LA CÉLULA

Los seres vivos que han existido y existen en la actualidad son muy diferentes en cuanto a complejidad, aspecto, modo de vida, etc., independientemente de cuál haya sido el origen de la vida. Sin embargo, hay una serie de rasgos que son comunes a TODOS los seres vivos, extinguidos o vivientes, aunque sean de diferentes especies. Estos rasgos son:

§ Todos los seres vivos están formados por la misma materia, lo que llamamos materia orgánica.

§ Todos los seres vivos realizan las mismas funciones (nutrición, relación y reproducción) y de forma similar.

Los seres vivos unicelulares como las bacterias, las amebas, etc. tienen una estructura sencilla, formada por una única célula. Esa célula realiza todas las funciones que son propias de un ser vivo: buscan el alimento, se nutre, se relaciona adecuadamente con su entorno (cambios de temperatura, humedad, luz, etc.) y se reproduce.

Los seres vivos pluricelulares como las algas y los hongos tienen el cuerpo formado por más de una célula, pero su estructura es sencilla ya que cada una de sus células puede funcionar de manera autónoma. Cada una de las células que forman un alga pueden tomar el alimento, nutrirse y reproducirse por sí misma; son células equipotentes.

Las plantas y los animales son seres vivos pluricelulares con una estructura compleja, sus células no pueden funcionar de manera autónoma, son células especializadas.

Para la realización de las funciones de nutrición, relación y reproducción, los animales y las plantas poseen una organización muy compleja, evolucionada y sofisticada. Los millones de células que conforman sus cuerpos son células especializadas en la realización de diferentes tareas y todas ellas se estructuran y organizan formando tejidos, órganos y aparatos que trabajan coordinadamente para que el animal o la planta pueda subsistir y reproducirse.

Las células son estructuras normalmente invisibles al ojo humano. Por su reducido tamaño, el mundo celular permaneció ignorado hasta el siglo XVII cuando los pioneros de la investigación microscópica construyeron los primeros microscopios:

Durante el siglo XVIII apenas hubo avances en citología debido a la dificultad para corregir las aberraciones cromáticas y esféricas de las lentes existentes hasta el momento.

Durante el siglo XIX, gracias a la mejora de las lentes y de las técnicas en microscopía, se pudieron estudiar las células con más detalle y observar diversas estructuras en su interior. En 1831, Robert Brown descubrió en las células vegetales (más fácilmente observables debido a la pared celular) un corpúsculo al que llamó núcleo.

Teoría celular

En los años 1838-39, el botánico M. Schleiden y el zoólogo T. Schwann aportaron las pruebas definitivas, basadas en sus investigaciones y en los datos que había acumulados, que permitieron establecer el enunciado fundamental de la teoría celular: las plantas y los animales están constituidos por una o más unidades fundamentales, células. Unos años después R. Virchow completó este enunciado cuando añadió que cada célula procede de otra célula, "omnis cellula ex cellula".

1- La célula es la unidad morfológica de todos los seres vivos, ya que están constituidos por una o más células (a excepción de los virus, entidades biológicas que rozan el umbral entre la materia viva y la materia inerte).

2- La célula es la unidad fisiológica de los seres vivos, ya que toda célula lleva a cabo las funciones básicas de todos los seres vivos: la obtención de materia y energía (funciones de nutrución) y la aplicación de esta energía para autoperpetuar sus estructuras a lo largo del tiempo (funciones de relación y reproducción).

3- La célula es la unidad de origen de los seres vivos, es decir, que cada célula procede de otra preexistente, por división de ésta.

4- La célula es la unidad genética autónoma de los seres vivos, ya que contiene toda la información sobre la síntesis de su estructura y para el control de su funcionamiento; y es capaz de transmitirla a sus descendientes.

A partir de 1892, cuando se publicó la primera obra donde se recopilaban todos los conceptos conocidos sobre la célula, y donde se relacionaba cada estructura con la función que hacía, es decir, la primera obra de síntesis, se puede considerar que nace la citología como ciencia.

Posteriormente se inventó el microscopio de luz ultravioleta que consigue detalles más precisos, gracias a la menor longitud de onda que utiliza.

En 1930 se inventó el microscopio de contraste de fases, que no necesita la tinción de las preparaciones para observar los pequeños detalles.

En 1932, el alemán Ruska inventó el microscopio electrónico, que significó una auténtica revolución en citología debido a la alta resolución y aumentos que consigue, aunque no quedó perfeccionado para ser utilizado en microbiología hasta el año 1952.

Hoy se conoce por el registro fósil, que ya existía vida en la tierra hace 3.800 millones de años. Esta vida era similar a la de nuestras bacterias actuales. Se cree que estos primeros organismos debían tener como mínimo:

La teoría más ampliamente aceptada para explicar el origen de las primeras células es la que se basa en la evolución química expuesta por el ruso A. Oparin y el inglés J.B. Haldane en 1923.

Cuando la Tierra se formó hace unos 4.500 millones de años, era una inmensa bola incandescente en la que los distintos elementos se colocaron según su densidad, de forma que los más densos se hundieron hacia el interior de la Tierra y formaron el núcleo, y los más ligeros salieron hacia el exterior formando una capa gaseosa alrededor de la parte sólida, la protoatmósfera, en la que había gases como el metano, el amoníaco, el hidrógeno y el vapor de agua.

