Origen de la teoría celular
Teoría celular
La teoría celular es una parte fundamental de la biología que explica la
constitución de los seres vivos sobre la base de células, el papel que estas
tienen en la constitución de la vida y en la descripción de las principales
características de los seres vivos.1 Las primeras células deberán estar
impulsadas de organismos sencillos capaces de una óptima adaptación, es así
como varios postulados se han basado en experimentos empíricos, donde se trata
de replicar condiciones primitivas, como bajo índice de oxígeno, excesiva
cantidad de dióxido de carbono, ambientes ácidos, entre otras, mediante los
cuales se busca conocer la forma de adaptación y proliferación de los organismos,
con el fin de llegar a un antepasado común del cual se desprenda toda la
historia.
El concepto moderno de teoría
celular se puede resumir en los siguientes principios:
- Absolutamente todos los seres vivos están compuestos por células o por segregaciones de las mismas. Los organismos pueden ser de una sola célula (unicelulares) o de varias (pluricelulares). La célula es la unidad estructural de la materia viva y una célula puede ser suficiente para constituir un organismo.
- Todos los seres vivos se originan a través de las células. Las células no surgen de manera espontánea, sino que proceden de otras anteriores.
- Absolutamente todas las funciones vitales giran en torno a las células o su contacto inmediato. La célula es la unidad fisiológica de la vida. Cada célula es un sistema abierto, que intercambia materia y energía con su medio.
- Las células contienen el material hereditario y también son una unidad genética. Esto permite la transmisión hereditaria de generación a generación.
Niveles de organización
- Partículas fundamentales: la componen los quarks y los leptones que son los constituyentes fundamentales de la materia. Especies de leptones se unen para formar electrones y especies de quarks se unen para formar neutrones y protones. La física es la ciencia que se encarga del estudio de este ámbito junto con el nivel atómico y subatómico.
- Subatómico: este nivel es el más simple de todo y está formado por electrones, protones y neutrones, que son las distintas partículas que configuran el átomo.
- Átomo: es el siguiente nivel de organización. Es un átomo de oxígeno, de hierro, de cualquier elemento químico. A nivel biológico podemos llamar a los átomos como bioelementos y clasificarlos según su función:
- Si cumplen una función estructural son bioelementos primarios: son el carbono, el fósforo, nitrógeno, hidrógeno, oxígeno y azufre que forman, por ejemplo, las membranas de las células, las proteínas, los ácidos grasos, los lípidos…
- Si cumplen una función estructural y catalítica son bioelementos secundarios: calcio, sodio, potasio, magnesio, cloro, iodo… son fundamentales para el funcionamiento de la célula, pero no forman parte estructural de las mismas.
- Si cumplen sólo función catalítica son oligoelementos o elementos vestigiales porque sus cantidades en el organismo son muy escasas como por ejemplo pueden ser el Cobalto, el Zinc, que intervienen en el funcionamiento de ciertas enzimas.
- Moléculas: las moléculas consisten en la unión de diversos átomos diferentes para formas, por ejemplo, oxígeno en estado gaseoso (O2), dióxido de carbono, o simplemente carbohidratos, proteínas, lípidos… Las moléculas pueden ser orgánicas (glucosa, lípidos, grasas) o inorgánicas (agua, sales minerales, gases, óxidos…) La bioquímica se encarga del estudio de este nivel de organización, siendo una de las disciplinas más punteras y que mayor recurso de investigación obtiene en investigación y universidades dentro de las áreas de este artículo. Dentro del nivel molecular se encuentran los virus ya que son complejos moleculares que no tienen las mismas estructuras que los niveles superiores como son los orgánulos.
- Estructuras subcelulares u orgánulos: no es uno de los niveles de organización que tradicionalmente se incluyen ya que está a medio a camino entre las moléculas y las células. Se puede considerar como un paso más, ya que supone la unión de varias moléculas para formar estructuras más grandes como los orgánulos de las células: membranas plasmáticas, aparato de Golgi… La citología o biología celular se encarga del estudio de las células y los orgánulos que las componen.
- Celular: las moléculas se agrupan en unidades celulares con vida propia y capacidad de autorreplicación. Las células pueden ser eucariotas o procariotas dependiendo de su estructura. También pueden formar organismos de vida independiente como son los protozoos, las amebas y las bacterias. La célula es la unidad básica para la vida, tal y como señala la teoría celular.
- Tisular: las células se organizan en tejidos: epitelial, conectivo, nervioso, muscular… En plantas hablaríamos del parénquima, por ejemplo. La histología es la ciencia que se encarga del estudio de los tejidos.
