TEXTOS DE CONCEPTOS BÁSICOS

BLOQUE 'EL MUNDO DE LO MICROSCÓPICO' 1

Sesión 3. La biología de la célula*

Los organismos vivientes están formados por unidades básicas llamadas células, en cuyo interior ocurren actividades y fenómenos que distinguen a unas de otras.

Algunos organismos son muy simples y se componen de una sola célula, por lo que se les conoce como unicelulares. Dentro de esa única célula se llevan a cabo todas las actividades (funciones) del organismo unicelular.

Otros organismos más grandes están formados por muchas células, hasta por millones de ellas y se conocen como multicelulares. Las funciones de los organismos multicelulares (también conocidos como pluricelulares) se dividen entre sus muchos tipos de células.

La mayoría de las células son tan pequeñas que el ojo humano no puede verlas a simple vista. No fue sino hasta la invención del microscopio que se descubrieron y se estudiaron las células. Este instrumento de aumento demostró ser uno de los inventos más importantes en la historia de la ciencia. Su desarrollo, desde los más simples hasta el microscopio electrónico actual, ha permitido a los científicos estudiar la estructura y las funciones celulares con más detalle.

Los primeros microscopios se hicieron alrededor del año 1600. Galileo Galilei, escritor y  hombre de ciencia italiano, hizo un microscopio con el que observó insectos. El de Galileo era un microscopio compuesto, es decir, formado por dos lentes. Cada una de esas lentes estaba montada en el extremo de un tubo hueco y el efecto de observar a través de ellas era el de un cierto aumento, pero no suficiente para observar las células.

Figura l. Microscopio de Leeuwenhoek

La primera persona que observó células vegetales muertras (en el corcho) fue el inglés Robert Hooke, quien al mejorar el diserto del microscopio compuesto observó muchos objetos, incluyendo unas láminas muy delgadas de este material. En 1665, en su libro Micrografta, Hooke usó la palabra células (celdas pequeñas) para describir lo que había observado en el corcho. De hecho, ésas no eran células vivientes, sino las paredes de las células que alguna vez habían estado vivas. Sin embargo, se le reconoce a este científico haber sido la primera persona en observar e identificar a las células, aumentadas unas 30 veces. Unos años después de las observaciones de Hooke, Antón Van Leeuwenhoek, un comerciante holandés, vio también las células pero aumentadas ahora hasta 200 veces, lo cual añadía gran cantidad de detalles a lo observado por Hooke y permitía observar células sanguíneas, bacterias y organismos unicelulares presentes en una gota de agua.

La teoría celular

Para el siglo XIX, los microscopios habían mejorado mucho. Los científicos pudieron estudiar estructuras nunca antes vistas en las células. En 1883, Robert Brown, un botánico escocés, descubrió que las células de las hojas de orquídeas tenían una estructura central. A esta estructura la conocemos ahora como núcleo. Pocos años más tarde se usó la palabra ‘protoplasma’ para referirse al material del interior de las células. En 1838, Matthew Scheliden, un botánico alemán, propuso, como resultado de sus observaciones en tejidos vegetales, la hipótesis de que todas las plantas están formadas por células. Al año siguiente, Theodor Schwann, un zoólogo alemán, luego de haber observado tejido animal, amplió la hipótesis y propuso que los animales también están formados por células. Schwann propuso además que los procesos de vida de los organismos ocurren dentro de las células. En 1858, Rudolf Virchow presentó evidencias de que las células se reproducen para formar nuevas células, lo que derivó en las siguientes afirmaciones que se conocen como la ‘teoría celular’:

.Todos los organismos están formados por una o más células.

.La célula es la unidad básica de estructura y función de los organismos.

.Las células nuevas provienen, por reproducción celular, de células que ya existen.

Estructura y composición de una célula

La célula es la estructura más pequeña con funcionamiento propio de todos los seres vivos. Las células presentan tres partes claramente diferenciadas: membrana, citoplasma y núcleo. Cada una de éstas desempeña una función dentro de la célula.

