Célula

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Introducción

Célula, unidad básica de la vida. La célula es la estructura más pequeña capaz de realizar por sí misma las tres funciones vitales: nutrición, relación y reproducción. Todos los organismos vivos están formados por células. Algunos organismos microscópicos, como las bacterias y los protozoos, son unicelulares, lo que significa que están formados por una sola célula. Las plantas, los animales y los hongos son organismos pluricelulares, es decir, están formados por numerosas células que actúan de forma coordinada. La célula representa un diseño extraordinario y eficaz con independencia de si es la única célula que forma una bacteria o si es una de los billones de células que componen el cuerpo humano. La célula lleva a cabo miles de reacciones bioquímicas cada minuto y origina células nuevas que perpetúan la vida.

El tamaño de las células es muy variable. La célula más pequeña, un tipo de bacteria denominada micoplasma, mide menos de una micra de diámetro (10.000 micoplasmas puestos en fila tienen el mismo diámetro que un cabello humano). Entre las células de mayor tamaño destacan las células nerviosas que descienden por el cuello de una jirafa, que pueden alcanzar más de 3 m de longitud. Las células humanas presentan también una amplia variedad de tamaños, desde los pequeños glóbulos rojos (hematíes) que miden 0,00076 mm hasta las células hepáticas que pueden alcanzar un tamaño diez veces mayor. Aproximadamente 10.000 células humanas de tamaño medio tienen el mismo tamaño que la cabeza de un alfiler.

Además de estas diferencias de tamaño, las células presentan una amplia variedad de formas. Algunas, como la bacteria Escherichia coli, tienen forma de bastón. El paramecio, un tipo de protozoo, tiene forma de zapatilla y la ameba, otro protozoo, tiene una forma irregular que cambia conforme se mueve. Las células de las plantas tienen, por lo general, forma poligonal. En los seres humanos, las células de las capas más superficiales de la piel son planas, mientras que las células musculares son largas y delgadas. Algunas células nerviosas, con sus prolongaciones delgadas en forma de tentáculos, recuerdan a un pulpo.

En los organismos pluricelulares la forma de la célula está adaptada, por lo general, a su función. Por ejemplo, las células planas de la piel forman una capa compacta que protege a los tejidos subyacentes de la invasión de bacterias. Las células musculares, delgadas y largas, se contraen rápidamente para mover los huesos. Las numerosas extensiones de una célula nerviosa le permiten conectar con otras células nerviosas para enviar y recibir mensajes con rapidez y eficacia.

Toda célula es, en sí misma, un modelo de independencia. Igual que una ciudad amurallada en miniatura que estuviese permanentemente en hora punta, la célula debe soportar constantemente el tráfico, transportando moléculas esenciales de un lugar a otro con el fin de mantener las funciones vitales. Sin embargo, a pesar de su individualidad, las células poseen además una capacidad notable para unirse, comunicarse y coordinarse con otras células. Por ejemplo, el cuerpo humano está formado por unos 60 billones de células. Docenas de distintos tipos de células están organizadas en grupos especializados denominados tejidos. Los tendones y los huesos, por ejemplo, están formados por tejido conjuntivo, mientras que la piel y las membranas mucosas están formadas por tejido epitelial. Los distintos tipos de tejidos se unen para formar órganos, que son estructuras especializadas en funciones específicas. Algunos ejemplos de estos órganos son el corazón, el estómago o el cerebro. Los órganos, a su vez, se constituyen en sistemas como el sistema nervioso, el digestivo o el circulatorio. Todos estos sistemas de órganos se unen para formar el cuerpo humano.

Los componentes de las células son moléculas, estructuras sin vida propia formadas por la unión de átomos. Las moléculas de pequeño tamaño sirven como piezas elementales que se combinan para formar moléculas de mayor tamaño. Las proteínas, los ácidos nucleicos, los carbohidratos o hidratos de carbono y los lípidos (grasas y aceites) son los cuatro tipos principales de moléculas que forman la estructura celular y participan en las funciones celulares. Por ejemplo, una disposición muy organizada de lípidos, proteínas y compuestos de proteínas y azúcares, forman la membrana plasmática, o límite externo, de ciertas células. Los orgánulos, compartimentos rodeados por una membrana, presentes en el interior de las células, están formados principalmente por proteínas. Las reacciones bioquímicas en las células están dirigidas por enzimas, proteínas especializadas que aceleran las reacciones químicas. El ácido desoxirribonucleico (ADN) contiene la información hereditaria de las células y otro ácido nucleico, el ácido ribonucleico (ARN), actúa junto al ADN para producir las miles de proteínas que la célula necesita.