- Organular: los tejidos están estructurados en órganos: corazón, bazo, pulmones, cerebro, riñones… En las plantas, podemos hablar de hojas, tallo, raíz,…
- Sistémico o de aparatos: los órganos se estructuran en aparatos o sistemas más complejos que llevan a cabo funciones más amplias. Tenemos el ejemplo de los sistemas digestivos, respiratorios, circulatorios, nerviosos…
- Organismo: nivel de organización superior en el cual las células, tejidos, órganos y aparatos de funcionamiento forman una organización superior como seres vivos: animales, plantas, insectos,…
- Población: los organismos de la misma especie se agrupan en determinado número para formar un núcleo poblacional: una manada de leones, o lobos, un bosque de arces, pinos… coinciden, además, en el tiempo y el espacio.
- Comunidad: es el conjunto de seres vivos de un lugar, por ejemplo, un conjunto de poblaciones de seres vivos diferentes. Está formada por distintas especies.
- Ecosistema: es la interacción de la comunidad biológica con el medio físico, con una distribución espacial amplia. Las poblaciones, comunidades y ecosistemas son estudiados por la ecología.
- Paisaje: es un nivel de organización superior que comprende varios ecosistemas diferentes dentro de una determinada unidad de superficie. Por ejemplo, el conjunto de vid, olivar y almendros característicos de las provincias del sureste español llamado agrosistemas.
- Región: es un nivel de organización superior al de paisaje y supone una superficie geográfica que agrupa varios paisajes.
- Bioma: Son ecosistemas de gran tamaño asociados a unas determinadas características ambientales: macroclimáticas como la humedad, temperatura, radiación y se basan en la dominancia de una especie, aunque no son homogéneos. Un ejemplo es la taiga que se define por las coníferas que es un elemento identificador muy claro, pero no homogéneo, también se define por la latitud y la temperatura.
- Biosfera: es todo el conjunto de seres vivos y componentes inertes que comprenden el planeta tierra, o de igual modo es la capa de la atmósfera en la que existe vida y que se sustenta sobre la litosfera.
Funciones de carbohidratos, lípidos, proteínas y
ácidos nucleicos
Carbohidratos: Los glúcidos, carbohidratos, hidratos de carbono o
sacáridos son biomoléculas compuestas principalmente de carbono, hidrógeno y
oxígeno, aunque algunos de ellos también contienen otros bioelementos tales
como nitrógeno, azufre y fósforo. Las principales funciones de los glúcidos en los
seres vivos son el brindar energía inmediata (no en vano son la principal
fuente de energía, a través de un proceso de oxidación, en la mayoría de las
células no fotosintéticas), así como una función estructural. Químicamente, los
glúcidos se definen como polihidroxialdehídos o polihidroxicetonas (o en su
defecto, sustancias de cuya hidrólisis dan lugar a estos compuestos), que
denotan la presencia de estos grupos funcionales: el hidroxilo, que se presenta
varias veces a lo largo de la cadena carbonatada, y un grupo carbonilo, que
puede ser aldehído o cetona. Las formas biológicas primarias de almacenamiento
y consumo de energía; la celulosa cumple con una función estructural al formar
parte de la pared de las células vegetales, mientras que la quitina es el
principal constituyente del exoesqueleto de los artrópodos.
Lípidos: Los lípidos son un conjunto de moléculas orgánicas (la
mayoría biomoléculas), que están constituidas principalmente por carbono e
hidrógeno y en menor medida por oxígeno que integran cadenas hidrocarbonadas
alifáticas o aromáticas, aunque, también pueden contener fósforo, azufre y
nitrógeno. Debido a su estructura, son moléculas hidrófobas (insolubles en
agua), pero son solubles en disolventes orgánicos no polares como la bencina,
el benceno y el cloroformo lo que permite su extracción mediante este tipo de
disolventes. A los lípidos se les llama incorrectamente grasas, ya que las
grasas son solo un tipo de lípidos procedentes de animales y son los más
ampliamente distribuidos en los organismos vivos.
Los lípidos cumplen funciones
diversas en los organismos vivientes, entre ellas la de reserva energética
(como los triglicéridos), estructural (como los fosfolípidos de las bicapas) y
reguladora (como las hormonas esteroides). Además, se les atribuye la capacidad
de ser aislantes naturales, ya que son malos conductores del calor.