. Membrana. La membrana celular o plasmática es una parte importante de la célula, debido a que conserva y mantiene constantes las condiciones del interior. La principal función de la membrana consiste en regular el intercambio de sustancias; intercambio que se realiza a través de una serie de poros. Por esto se dice que la membrana es selectivamente permeable (deja pasar algunas sustancias pero otras no).

Composición de la membrana. Las membranas celulares están constituidas en un 60% por agua y dos capas de grasas, entre las cuales se insertan algunas proteínas.

. Citoplasma. El citoplasma es la parte de la célula comprendida entre la membrana celular y el núcleo. En este espacio se halla el hialoplasma, que es una sustancia incolora donde se encuentran diversos elementos celulares.

En el citoplasma, los alimentos se convierten en sustancias útiles y pasan a formar parte de la célula; las partes no aprovechables de los alimentos son expulsadas del citoplasma a través de la membrana.

Composición del citoplasma. El citoplasma está constituido aproximadamente por un 95% de agua y otros compuestos, como las proteínas, glúcidos, lípidos y ácidos nucleicos. Estos últimos contienen la información hereditaria de la célula.

Dentro del citoplasma también se encuentran, en diferentes proporciones, sustancias como el bióxido de carbono y algunas sales minerales como el cloruro de sodio (sal común), disueltas en el agua del medio.

Figura 2. Célula animal y sus partes

. Núcleo. El núcleo es un cuerpo esférico, también llamado nucleoplasma. Está separado del citoplasma por una envoltura nuclear, de composición semejante a la membrana celular. Presenta un gran número de poros que permiten el intercambio de diversas sustancias con el citoplasma. En el nucleoplasma se encuentran el nucleolo y la cromatina.

El nucleolo es esférico, de aspecto esponjoso. La cromatina es la sustancia portadora de los factores de la herencia: está formada por ADN (ácido desoxirribonucleico, que es una sustancia que por su estructura puede guardar la información genética) y gran cantidad de proteínas. El núcleo de la célula se encarga de dirigir y provocar toda la actividad que ocurre en el citoplasma.

Composición del núcleo. El agua constituye hasta el 90% del volumen del núcleo; existen, además, sustancias como las proteínas, lípidos, ácidos nucleicos y algunas sales minerales.

Descripción de los organelos celulares

En el citoplasma existen muchos elementos celulares u organelos, cada uno desempeña una función específica para las células; la mayoría tiene una forma propia. Algunos organelos son comunes a todas las células y otros son exclusivos de las células vegetales.

Organelos comunes a todas las células

Enseguida se describirán los organelos que forman parte de la mayoría de las células.

. Retículo endoplasmático. Es una red de conductos o canales que recorren todo el citoplasma, comunican el núcleo con el citoplasma y éste con el exterior de la célula. Su principal función es almacenar las proteínas fabricadas en los ribosomas para después distribuirlas en el citoplasma.

.Ribosomas. Tienen forma esférica y cada uno está constituido por dos unidades de proteína. Se forman en el retículo endoplasmático e intervienen en la fabricación de proteínas.

.Aparato de Golgi. Es un sistema de sacos aplanados llamados discoidales, cuya misión es construir ciertos glúcidos y almacenarlos junto con algunas proteínas. Además interviene en el transporte y acumulación de muchas sustancias.

.Vacuolas. Son sacos formados por una membrana sencilla, cuya función consiste en almacenar agua y sustancias de reserva: almidones y grasas, sustancias de desecho y sales. Las vacuolas son más frecuentes en las células vegetales que en las animales.

.Lisosomas. Son pequeñas bolsas globulares, cargadas de jugos digestivos, que se forman en el aparato de Golgi. Su función consiste en realizar la digestión de las sustancias ingeridas por la célula. Los lisosomas son abundantes en las células defensoras del organismo, como son los glóbulos blancos.

. Mitocondrias. Son organelos generalmente de forma esférica o de bastoncillo. Están formadas por un sistema de doble membrana; su parte externa es lisa, y su parte interna tiene una serie de pliegues, los cuales forman crestas. Su función es proveer la energía necesaria para las funciones celulares.

