LA CÉLULA

1. LA TEORÍA CELULAR

La invención del microscopio en el siglo XVII permitió la observación de las primeras células por parte de investigadores (como Robert Hook, primero en observarlas y autor del término cellula, de celda) y artesanos (como Antony van Leeuwenhoek, pañero y fabricante de lentes que observó las primeras células sanguíneas, espermatozoides y microorganismos). Sin embargo, estos autores no comprendieron la importancia de sus observaciones y el microscopio se convirtió en una mera curiosidad. En el siglo XIX se desarrollaron mejores lentes, se mejoraron las técnicas de tinción y microtomía (cortes finos de tejidos) y los científicos se convirtieron en profesionales. Todo ello contribuyó al gran impulso de la microscopía. En 1831 Robert Brown descubre el núcleo celular y le supone gran importancia. En 1838, el botánico alemán Matthias Schleiden comprueba que las plantas están formadas por células. En 1839 el zoólogo alemán Theodor Schwann descubre que también los animales están formados por células. Ello le llevó a postular dos principios: Todos los organismos están formados por una o más células. La célula es la unidad estructural de la vida. A pesar de estos avances, muchos científicos aún creían en la generación espontánea. No sería hasta 1864 en que Pasteur demostró definitivamente la falsedad de dicha teoría. En 1855, gracias a numerosos estudios previos, Rudolph Virchow estableció el principio omnis cellula e cellula (toda célula proviene de otra). Así quedaba definitivamente establecida la moderna teoría celular: La célula es la unidad anatómica y fisiológica de los seres vivos. Es decir, todos los organismos están formados por una o más células y las funciones vitales las realizan las células. Toda célula procede de una preexistente por división. La información genética pasa de generación en generación. Dicha información permite las funciones celulares y su división. El metabolismo de cualquier ser vivo tiene lugar en sus células.

2. ORIGEN Y EVOLUCIÓN CELULAR

2.1. LAS PRIMERAS CÉLULAS

Aunque el proceso por el que se originó la vida sigue siendo un misterio sin explicar completamente, todo parece indicar que las primeras células aparecieron en la Tierra, probablemente en el mar, hace unos 3.800 millones de años. Estas primeras células tenían estructura procariota y se han denominado progenotes o protobiontes. Los protobiontes eran estructuras membranosas que contenían una molécula autorreplicativa, quizás ARN, que podía fabricar proteínas. La evolución de estos primeros organismos llevó a la aparición de la fotosíntesis y de la respiración y, en último término, a toda la diversidad que se observa hoy día.

2.2. LAS CÉLULAS EUCARIOTAS

Las células eucariotas son mucho más complejas que las procariotas y aparecieron por evolución de éstas. Las membranas internas (como el retículo endoplasmático) y los procesos de endo y exocitosis pueden explicarse por pliegues en la membrana plasmática. Sin embargo, el origen de los orgánulos membranosos complejos como mitocondrias y cloroplastos deben tener un origen diferente. Según la teoría más aceptada actualmente, los precursores de los eucariotas serían organismos unicelulares llamados urcariotas. Éstos habrían perdido la pared, adquirido un gran tamaño, desarrollado procesos de fagocitosis e incorporado a su citoplasma estructuras proteicas que actuarían como un primitivo citoesqueleto. La teoría endosimbiótica (propuesta por Lynn Margulis) sostiene que los diferentes orgánulos serían bacterias que fueron fagocitadas o parasitaron a los urcariotas. En lugar de ser digeridas, dichas bacterias quedaron en el interior de los urcariotas realizando diferentes funciones en simbiosis con sus huéspedes. Peroxisomas y mitocondrias provendrían de bacterias aerobias. Los cloroplastos derivarían de primitivas cianobacterias, primeros organismos fotosintéticos. Cilios y flagelos provendrían de espiroquetas. El núcleo se habría formado por la fusión del genoma urcariota con una arqueobacteria endosimbionte.

3. NIVELES DE ORGANIZACIÓN CELULAR

Aunque la célula es la unidad estructural y funcional de los seres vivos, no todas ellas tienen la misma organización.

3.1. ORGANIZACIÓN ACELULAR: VIRUS

Los virus son organismos muy sencillos, sin estructura celular. Carecen de metabolismo propio, por lo que son parásitos obligados de diferentes tipos de células. Constan de un material genético (que puede ser ARN o ADN) y una envoltura proteica llamada cápsida. Algunos virus poseen, además, una envoltura membranosa obtenida de las células que parasitan.