Proteínas: Las proteínas son macromoléculas formadas por cadenas
lineales de aminoácidos. Estas se ensamblan de diversas formas lo que les
permite participar como los principales componentes estructurales de las
células y los tejidos. Por este motivo el crecimiento, la reparación y el
mantenimiento del organismo dependen de ellas.
Por sus propiedades
fisicoquímicas, las proteínas se pueden clasificar en proteínas simples
(holoproteidos), formadas solo por aminoácidos o sus derivados; proteínas
conjugadas (heteroproteidos), formadas por aminoácidos acompañados de
sustancias diversas, y proteínas derivadas, sustancias formadas por
desnaturalización y desdoblamiento de las anteriores. Están constituidas por
unidades estructurales llamados polímeros4. Las proteínas son necesarias para
la vida, sobre todo por su función plástica (constituyen el 80 % del
protoplasma deshidratado de toda célula), pero también por sus funciones
biorreguladoras (forman parte de las enzimas) y de defensa (los anticuerpos son
proteínas).
Las proteínas desempeñan un papel
fundamental para la vida. Representan alrededor del 50 % del peso seco de los
tejidos. Son las biomoléculas más versátiles y diversas. Son imprescindibles
para el crecimiento del organismo y realizan una enorme cantidad de funciones
diferentes, entre las que destacan:
- Estructural. Esta es la función más importante de una proteína (Ej.: colágeno)
- Contráctil (actina y miosina)
- Enzimática (Ej.: sacarasa y pepsina)
- Homeostática: colaboran en el mantenimiento del pH (ya que actúan como un tampón químico)
- Inmunológica (anticuerpos)
- Producción de costras (Ej.: fibrina)
- Protectora o defensiva (Ej.: trombina y fibrinógeno)
- Transducción de señales (Ej.: rodopsina).
Ácidos nucleicos: Los ácidos nucleicos son grandes polímeros
formados por la repetición de monómeros denominados nucleótidos, unidos
mediante enlaces fosfodiéster. Se forman largas cadenas; algunas moléculas de
ácidos nucleicos llegan a alcanzar tamaños gigantescos, de millones de
nucleótidos encadenados. Existen dos tipos básicos, el ADN y el ARN. Todos los
organismos poseen estas biomoléculas que dirigen y controlan la síntesis de sus
proteínas, proporcionando la información que determina su especificidad y
características biológicas, ya que contienen las instrucciones necesarias para
realizar los procesos vitales y son las responsables de todas las funciones
básicas en el organismo.
Los ácidos nucleicos, a su manera
respectiva y específica, sirven para el almacenamiento, lectura y trascripción
del material genético contenido en la célula. En consecuencia, intervienen en
los procesos de construcción (síntesis) de proteínas en el interior de la
célula. La misma ocurre siempre que fabrica enzimas, hormonas y otras
sustancias indispensables para el mantenimiento del cuerpo.
Por otro lado, los ácidos
nucleicos también participan de la replicación celular, o sea, de la generación
de nuevas células en el cuerpo, y en la reproducción del individuo completo, ya
que las células sexuales poseen la mitad del genoma (ADN) completo de cada
progenitor. El ADN codifica la totalidad de la información genética del
organismo a través de su secuencia de nucleótidos. En ese sentido, podemos
decir que el ADN opera como un molde de nucleótidos
En cambio, el ARN sirve como
operador a partir de dicho código, copiándolo y llevándolo a los ribosomas
celulares, donde se procederá al ensamblaje de las proteínas. Como se verá, es
un proceso complejo que no podría darse sin estos compuestos fundamentales para
la vida.
Células procariotas: estructura y función
Las células procariotas o
procariontes son organismos vivientes unicelulares, pertenecientes al imperio
Prokaryota o reino Monera, dependiendo de la clasificación biológica que se
prefiera. Estas células se caracterizan por no tener núcleo celular, sino tener
su material genético disperso en el citoplasma, apenas reunido en una zona
llamada nucleoide.
Los organismos procariotas son
evolutivamente anteriores a los eucariotas, es decir, los provistos de núcleo.
Las formas de vida más simple eran y son todavía procariotas, como las
bacterias y las arqueas.
Así, las células procariotas
pueden ser autótrofas (elaboran su propio alimento) o heterótrofas (se
alimentan de materia orgánica ajena), tanto aerobias (requieren de oxígeno)
como anaerobias (no requieren de oxígeno), lo cual se traduce en varios
mecanismos de nutrición:
- Fotosíntesis. Tal y como las plantas, algunos procariontes pueden sintetizar energía química a partir de la luz solar, tanto en presencia como en ausencia de oxígeno.