Figura 3. Aparato de Golgi	Figura 4. Mitocondria

Organelos exclusivos de células vegetales

Los organelos propios de las células vegetales son la pared celular y los cloroplastos.

.Cloroplastos. Tienen forma ovoide y se encuentran exclusivamente en las células vegetales. Su función radica en captar la luz por medio de la clorofila, pigmento de color verde que transforma la energía lumínica en energía química, que es aprovechada por la célula para realizar la fotosíntesis.

.Pared celular o cápsula de secreción. Es una capa rígida y gruesa que rodea a las células vegetales. Su función es proporcionar sostén a las células de las plantas.

Figura 5. Célula vegetal y sus partes

El transporte celular

Dentro de la célula se llevan a cabo muchas actividades metabólicas: los azúcares se rompen para liberar energía, se forman proteínas a partir de materiales simples y se producen diversos materiales de desecho. La célula necesita recibir constantemente materiales para llevar a cabo sus procesos vitales. Los materiales de desecho se deben eliminar antes de que se acumulen y le causen daño a la célula. Por medio del intercambio de materiales con el ambiente, la célula obtiene sus nutrientes, elimina sus desechos y puede seguir funcionando.

La membrana celular es la estructura que ayuda a controlar el paso de materiales entre la célula y su ambiente. La membrana puede impedir que algunas sustancias, como las proteínas y los lípidos, entren a la célula. Pero la membrana permite el paso de azúcares simples, oxígeno, agua y bióxido de carbono. Por esta razón, decimos que la membrana es selectivamente permeable. El grueso de la misma es de 7.5 a 10 nanómetros. La membrana se compone casi completamente de moléculas de proteínas y lípidos. En un microscopio electrónico puede verse cómo las moléculas que forman las capas de lípidos tienen dos regiones: el extremo de la ‘cabeza’ y el extremo de la ‘cola’. Estas moléculas de lípidos están dispuestas en dos capas en la membrana celular. Observa que las ‘colas’ de una capa apuntan hacia las ‘colas’ de la otra capa.

Entre las capas de lípidos hay varias proteínas. Algunas de estas proteínas hacen contacto sólo con el ambiente externo o con el ambiente interno de la célula. Otras penetran totalmente. Las proteínas de la membrana pueden cambiar de lugar, no están fijas. Los diferentes tipos de proteínas asociados con la membrana juegan un papel importante en el movimiento de sustancias a través de la membrana. Estas proteínas forman los poros o canales de la membrana.

Llamamos transporte celular al movimiento constante de sustancias en ambas direcciones a través de la membrana. 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. El transporte celular puede ser activo o pasivo. El transporte activo es el movimiento de materiales a través de la membrana que se hace usando energía. El transporte pasivo es el movimiento de sustancias a través de la membrana celular que no requiere energía. El transporte pasivo depende de la energía de movimiento de las partículas de materia. Los átomos, los iones y las moléculas de todas las sustancias están en movimiento, mismo que se aprovecha para el transporte, como se verá a continuación.

Difusión: el movimiento al azar de las moléculas de líquidos y gases es responsable del proceso llamado difusión. La difusión es el movimiento de las moléculas de una región de mayor concentración a una región de menor concentración. Supongamos que alguien derrama perfume en un pupitre que está al frente del salón. Al poco tiempo, el grupo que se siente cerca podrá olerlo. Muy pronto, lo olerá toda la clase.

Figura 6. Se ilustra la difusión de un sólido en un líquido. Se echó un cubo de azúcar en un vaso de agua. Las moléculas de azúcar están muy concentradas en el cubo. A medida que el azúcar se disuelve, las moléculas de azúcar chocan unas con otras y con las moléculas de agua. La difusión continúa hasta que las moléculas de azúcar estén distribuidas uniformemente en el agua. Una vez que ocurra esto, la concentración no cambiará, se mantendrá constante. Algunas sustancias, incluyendo el oxígeno y el bióxido de carbono, pasan a través de los poros de la membrana por difusión simple. Generalmente las moléculas de oxígeno están altamente concentradas fuera de la célula, mientras que el bióxido de carbono está más concentrado en el interior. El oxígeno se difunde hacia adentro y el bióxido hacia fuera.