3.2. ORGANIZACIÓN PROCARIOTA

Las células procariotas tienen una estructura muy sencilla. Carecen de verdadero núcleo y, en general, de orgánulos membranosos. Los procariotas más típicos son las bacterias, células pequeñas (1 a 10 μm). La membrana plasmática delimita un espacio interno continuo, el citoplasma. Estas células constan de: Pared celular. Estructura rígida que envuelve a la membrana. Algunas bacterias (micoplasmas) carecen de ella. Cápsula. Estructura temporal, flexible y externa a la pared que sólo presentan ciertas bacterias y les proporciona resistencia frente a condiciones adversas. Membrana plasmática. Bicapa lipídica con proteínas, incluidas algunas enzimas. Ribosomas. Orgánulos no membranosos, libres en el citoplasma, que se encargan de la síntesis proteica. Nucleoide. Una única molécula circular de ADN, asociada a proteínas no histónicas, y enrollada en superhélice. Plásmidos. Pequeñas moléculas circulares de ADN. Pueden unirse al nucleoide y ser transferidas a otras bacterias. Flagelos. Sólo en algunas bacterias. Son prolongaciones no envueltas por la membrana, con movimiento ondulatorio y que permiten el movimiento de la célula. Fimbrias. Prolongaciones cortas y numerosas, formadas por prolongaciones citoplasmáticas, que permiten la adherencia a superficies. Pili. Prolongaciones muy similares a las fimbrias, pero más largas y encargadas de la conjugación bacteriana.

3.3. ORGANIZACIÓN EUCARIOTA

Mucho mayor y más compleja que la procariota, la célula eucariota presenta una membrana plasmática que delimita un citoplasma compartimentado por numerosos orgánulos membranosos. Tienen un núcleo verdadero, formado por una doble membrana que contiene el material genético. El citoplasma consta de una porción acuosa, el citosol, y una parte proteica, el citoesqueleto. Existen dos tipos de organización eucariota: la célula animal y la célula vegetal. 3.3.1. LA CÉLULA ANIMAL Muy compleja y con elevada actividad metabólica. Consta de: Membrana plasmática. Bicapa lipídica con proteínas y glúcidos. Controla el paso de sustancias y se encarga de la comunicación celular. Citosol. Medio acuoso del citoplasma donde transcurre gran parte del metabolismo. Contiene enzimas, inclusiones y biomoléculas. Citoesqueleto. Conjunto de microtúbulos y filamentos proteicos que dan forma a la célula y contribuyen a su movimiento y el de los orgánulos. Núcleo Orgánulo membranoso de gran tamaño. Tiene doble membrana y contiene la cromatina (ADN asociado a proteínas histónicas), así como uno o varios nucleolos. Centríolos. Estructuras cilíndricas formadas por microtúbulos. Contribuyen a organizar el resto de microtúbulos. Ribosomas. Orgánulos no membranosos. Sintetizan proteínas. Pueden estar libres o adheridos a la membrana del RER y del núcleo. Retículo endoplasmático (RE). Red de espacios membranosos interconectados. Hay un RE liso, sin ribosomas, que sintetiza lípidos; y un RE rugoso, con ribosomas, que sintetiza proteínas. Aparato de Golgi. Sáculos membranosos apilados. Distribuye y secreta sustancias elaboradas en el RE. Mitocondrias. Orgánulos con doble membrana encargados de obtener energía mediante la respiración celular. Lisosomas. Vesículas membranosas con hidrolasas para la digestión intracelular. Peroxisomas. Vesículas membranosas encargadas de reacciones de oxidación. 3.3.2. LA CÉLULA VEGETAL Tienen una organización semejante a la animal. Contiene los mismos orgánulos, salvo los centríolos. Se comunican entre ellas mediante perforaciones de la pared llamadas plasmodesmos. La célula vegetal contiene las siguientes estructuras exclusivas: Pared celular. Envoltura rígida por fuera de la membrana plasmática. Está formada principalmente por celulosa. Existe una pared primaria, delgada y flexible, típica de células jóvenes; y una pared secundaria, gruesa y rígida, en células adultas. Plastos. Orgánulos con doble membrana y diferentes tipos. Amiloplastos: almacenan almidón. Cromoplastos: plastos que almacenan pigmentos que dan color a flores, raíces y frutos. Oleoplastos: almacenan lípidos. Proteinoplastos: almacenan proteínas. Cloroplastos: de color verde, contienen pigmentos diversos y membranas internas (tilacoides) para realizar la fotosíntesis. Vacuolas: orgánulos membranosos de gran tamaño que realizan diversas funciones: ósmosis, digestión, almacén de nutrientes y desechos, etc.

4. MÉTODOS DE ESTUDIO DE LAS CÉLULAS

La invención del microscopio en el siglo XVII permitió el descubrimiento y estudio de la célula y los organismos microscópicos. Desde entonces, los avances en microscopía y el desarrollo de nuevas técnicas han logrado espectaculares avances en biología celular.