- Quimiosíntesis. Semejante a la fotosíntesis, las células emprenden la oxidación de materia inorgánica como mecanismo para obtener su energía y obtener su propia materia orgánica para crecer.
- Nutrición saprófita. Basada en la descomposición de la materia orgánica dejada por otros seres vivos, ya sea al morir o como restos de su propia alimentación.
- Nutrición simbiótica. Algunos procariontes obtienen su materia orgánica para existir a partir de otros seres vivos, generándoles un beneficio y por ende colaborando para existir.
- Nutrición parásita. La contraria a la simbiótica: el organismo se nutre a partir de la materia orgánica de otro mayor, al que perjudica en el proceso, aunque no llegue a matarlo directamente.
Tipos de célula procariota
Las células procariotas pueden
ser de cuatro tipos, de acuerdo a su morfología:
- Coco. Un tipo morfológico típico de las bacterias, presentan forma más o menos esférica y uniforme.
- Bacilo. Con forma de bastón, incluyen una vasta gama de bacterias y otros organismos saprófitos de vida libre.
- Vibrio. Un género de proteobacterias responsables de la mayoría de las enfermedades infecciosas en el hombre y los animales superiores, sobre todo aquellas típicas del tracto digestivo, como el cólera.
- Espirilos. Poseen forma helicoidal o de espiral, suelen ser muy pequeñas y abarcan desde bacterias patógenas hasta autótrofas.
- Pleomórficas. Es decir, de forma cambiante, principalmente referido a las arqueas.
- Rectangulares. También típica forma de las arqueas como la Haloquadratum.
Partes y funciones de una célula procariota
- Membrana plasmática. Aquella frontera que divide el interior y el exterior de la célula, a su vez sirviendo de filtro para permitir el ingreso de nutrientes o la salida de residuos.
- Pared celular. Un rasgo compartido con vegetales y hongos, consiste en una fibra resistente y rígida que le confiere forma definida a la célula y una capa adicional de protección.
- Citoplasma. El interior mismo de la célula, es decir, una sustancia coloidal muy fina que compone el “cuerpo” celular.
- Nucleoide. Sin llegar a ser un núcleo, sino una región muy dispersa, es la parte del citoplasma en donde suele hallarse el material genético dentro de la célula procariota. Este material genético es, obviamente, indispensable para la reproducción.
- Ribosomas. Un complejo de proteínas y piezas de ARN presentes en todas las células (excepto los espermatozoides), y permiten la expresión y traducción de la información genética, es decir, sintetizan las proteínas requeridas por la célula en sus diversos procesos biológicos, conforme a lo estipulado en el ADN.
- Compartimientos procariotas. Exclusivos de este tipo celular, varían según el tipo de organismo y tienen funciones muy específicas dentro de su metabolismo. Algunos ejemplos son: clorosomas (para la fotosíntesis), carboxisomas (para fijar el CO2), ficobilisomas (pigmentos moleculares para recoger la luz solar), magnetosomas (permiten orientación conforme al campo magnético terrestre), etc.
Adicionalmente, estas células pueden presentar:
- Flagelo. Orgánulo empleado para movilizar la célula, a modo de cola propulsora.
- Membrana externa. Una barrera celular adicional que caracteriza a las bacterias gram-negativas.
- Periplasma. Un espacio que rodea al citoplasma y lo separa de las membranas externas, permitiendo así una mayor efectividad en distintos tipos de intercambio energético.
- Plásmidos. Formas de ADN no cromosómico, de forma circular, que en ciertas bacterias acompañan al ADN bacteriano y se replican de modo independiente, confiriéndole características esenciales para una mayor adaptabilidad al medio ambiente.
Células eucariotas: estructura y función
Se llama célula eucariota (del
vocablo griego eukaryota, unión de eu– “verdadero” y karyon “nuez, núcleo”) a
todas aquellas en cuyos citoplasmas pueda hallarse un núcleo celular bien
definido, cuyo interior contiene el material genético (ADN y ARN) del
organismo. En esto se distinguen de las células procariotas, mucho más
primitivas y cuyo material genético está disperso en el citoplasma.
La aparición de las células
eucariotas constituyó un paso importante en la evolución de la vida, pues sentó
las bases para una diversidad biológica mucho mayor, incluida la posibilidad de
células especificadas dentro de organizaciones pluricelulares, dando origen a
los reinos superiores: animales, plantas, hongos y protistas. Los seres vivos
formados por células eucariotas se denominan eucariontes.