Ósmosis. El agua puede pasar por la membrana celular. El paso de agua por una membrana semipermeable se llama ósmosis. En la ósmosis, el agua se mueve desde una región de mayor concentración hacia una de menor concentración. De manera que ósmosis es un tipo especial de transporte pasivo: es la difusión del agua.

¿Cómo podemos comparar qué tan diluida o concentrada está una disolución en dos regiones? La concentración se determina por la cantidad de soluto disuelto en el agua. Por ejemplo, si una disolución contiene 1 g de sal en 1000 g de agua, la concentración de sal es baja, se trata de una disolución diluida. Si se ponen ahora 100 g de sal en la misma cantidad de agua, se trata de una disolución concentrada.

Figura 7. Demostración del fenómeno de ósmosis. Una disolución concentrada de agua con azúcar se introduce en un embudo de cristal. En la boca se amarra una membrana semipermeable que permite pasar las moléculas de agua pero no las de azúcar (por ejemplo, la membrana que rodea la clara de huevo). El embudo se voltea y el nivel de la solución debe quedar a la mitad del pistilo. Se introduce el embudo dentro de un vaso con agua (A). El nivel de solución sube lentamente por el ingreso de moléculas de agua (B). La solución azucarada es cada vez menos concentrada.

Los procesos que definen la vida  

Es difícil definir qué es la vida en unas cuantas palabras, por lo que resulta más sencillo describirla a partir de la presencia de los procesos de la vida, que además están relacionados unos con otros.

Uno de los procesos de la vida es la llamada función de relación o irritabilidad, que consiste en que los seres vivos responden a los estímulos del ambiente; las respuestas más notables de los organismos ocurren en los animales porque tienen los órganos de los sentidos, un sistema nervioso, los músculos y las glándulas. Las plantas responden al medio de manera mucho menos evidente y compleja que los animales. Por ejemplo, algunas plantas se pueden apartar de ciertos estímulos cuando son tocadas. Este tipo de reacciones también ocurren en la mayoría de las plantas que tienden a dirigirse hacia la luz.

En esta dirección hacia la luz las plantas están respondiendo a la función de nutrición, por medio de la cual ocurre el crecimiento de estos organismos. Para que esto último suceda, las funciones celulares deben estar controladas por unas moléculas especializadas en guardar información e instrucciones: éstas son las moléculas del ácido desoxirribonucleico. El ADN, debido a su estructura química, puede guardar en forma de código la información necesaria para que las células elaboren ciertas proteínas que, a su vez, controlan el crecimiento u otros procesos celulares, o son la materia prima del propio crecimiento.

Las moléculas de ADN también intervienen en la reproducción, ya que tienen la capacidad de copiarse a sí mismas antes de que cada célula se reproduzca, de manera que la información de la célula se conserva a través del tiempo casi sin modificaciones. Cuando la molécula de ADN se va a copiar, primero se separan sus cadenas complementarias. Sobre cada una de las cadenas se sintetiza una nueva cadena de ADN, lo que da como resultado otras dos moléculas del propio ADN.

Figura 8. Mitosis

Igual que cada ser vivo, cada una de las células que lo constituyen se reproduce por un proceso que se llama mitosis. En la ilustración se observa cómo se lleva a cabo la mitosis.

Antes de que se lleve a cabo este proceso de reproducción de cada célula, los cromosomas (estructuras formadas de ADN que se encuentran en el núcleo de cada célula) se autocopian, de manera que como resultado de la mitosis, se forman dos células nuevas que

poseen un material nuclear semejante al de la célula que les dio origen. Las células pueden tener dos formas de reproducción, una de ellas es la mitosis, en la que no se requiere más que partir de una célula original. Otra forma de reproducción es la meiosis, exclusiva para la formación de gametos en la reproducción sexual, ya que divide el número cromosómico a la mitad, separando los pares.