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Estructura celular

Las células pertenecen a una de estas dos categorías: procariota o eucariota. En las células procariotas, propias de bacterias y arquebacterias, todos los componentes, incluyendo el ADN, se disponen libremente en el interior de la célula, en un compartimento único. Las células eucariotas que forman las plantas, los animales, los hongos y las restantes formas de vida, contienen numerosos compartimentos, u orgánulos, en su interior. El ADN de las células eucariotas está contenido dentro de un orgánulo especial denominado núcleo, que funciona como centro de mando de la célula y biblioteca donde se almacena la información. El término procariota procede de palabras griegas que significan ‘antes del núcleo’ o ‘prenúcleo’, mientras que eucariota significa ‘núcleo verdadero’.

2.1

Células procariotas

Las células procariotas están entre las de menor tamaño de todas las células; por lo general miden entre 1 y 10 µ, aunque algunas solo alcanzan menos de una micra de diámetro. Alrededor de 100 células procariotas típicas alineadas en fila tienen el mismo grosor que la página de un libro. Estas células, que pueden tener forma de bastón, esfera o espiral, están rodeadas por una pared celular protectora. Igual que la mayoría de las células, las células procariotas viven en un medio acuoso. La presencia de poros diminutos en la pared celular permite que el agua y las sustancias disueltas en ella, como el oxígeno, entren en la célula. Esos poros permiten también la salida de los desechos.

Apoyada en la superficie interna de la pared de la célula procariota se encuentra una membrana denominada membrana plasmática. Esta membrana, compuesta por una doble capa de moléculas intercaladas de lípidos flexibles y proteínas resistentes, está dotada de flexibilidad y resistencia. A diferencia de la pared celular, cuyos poros abiertos permiten el paso no regulado de materiales dentro y fuera de la célula, la membrana plasmática presenta una permeabilidad selectiva, permitiendo solo el paso de determinadas sustancias. De este modo, la membrana plasmática separa activamente el contenido de la célula de los fluidos que la rodean.

Mientras que las moléculas de pequeño tamaño como el agua, el oxígeno y el dióxido de carbono se difunden libremente a través de la membrana plasmática, el paso de numerosas moléculas de mayor tamaño, como aminoácidos (componentes básicos que forman las proteínas) e hidratos de carbono, está cuidadosamente regulado. Esta tarea es desempeñada por proteínas de transporte especializadas que abarcan todo el espesor de la membrana plasmática, formando un intrincado sistema de bombas y canales que permite el paso de estas sustancias. Algunas sustancias presentes en el fluido que rodea la célula pueden entrar solo si se unen y son acompañadas por proteínas de transporte específicas. De este modo, la célula controla con precisión la composición de su medio interno.

La membrana plasmática rodea al citoplasma, el semifluido presente en el interior de la célula. El citoplasma está formado por un 65% de agua aproximadamente y contiene hasta 1.000 millones de moléculas por célula, un copioso almacén que comprende enzimas y nutrientes disueltos, como carbohidratos y aminoácidos. El agua proporciona un medio favorable para las miles de reacciones bioquímicas que tienen lugar en la célula.

En el interior del citoplasma de todas las células procariotas se localiza el ADN, una molécula compleja con forma de doble hélice cerrada. El ADN tiene aproximadamente 1.000 veces la longitud de la célula y, para adaptarse a su interior, se enrolla y pliega repetidamente hasta formar una estructura compacta denominada cromosoma. El cromosoma de la célula procariota es circular y está localizado en una región de la célula llamada nucleoide. Con frecuencia existen en el citoplasma moléculas cíclicas de ADN de menor tamaño denominadas plásmidos. El ADN está formado por unidades denominadas genes, de forma similar a un tren largo formado por vagones independientes. El ADN contiene varios cientos o incluso miles de genes, dependiendo de la especie. Por lo general, un gen contiene instrucciones codificadas para la síntesis de toda o parte de una proteína específica.