Tipos de célula eucariota
Existen diversos tipos de célula
eucariota, pero fundamentalmente se reconocen tres, cada una con estructuras y
procesos diferentes:
- Células vegetales. Con una pared celular de celulosa y proteínas que recubre su membrana y las hace rígidas, resistentes, tienen cloroplastos portadores de la clorofila necesaria para hacer fotosíntesis.
- Células animales. Sin plastos ni paredes celulares, tienen centriolos y vacuolas de menor tamaño, aunque más abundantes.
- Células de los hongos. Aunque presentan pared celular semejante a la vegetal, ésta está hecha de quitina, y por ende tienen una menor definición celular. Se pueden considerar un paso intermedio entre animal y vegetal, pues no hacen fotosíntesis.
Partes y funciones de una célula eucariota
- Membrana celular o plasmática. Una doble barrera de lípidos que rodea y delimita a la célula, permeable selectivamente: permite el acceso de sólo sustancias deseadas al citoplasma y también la expulsión de los desechos metabólicos.
- Pared celular. Presente sólo en las células vegetales y de los hongos, es un muro rígido de celulosa (vegetales) o quitina (hongos) que protege la célula aunque le impide su crecimiento, constriñéndola a estructuras fijas.
- Núcleo. Un orgánulo central donde se hallan contenidos los cromosomas, portadores del material genético (ADN y ARN).
- Citoplasma. Compuesto más que nada de agua y compartimientos separados por membranas internas, en los cuales están los distintos orgánulos de la célula. Estos últimos pueden ser:
- Lisosomas. Con material digestivo indispensable para asimilar las sustancias que ingresan a la célula.
- Mitocondrias. Los motores del proceso metabólico, es decir, los centros de energía a través de respiración o fotosíntesis.
- Cloroplastos. Ya que contienen la clorofila, existen sólo en las células vegetales. Gracias al pigmento que contienen las plantas tienen su color verde característico.
Diferencias entre células eucariotas y procariotas
Procesos fisiológicos, transporte molecular a través de la membrana
celular y su incidencia en aspectos metabólicos (fotosíntesis, respiración,
reproducción y fermentación
Transporte a través de la membrana: la bicapa lipídica de la
membrana actúa como una barrera que separa dos medios acuosos, el medio donde
vive la célula y el medio interna celular. Las células requieren nutrientes del
exterior y deben eliminar sustancias de desecho procedentes del metabolismo y
mantener su medio interno estable.
Llamamos transporte celular al
movimiento constante de sustancias en ambas direcciones a través de la membrana
de una célula. El transporte celular es el mecanismo mediante el cual entran a
la célula los materiales que se necesitan mientras salen los materiales de
desecho y las secreciones celulares.
- Transporte activo: es el movimiento de materiales a través de la membrana, usando energía.
- Transporte pasivo: es el movimiento de sustancias a través de la membrana celular que no requiere energía celular.
Respiración celular: es el conjunto de reacciones químicas por las
cuales determinados compuestos orgánicos son degradados completamente, por
oxidación, hasta su conversión en sustancias inorgánicas proceso que rinde
energía. Estas reacciones se llevan a cabo en las mitocondrias.
Se divide en:
- Respiración aeróbica: los seres vivos atraen energía de moléculas orgánicas como la glucosa por un complejo en el que el carbono es oxido y en el que el oxigeno procedente del aire es oxidante empleado.
- Respiración anaeróbica: es la que no interviene el oxígeno, sino que emplea otros compuestos, la respiración anaeróbica está presente en algunos organismos procariontes.
Fermentación: es el proceso catabólico de oxidación incompleta,
totalmente anaeróbica siendo el producto final un compuesto orgánico. La
fermentación puede ser natural, cuando las condiciones ambientales permiten la
interacción del microorganismo y los sustratos orgánicos susceptibles; o
artificiales, cuando el hombre propicia condiciones y el contacto referido.
Fotosíntesis: es la conversión de la materia inorgánica en materia
orgánica gracias a la energía que aporta la luz, en este proceso la energía
luminosa se transforma en energía química establece siendo adenosín trifosfato
(ATP) la primera molécula en que queda almacenada esa energía química. Los
organismos que tienen la capacidad de llevar acabo la fotosíntesis son llamadas
foto autótrofo (otra nomenclatura posible es la de autótrofos) pero se debe
tener en cuenta que debajo esta denominación también se engloban aquellas
bacterias que realizan la quimio síntesis.