Otro proceso básico que efectúan los seres vivos para la obtención y utilización de la energía es la respiración celular. Las células necesitan energía para sobrevivir y llevar a cabo todas sus funciones. La mayor parte de las células obtienen la energía de carbohidratos como los almidones y los azúcares. Dentro de las células se rompe la molécula de glucosa y la energía que se encontraba almacenada en sus enlaces químicos se libera gradualmente. Esta energía puede ser utilizada inmediatamente por la célula o se puede acumular en un compuesto químico especializado llamado atp (adenosín trifosfato).

La fotosíntesis. La energía liberada durante la respiración celular proviene de la ruptura de enlaces químicos. ¿Dónde se origina entonces la energía de los enlaces químicos? La fuente de energía de casi todos los seres vivos es el Sol. Algunos organismos pueden capturar la energía solar y utilizarla para formar enlaces químicos. De esta forma, los enlaces químicos pueden verse como una forma de almacenar la energía solar. La fotosíntesis es entonces el proceso por el cual las plantas transforman la energía solar en energía de enlaces químicos. La siguiente ecuación describe los pasos generales de la fotosíntesis; el proceso real es muy complejo y en cada uno de sus pasos se requiere de la participación de enzimas, que son proteínas que aceleran y regulan las reacciones bioquímicas.

. Los cloroplastos. La fotosíntesis sucede en los organelos celulares llamados cloroplastos. En una sola célula vegetal pueden existir hasta 75 cloroplastos. Los cloroplastos contienen un compuesto llamado clorofila, que da a las plantas su característico color verde. La clorofila es un compuesto especializado en atrapar la energía del Sol. Cuando se captura la luz, se inicia una serie de reacciones químicas que convierten el bióxido de carbono tomado del aire, y el agua, absorbida por las raíces, en glucosa y oxígeno, proceso al que se le llama fotosíntesis.

Figura 9. Cloroplasto

Fases de la fotosíntesis

La fotosíntesis se lleva a cabo en dos grandes conjuntos de reacciones. Las primeras ocurren en presencia de la luz, por eso se les llama reacciones luminosas o fotoquímicas. Durante las reacciones fotoquímicas, la clorofila absorbe luz. Después de que la clorofila ha atrapado la energía solar, los cloroplastos la utilizan para formar atp (adenosín trifosfato). El atp podrá ser usado en otro grupo de reacciones, almacenado o transportado fuera del cloroplasto y usado directamente por la célula. Durante las reacciones luminosas se forma también otro compuesto transportador de energía: el nadph₂ (nicotidamin-dinucleótido-difosfato):

Figura 10. Fotosíntesis

Las llamadas reacciones oscuras o biosintéticas de la fotosíntesis no requieren luz; lo cual no significa que deban realizarse en la oscuridad. En estas reacciones, el ATP y el nadph₂ ayudan a formar moléculas orgánicas o alimentos a partir del bióxido de carbono y de otras sustancias como agua y sales minerales. Pero el principal compuesto formado es la glucosa. En la tabla se pueden comparar los procesos de la respiración y la fotosíntesis.

El ciclo de la vida

En las células vegetales, las reacciones químicas efectuadas dentro de los cloroplastos (fotosíntesis) y dentro de las mitocondrias (respiración celular) hacen posible la vida.

La clorofila capta la energía del Sol; parte de ella se almacena en los enlaces químicos que luego se emplean en fabricar la glucosa. Durante el proceso se libera oxígeno gaseoso.

Las moléculas de glucosa se rompen en el citoplasma. Como resultado de esto, la energía solar almacenada se libera y sirve para que se lleven a cabo las funciones celulares. La respiración celular utiliza el oxígeno producido por los cloroplastos durante la fotosíntesis.

Los productos de la respiración, el bióxido de carbono y el agua, son utilizados en los cloroplastos para formar nuevas moléculas. Tanto los materiales como la energía necesaria para la vida circulan constantemente entre la mitocondria y el cloroplasto.