Estos gases estaban sometidos a intensas radiaciones ultravioletas (UV) provenientes del Sol y a fuertes descargas eléctricas que se daban en la propia atmósfera, como si fueran gigantescos relámpagos. Por efecto de estas energías, esos gases sencillos empezaron a reaccionar entre sí dando lugar a moléculas más complejas; al mismo tiempo la Tierra empezó a enfriarse, y comenzó a llover de forma torrencial y estas lluvias arrastraron las moléculas de la atmósfera hacia los primitivos mares que se iban formando.

Esos mares primitivos estaban muy calientes y este calor hizo que las moléculas siguieran reaccionando entre sí, apareciendo nuevas moléculas cada vez más complejas. Oparin llamó a estos mares cargados de moléculas el caldo nutritivo o sopa primordial. Algunas de esas moléculas se unieron constituyendo unas asociaciones con forma de pequeñas esferas llamadas coacervados.

Este proceso continuó hasta que apareció una molécula que fue capaz de dejar copias de sí misma, es decir, algo parecido a reproducirse; esta molécula sería algo similar a un ácido nucleico. Los coacervados que tenían el ácido nucleico empezaron a mantenerse en el medio aislándose para no reaccionar con otras moléculas, y finalmente empezarían a intercambiar materia y energía con el medio, dando lugar a primitivas células.

Estas primeras células se extenderían por los mares, dando comienzo un proceso que aún sigue funcionando hoy en día, el proceso de evolución biológica, responsable de que hace que a partir de seres vivos más sencillos vayan surgiendo seres vivos cada vez más complejos, y que es la causa de la gran diversidad de seres vivos que han poblado y pueblan actualmente la Tierra, lo que hoy llamamos la biodiversidad.

En 1950 un estudiante de la Universidad de Chicago, Stanley Miller, comprobó la hipótesis de Oparín. Miller demostró en el laboratorio, utilizando un aparato diseñado por él, la posibilidad de que se formaran espontáneamente moléculas orgánicas.

Unos años más tarde, otros científicos, como Joan Oró (recientemente fallecido), llevaron a cabo experimentos similares y consiguieron obtener monómeros como monosacáridos, urea, ácidos grasos y nucleótidos.

En el marco de la teoría de Oparin, se desarrollaron modelos alternativos como el de S. W. Fox, quien obtuvo estructuras proteicas limitadas por membrana, llamadas microesferas proteinoides, que podían llevar a cabo algunas reacciones químicas análogas a las de las células vivas. Si bien estas microesferas no son células vivas, su formación sugiere los tipos de procesos que podrían haber dado origen a entidades proteicas con mantenimiento autónomo, distintas de su ambiente y capaces de llevar a cabo las reacciones químicas necesarias para mantener su integridad física y química.

Según todos estos resultados, se admite que en condiciones parecidas a las de la atmósfera terrestre primitiva se sintetizaron las primeras biomoléculas que formaron el caldo o sopa primordial.

Se cree que los primeros polímeros se formaron al concentrarse moléculas de monómeros en las riberas de mares y lagos primitivos, por evaporación del agua.

Hasta el día de hoy los científicos no han podido transformar en el laboratorio la materia no viva en una célula funcional.

Hoy día existe una variante de la teoría química del origen de la célula que es la teoría del origen extraterrestre, que asume los principios de la teoría de Oparin con la diferencia de proponer que la molécula replicante, ese ácido nucleico primitivo capaz de autocopiarse, no surgió en los mares primordiales terrestres, sino que se originó en alguna nebulosa próxima a la Tierra o en la propia nebulosa que originó el Sistema Solar, y llegó a la Tierra en algún meteorito, integrándose en el proceso de evolución química que ya se daba en la Tierra.

La estructura alargada podría ser de un microfósil, que se encontró en una roca de Marte

Carl Woese (1980) denominó protobionte o progenote al antepasado común de todos los organismos y representaría la unidad viviente más primitiva, pero dotada ya de la maquinaria necesaria para realizar la transcripción y la traducción genética. De este tronco común surgirían en la evolución tres modelos de células procariotas: Arqueobacterias, Urcariotas y Eubacterias.

Durante un período de más de 2.000 millones de años, solamente existieron estas formas celulares (procariotas), por lo que se puede pensar que se adaptaron a vivir en todos los ambientes posibles y “ensayaron” todos los posibles mecanismos para realizar su metabolismo.

La evolución celular se produjo en estrecha relación con la evolución de la atmósfera y de los océanos. La teoría más aceptada supone que:

Estas formas celulares tienen organización procariota y son de pequeño tamaño. A partir de ellas, se piensa que evolucionaron las células eucariotas.

El perfeccionamiento de las técnicas microscópicas y la construcción de nuevos microscopios que permitína aumentar la resolución de las imágenes hicieron posible observar células con más precisión. Así, se pudo observar que la estructura básica de una célula consta de:

Una membrana que la separa del medio externo, pero que permite el intercambio de materia.