También están inmersos en el citoplasma los únicos orgánulos presentes en las células procariotas: pequeños orgánulos sin membrana denominados ribosomas que constituyen las fábricas de proteínas de la célula. Siguiendo las instrucciones codificadas en el ADN, los ribosomas producen cientos de proteínas por minuto aportando a la célula las enzimas necesarias, los recambios de las proteínas de transporte consumidas y otras proteínas indispensables.

Aunque su composición es relativamente sencilla, las células procariotas desarrollan una actividad extremadamente compleja. Tienen una variedad de reacciones bioquímicas más amplia que la de sus parientes de mayor tamaño: las células eucariotas. La extraordinaria diversidad bioquímica de las células procariotas queda reflejada en los distintos modos de vida de las arquebacterias y las bacterias, cuyos hábitats comprenden desde el hielo polar hasta los desiertos y las grietas hidrotermales.

2.2

Células animales eucariotas

Las células eucariotas tienen, por lo general, un tamaño diez veces mayor que las procariotas. No tienen pared celular y la membrana plasmática forma, en las células animales, el límite externo de la célula. Con un diseño similar al de la membrana plasmática de las células procariotas, esta membrana separa la célula de su ambiente exterior y regula el paso de sustancias a través de ella.

El citoplasma de la célula eucariota es similar al de la célula procariota excepto porque las células eucariotas alojan un núcleo y numerosos orgánulos distintos delimitados por una membrana. Igual que las habitaciones separadas de una vivienda, estos orgánulos permiten la separación de funciones especializadas. Por ejemplo, la síntesis de proteínas y lípidos tiene lugar en orgánulos independientes donde se localizan las enzimas especializadas para cada función.

El núcleo es el orgánulo de mayor tamaño en la célula animal. Contiene numerosos filamentos de ADN cuya longitud es bastante mayor que el diámetro de la célula. A diferencia del ADN procariota circular, el ADN eucariota está contenido en el núcleo en forma de secciones largas, denominadas cromatina, que se enrollan alrededor de unas proteínas especiales llamadas histonas. Cuando la célula comienza a dividirse, cada filamento de ADN se pliega varias veces sobre sí mismo, dando lugar a un cromosoma filiforme.

El núcleo está rodeado por una doble membrana que protege al ADN de las reacciones químicas potencialmente nocivas que tienen lugar en el citoplasma. Las macromoléculas circulan entre el citoplasma y el núcleo a través de los poros nucleares, orificios presentes en la membrana nuclear. Los poros se abren y se cierran para regular selectivamente el transporte de moléculas. Este transporte se realiza mediante uniones a receptores específicos.

Unido a la membrana nuclear externa se encuentra un sistema de membranas denominado retículo endoplasmático. Este orgánulo se dispone en el citoplasma formando una red de sacos aplanados y túbulos ramificados e interconectados entre sí. El retículo endoplasmático adopta dos formas: rugoso y liso. El retículo endoplasmático rugoso (RER) recibe este adjetivo porque, al observarlo al microscopio, presenta numerosas protuberancias. Estas prominencias son, en realidad, miles de ribosomas que se encuentran unidos a la superficie de la membrana. Los ribosomas tienen la misma función en las células eucariotas que en las procariotas pero su estructura es ligeramente diferente. Las funciones del RER comprenden la síntesis de proteínas, cuyo destino es la membrana, otros orgánulos celulares o el exterior de la célula; el inicio de la glucosilación de las proteínas (adición de un azúcar), que tiene lugar en el espacio interno del retículo o lumen; y la participación en procesos de detoxificación de la célula.

El retículo endoplasmático rugoso está muy desarrollado en las células que producen muchas proteínas para exportar, como es el caso de los glóbulos blancos del sistema inmunológico, que producen y secretan anticuerpos. Algunos ribosomas que fabrican proteínas no están unidos al retículo endoplásmatico. Estos ribosomas libres están dispersos en el citoplasma y, por lo general, sintetizan proteínas (muchas de ellas enzimas) que permanecen en la célula.

