizadas para captar la energía presente en la luz. Poseen ADN y se dividen de la misma forma que las cianobacterias.
- Igualmente, los flagelos y los microtúbulos del huso mitótico podrían tener su origen en espiroquetas simbiontes.
- El origen del núcleo no está claro, pero hay autores que lo explican por la captura de arqueobacterianos en el interior de la célula huésped.
5. Morfología Celular
Los seres vivos han evolucionado siguiendo modelos de complejidad creciente en los cuales las unidades esenciales son las células eucariotas y procariotas.
5.1 Organización Acelular: Los Virus
En los límites de las células se encuentran los virus, estructuras acelulares.
Los virus son estructuras muy sencillas, con un tamaño entre 30 y 300 nm. No tienen metabolismo propio, por lo cual necesitan una célula huésped para desarrollar su ciclo biológico. Están formados por un ácido nucleico (ADN o ARN), una cápside de naturaleza proteica y, en algunos casos, un envoltorio de tipo membranoso.
5.2 La Célula Procariota
Las bacterias son células procariotas típicas. Su membrana plasmática puede formar pliegues hacia el interior del citoplasma, los mesosomas, que intervienen en la división y la respiración celular. La mayor parte de las bacterias presentan una pared celular rígida de grosor variable y, además, una cápsula envolviendo la pared.
En el citoplasma hay una doble hélice de ADN circular que forma el nucleoide. También tienen ribosomas y diferentes tipos de ARN, y pequeñas moléculas de ADN llamadas plásmidos. Algunos tienen movilidad mediante flagelos.
5.3 Tipos de Células Eucariotas
La Célula Eucariota Animal
Su información genética se guarda en moléculas de ADN que aparecen unidas a proteínas básicas, las histonas, y forman la cromatina. La cromatina se localiza en el núcleo, que está separado del citoplasma por el envoltorio nuclear, una membrana doble.
La membrana plasmática está formada por una bicapa lipídica y por proteínas que cumplen múltiples funciones: receptoras, canales iónicos, transportadores de moléculas, anticuerpos y estructuras de unión con otras células.
En el citoplasma hay un sistema complejo de endomembranas que forma orgánulos como el retículo endoplasmático, el aparato de Golgi o los lisosomas. También hay otros orgánulos envueltos por membranas, como los mitocondrios o los ribosomas (aunque estos últimos no están envueltos por membrana, se mencionan en el contexto de orgánulos citoplasmáticos).
La Célula Eucariota Vegetal
Su estructura es parecida a la de la célula animal, pero presenta orgánulos característicos como los cloroplastos y los glioxisomas. Tienen un sistema vacuolar desarrollado y una membrana de secreción, la pared celular, que da soporte esquelético y protección a los tejidos vegetales. A diferencia de la célula animal, no presenta un centrosoma organizador del huso mitótico.
6. Diversidad de Células en un Organismo
Todas las células de un organismo pluricelular proceden de una sola célula. No obstante, la diferenciación celular es una de las características de los organismos pluricelulares.
El hecho de que a lo largo del desarrollo del individuo se formen células muy diferentes se explica por la modulación ejercida por los diferentes microambientes celulares que influyen en la regulación de la expresión genética, lo que permite que cada tipo celular exprese unos genes determinados.
En los animales adultos se pueden distinguir aproximadamente 250 tipos celulares diferentes.
6.1 Los Tejidos
Tejido: Conjunto de células que tienen la misma estructura y la misma función para realizar una función determinada.
En la mayoría de los animales, los tejidos se agrupan en órganos: estructura formada por dos o más tejidos diferentes que realizan una función específica.
En los animales, los órganos se agrupan en sistemas.
Tipos de Tejidos Vegetales
Hay dos tipos básicos de tejidos:
- Meristemáticos / Embrionarios.
- Definitivos / Adultos.
Los sistemas más importantes para las funciones de los vegetales son: el sistema fundamental, que forma la mayor parte de la planta y ejerce funciones metabólicas, de almacenamiento y de transporte; el sistema vascular, que transporta la savia; y el sistema epidérmico, que tiene una función protectora.
Tipos de Tejido Animal
El Tejido Muscular
El tejido muscular está formado por células con forma de huso, llamadas fibras musculares / miocitos, que tienen la capacidad de contraerse gracias a dos proteínas presentes en el citoplasma: actina y miosina, capaces de engancharse y tirar una de la otra. Con esto provocan el encogimiento y el estiramiento de las fibras musculares.
Ocasionalmente, el mitocondrio recibe el nombre de sarcosomas. Hay tres clases de tejido muscular: liso, estriado y cardíaco.
Tejido Muscular Liso
Es el más antiguo desde el punto de vista de la evolución. Está presente en todos los organismos del reino animal. Es de contracción lenta e involuntaria, aunque puede ser sostenida por largo tiempo.
Sus células, uninucleadas, tienen forma de huso y están incluidas en un tipo de malla de tejido conjuntivo, donde forman láminas que se contraen como una unidad. Se unen por medio de uniones gap o uniones de comunicación, que permiten el paso de iones que estimulan la contracción. Este tejido forma parte de las paredes de los vasos sanguíneos, del tubo digestivo, útero y vejiga de orina.
En algunos tejidos musculares, este tipo de células se contraen solo cuando reciben un impulso nervioso.
En otros tipos de tejido muscular liso, como los que forman las paredes del intestino, las mismas células musculares generan espontáneamente impulsos eléctricos, que provocan la contracción lenta y estable del tejido.