Los lípidos hacen que la membrana se comporte como una barrera aislante entre el medio acuoso interno y el medio acuoso externo. Las proteínas, en cambio, son las que permiten la entrada y salida de sustancias.

Una solución acuosa en el que se llevan a cabo las reacciones metabólicas y donde se encuentran unas estructuras con forma y funciones propias llamadas orgánulos celulares.

Constituido por una o más moléculas filamentosas de ADN. Puede estar dentro de una vesícula formada por una doble membrana, la membrana nuclear, y formar el núcleo.

De acuerdo con las características de estos cuatro elementos principales se distinguen dos tipos de organización celular:

El siguiente paso en la evolución celular fue la aparición de las eucariotas hace unos 1.500 millones de años.

Lynn Margulis, en su teoría endosimbiótica propone que se originaron a partir de una primitiva célula procariota, que perdió su pared celular, lo que le permitió aumentar de tamaño, esta primitiva célula conocida con el nombre de urcariota, en un momento dado, englobó a otras células procariotas, estableciéndose entre ambas una relación endosimbionte.

Algunas fueron las precursoras de los peroxisomas, con capacidad para eliminar sustancias tóxicas formadas por el creciente aumento de oxígeno en la atmósfera. Otras fueron las precursoras de las mitocondrias, encargadas en un principio de proteger a la célula huésped contra su propio oxígeno. Por último, algunas células procariotas fueron las precursoras de los cloroplastos.

Apoya la teoría endosimbiótica del origen de la célula eucariota, el hecho de que mitocondrias y cloroplastos son similares a las bacterias en muchas características y se reproducen por división. Poseen su propio ADN y poseen ARN ribosómicos semejantes a los de las bacterias.

La incorporación intracelular de estos organismos procariotas a la primitiva célula urcariota, le proporcionó dos características fundamentales de las que carecía:

Así mismo, la célula primitiva le proporcionaba a las procariotas simbiontes un entorno seguro y protegido de los depredadores, y alimento para su supervivencia.

Se trataría de una endosimbiosis altamente ventajosa para los organismo implicados, ya que todos ellos habrían adquirido particularidades metabólicas que no poseían por sí mismos separadamente, ventaja que sería seleccionada en el transcurso de la evolución.

Las células presentan gran diversidad de formas. Podemos observar células con formas más o menos esféricas (cocos, bacilos cortos, glóbulos rojos, etc...), o bien más alargadas (bacilos), más o menos espirales (espirilos, espiroquetas...) o poliédricas (muchas células vegetales). Pero también podemos encontrar formas especiales como la de las neuronas (estrelladas) o los espermatozoides. Incluso podemo encontrar células casi cuadradas.

De todas las formas posibles, la esférica es la que se forma espontáneamente. Cualquier otra forma requiere de la presencia de alguna esctructura (generalmente la pared celular).

La función que realice la célula determina la forma de la misma. Así encontramos diferentes tipos de células: células contráctiles que suelen ser alargadas. Las del tejido nervioso irregulares y con prolongaciones que permiten la transmisión del impulso nervioso. Las del intestino suelen tener pliegues en una de sus caras (microvellosidades) que amplían la superficie de contacto y de intercambio de sustancias. Y, finalmente, las epiteliales que suelen ser cúbicas o prismáticas.

Epidermis de hoja Corte transversal de xilema Microvellosidades intestinales Epiltelio ciliado de tráquea

Unidades de medida en citología

La unidad más utilizada en citología y microbiología es el micrómetro (μm) o micra (μ) para abreviar, que equivale a una milésima parte de un milímetro.

Para dar referencias a detalles de los orgánulos celulares se utilizan unidades más pequeñas como el namómetro (nm), que equivale a la milésima parte de una micra.

Para expresar distancias entre moléculas se utiliza el ángstrom (Å), que es diez veces más pequeño que un nanómetro.

Las dimensiones de las células también presentan una considerable variabilidad. De forma general, las más pequeñas son las procariotas (entre 1 y 2 μ de longitud) mientas que las más grandes son las eucariotas (entre 5 y 200 μ).

Sólo los virus (entre algunas decenas y pocas centenas de nm) superan en pequeñez a los organismos celulares.

Existen excepciones notables a estos valores, como por ejemplo, la bacteria Thiomargarita namibiensis que tiene 0.75 mm de diámetro.

La célula de estructura eucariótica puede ser de dos tipos: animal y vegetal, que se diferencian básicamente en lo siguiente:

ü Existe una pared de secreción gruesa formada por celulosa.

ü Suele haber una sola vacuola grande que desplaza al núcleo hacia un lado.

ü Los plastos almacenan almidón y, si son estimulados por la luz, se enriquecen en clorofila y se convierten en cloroplastos fotosintéticos.

ü Si hay membrana de secreción, es de mucopolisacáridos, la llamada matriz extracelular.

ü Las vacuolas son pequeñas.

ü El núcleo se suele encontrar en el centro.

ü Hay un centrosoma formado por centríolos.

ü Pueden haber cilios, flagelos o emitir pseudópodos.

ü El polisacárido de reserva no es el almidón sinó el glucógeno.