4.1. MICROSCOPÍA

Dado que la mayoría de las células tienen un tamaño menor de 200 μm, que es la resolución del ojo humano, se precisa de un microscopio para su observación. Básicamente existen dos tipos de microscopios empleados en biología: ópticos y electrónicos. 4.1.1. MICROSCOPIOS ÓPTICOS Emplean luz visible o radiaciones de longitud de onda cercana (ultravioleta). Existe una gran variedad de tipos. Microscopio de campo claro o luminoso. Microscopio compuesto (con varias lentes) y una fuente de iluminación. Es el más usado y tiene un poder de resolución (distancia mínima entre dos puntos a la cual se distinguen por separado) de unas 0,2 μm (200 nm). Para su uso se requieren técnicas de tinción y microtomía (cortes finos). Microscopio de campo oscuro. Similar al anterior, pero utiliza un haz de luz potente que se enfoca en el objeto a observar. Dicho objeto dispersa la luz y se ve sobre un fondo oscuro. Permite observar especímenes sin tratamientos, vivos. Microscopio de contraste de fases. Aprovecha el diferente índice de refracción que tienen las distintas partes de una célula. Las incrementa y permite ver células vivas, sin teñir, así como cortes semifinos de tejidos. Dos modificaciones de éste son el microscopio de interferencia (que permite medidas cuantitativas de la masa) y el de interferencia diferencial (que muestra imágenes con aspecto tridimensional). Microscopio de luz polarizada. Permite distinguir materia con una organización similar a un cristal (anisótropas), como minerales, citoesqueleto y algunas proteínas. Microscopio de fluorescencia. Se emplea para observar células tratadas con sustancias fluorescentes (fluorocromos) que se fijan a aciertas estructuras. Cuando la célula se ilumina con una determinada longitud de onda, dichas sustancias emiten luz y se puede localizar. Permite detectar secuencias específicas del ADN o utilizar inmunofluorescencia. Microscopio confocal. Utiliza fluorescencia, pero sólo observa un punto cada vez. Realizando un barrido rápido de muchos puntos se obtienen imágenes tridimensionales de gran calidad. Incluso se pueden observar células en movimiento. 4.1.2. MICROSCOPIOS ELECTRÓNICOS Las limitaciones del microscopio óptico, que no permite ver estructuras internas de la célula, por ejemplo, llevó al desarrollo en el siglo XX del microscopio electrónico (ME). Este microscopio utiliza un haz de electrones, en lugar de luz visible, para obtener imágenes. Los e - son dirigidos mediante electroimanes. Con ello se consigue una resolución unas 100 veces mayor que la del microscopio óptico, es decir, alrededor de 1 o 2 nm. No obstante, presenta ciertos inconvenientes graves a la hora de observar material biológico, por lo que se requieren complejas técnicas de microscopía electrónica. Además, las imágenes obtenidas no tienen color, por lo que, a veces, se añade artificialmente. También existen diversos tipos de ME: Microscopio electrónico de transmisión (MET). Dirige los e - directamente al objeto a observar. Unos rebotarán y otros lo atravesarán, quedando recogidos en una pantalla. Se logran así aumentos de hasta un millón de veces. Requiere cortes ultrafinos (<200 nm) realizados con ultramicrotomos. Microscopio electrónico de barrido (MEB). El material a observar se recubre con un metal pesado y los e - rebotan hacia una pantalla. Crea imágenes tridimensionales de gran calidad, aunque de menor aumento que el MET.

4.2. SEPARACIÓN Y FRACCIONAMIENTO CELULAR

Para ciertos estudios se precisa la separación de las células de sus tejidos y el aislamiento de sus estructuras. Algunas técnicas usadas son: Separación de las células. Se separan del tejido mediante procesos mecánicos. Rotura de las células. Trata de romper la membrana plasmática para obtener los orgánulos del interior. Se puede hacer por procesos osmóticos, ultrasonidos, detergentes, aplastamiento, etc. Ultracentrifugación. Permite la separación de los diferentes orgánulos y estructuras. Se someten las células rotas a rotación a altas velocidades en una ultracentrífuga. Cada velocidad separa un tipo de componente.

4.3. RADIOISÓTOPOS

Un radioisótopo es un átomo inestable, que tiende a desintegrarse y emitir radiación o partículas hasta convertirse en un átomo estable. Los más empleados en citología son el 3 H (tritio), el 32 P y 35 S. Cuando se suministran estos radioisótopos al cultivo de células, éstas los incorporan en su metabolismo. Mediante la autorradiografía, una emulsión fotográfica detecta la radiactividad y permite localizar los radioisótopos en las células o tejidos.

4.4. CULTIVOS CELULARES

Actualmente, la mayoría de las células se pueden hacer crecer en laboratorio. Para ello se emplean cultivos celulares, medios con todos los nutrientes y condiciones celulares para que células aisladas o tejidos permanezcan vivos y se dividan. Dado que la mayoría de las células sólo pueden dividirse un número limitado de veces antes de morir, suelen emplearse líneas celulares, cultivos que pueden mantenerse indefinidamente.

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