La segunda forma de retículo endoplasmático, el retículo endoplasmático liso (REL), carece de ribosomas y tiene una superficie uniforme. En el interior de los canales que componen el retículo endoplasmático liso se encuentran las enzimas necesarias para la síntesis de lípidos. El retículo endoplasmático liso es abundante en las células hepáticas, donde además depura sustancias tóxicas como el alcohol, drogas y otros venenos.

Las proteínas son transportadas desde los ribosomas del retículo endoplasmático y los ribosomas libres hasta el aparato de Golgi, un orgánulo que recuerda a globos desinflados apilados y que contiene enzimas que completan el procesamiento de las proteínas. Estas enzimas añaden, por ejemplo, átomos de azufre y de fósforo en ciertas regiones de las proteínas, o eliminan diminutos fragmentos de los extremos de las mismas. Después, la proteína completa abandona el aparato de Golgi para alcanzar su destino definitivo dentro o fuera de la célula. Durante su ensamblado en el ribosoma, cada proteína adquiere un grupo de 4 a 100 aminoácidos denominado “señal”. La “señal” actúa como una etiqueta de transporte molecular que dirige la proteína hasta su localización adecuada.

Los lisosomas son orgánulos pequeños y a menudo esféricos que actúan como centro de reciclado y vertedero de la célula. Las enzimas digestivas concentradas en el lisosoma descomponen los orgánulos inservibles y transportan sus elementos básicos al citoplasma donde son aprovechados para construir orgánulos nuevos. Los lisosomas también descomponen y reciclan proteínas, lípidos y otras moléculas.

Los peroxisomas son pequeñas vesículas membranosas que contienen unas enzimas, llamadas oxidasas, que participan en reacciones metabólicas de oxidación. Las vacuolas son también vesículas membranosas formadas, fundamentalmente, por agua. Actúan también almacenando sustancias, tanto nutrientes como productos de desecho.

Las mitocondrias son unos de los orgánulos más conspicuos presentes en el citoplasma y constituyen las centrales de energía de la célula. Observadas al microscopio, presentan una estructura característica: las mitocondrias tienen forma alargada u oval, de varias micras de longitud, y están envueltas por dos membranas: una externa, que delimita el espacio intermembranoso y otra interna, muy replegada, que engloba la matriz mitocondrial. Dentro de estos orgánulos alargados se realizan las reacciones específicas de la respiración aerobia o celular, un proceso que consume oxígeno y produce dióxido de carbono y tiene como finalidad la obtención de energía que pueda ser utilizada por la célula. Las enzimas presentes en las mitocondrias convierten la glucosa y otros nutrientes en trifosfato de adenosina (ATP). Esta molécula sirve como fuente de energía para incontables procesos celulares, como el transporte de sustancias a través de la membrana plasmática, la síntesis y transporte de proteínas y lípidos, el reciclado de moléculas y orgánulos y la división celular. Las células musculares y hepáticas son especialmente activas y requieren docenas y en ocasiones hasta un centenar de mitocondrias por célula para satisfacer sus necesidades energéticas. Las mitocondrias son unos orgánulos peculiares ya que contienen su propio ADN, en forma de cromosoma circular de tipo procariota, tienen sus propios ribosomas, que se asemejan también a los ribosomas procariotas, y se dividen con independencia de la célula.

A diferencia de la célula procariota diminuta, la célula eucariota de mayor tamaño necesita un soporte estructural. El citoesqueleto constituye una red dinámica de microtúbulos, filamentos y fibras de proteínas que se entrecruzan en el citoplasma, anclan los orgánulos en posición y son responsables de la forma y estructura de la célula. Numerosos componentes del citoesqueleto son ensamblados y desensamblados por la célula según sus necesidades. Por ejemplo, durante la división celular se forma una estructura especial para desplazar a los cromosomas que recibe el nombre de huso acromático. Después de la división, el huso se desmonta porque no es necesario. Algunos componentes del citoesqueleto actúan como vías microscópicas a lo largo de las cuales se desplazan proteínas y otras moléculas como si fueran trenes en miniatura. Hallazgos de investigaciones recientes indican que el citoesqueleto podría ser también una estructura de comunicación mecánica que colabora con el núcleo para ayudarle a organizar los fenómenos que tienen lugar en la célula.