(Ciencias de Joseleg)(Biología)(Introducción y biología celular)(La célula)(Introducción)(Del vitalismo a la abiogénesis)(El fin del vitalismo)(Del microscopio a la teoría celular)(Más que una bolsa de proteínas)(Como se estudia la célula)(Las propiedades de las células)(Generalidades de la célula y su estudio)(La célula procariota)(La célula eucariota)(Introducción a las partes de la célula)(Referencias bibliográficas)(Versión documento word)
La mayoría de las células son minúsculas, uno de los primeros microscopistas llamado Robert Hooke estimó que una pulgada cuadrada de un corcho examinada con un microscopio de 1665 podía contener 1.259´721.000 células. El volumen de cada célula oscila entre 1 a 1000 micrómetros cúbicos. Existen algunas excepciones, células individuales de varios tipos de algas y de bacterias son los bastante grandes para poderlas ver a simple vista. Las neuronas a pesar de poseer un volumen celular “normal” poseen proyecciones del citoplasma que pueden extenderse por metros llevando señales de un lugar a otro del animal.
Figura 30. Esquema que representa una escala logarítmica de tamaño de
diferentes seres vivos. La mayoría de las células rondan los tamaños de 100
micrómetros a 1 micrómetro. La capacidad máxima de un humano para ver es de 200
micrómetros por lo que en la práctica la mayoría de las células son invisibles.
Sin embargo, a pesar de que existe una gran variedad de
tamaños y volúmenes celulares, la mayoría de las células son demasiado
pequeñas. Este tamaño se debe a la relación entre tamaño y volumen. A medida
que un objeto su volumen, el área de contacto con el ambiente se hace
comparativamente más pequeña. Este fenómeno posee un gran impacto biológico por
dos razones.
El volumen de la célula determina la cantidad de reacciones
químicas que pueden darse en dilución por unidad de tiempo, así como la
cantidad de nutrientes que pueden almacenar. El área de superficie determina la
cantidad de sustancias que pueden entrar y salir de la célula, así como la
cantidad de reacciones que pueden llevarse a cabo relacionadas con la membrana
por unidad de tiempo.
A medida que la célula se hace más grande, su actividad
química y por lo tanto la necesidad de recursos y su tasa de producción de
desechos aumenta, pero la capacidad para obtener nutrientes y eliminar desechos
no crece al mismo tiempo, y de hecho en términos comparativos disminuye. En
otras palabras, entre más pequeña sea la célula, más eficiente será un
transporte de sustancias por la membrana y las reacciones que lleve en el
interior, asumiendo claro una forma rígida.
Existen dos modos de evadir este problema. El primero es mediante la modificación de la forma de la célula, si la célula no es esférica, sino más bien irregular, esta puede tener más área por unidad de volumen, pero esta solución es solo parcial, cuando la célula sigue creciendo llega a un límite en el que el cambio de forma aún sigue presentando el problema del área y el volumen.
Figura 31. Si dividimos el área total en varias celas o "células"
el área sumada de todas las células supera en mucho al área del objeto
único. En el caso presente, una célula
grande posee un área de 6 m2; mientras que con varias células pequeñas el área
se incrementa a 18 metros cuadrados. Si las células fueran microscópicas, el
área total seria enorme.
La segunda forma es que los organismos estén compuestos por varias células pequeñas, de este modo, aunque se tiene un volumen más grande, el área individual de cada célula representa un valor mucho mayor que el de solo una célula gigantesca.
Figura 32. Thiomargarita namibiensis al
lado de una abeja.
Thiomargarita también bacteria más grande y puede verse a simple vista, de hecho,
varias células pueden verse como "granitos" al lado de esta abeja.
Visualizar el tamaño de una célula es algo complicado, sin embargo, podemos
realizarlo entendiendo algo del sistema internacional de unidades.
La unidad básica es el metro, un centímetro equivale a 0,01
metro (10-2). Un milímetro es la milésima parte de un metro, lo cual
equivale a 0,001 m (10-3). Ahora, imagine que un milímetro tiene el
tamaño de un metro, la milésima parte de ese milímetro sería un micrómetro el
cual se simboliza con el símbolo griego mu (µ) 1 µm “micrómetro” equivale a (10-9)
metros. La mayoría de las células posee un tamaño entre 1 y 200 µm.
Su a su vez asumiéramos que l µm posee el tamaño de un metro, la milésima parte de este seria un nanómetro (nm). Las sustancias que miden su tamaño en nm son extremadamente pequeñas, como las moléculas. Las ondas de luz también se separan entre sí por distancias medidas en nm. Si asumiéramos de un (nm) es un metro, la décima parte de este seria un Angstrom (Å) el cual equivale a a (10-10) metros. El Å es generalmente empleado para medir escalas atómicas. Por ejemplo, 1 Å es aproximadamente el diametro de la nube de electrones del hidrogeno. Las moléculas y macromoléculas pueden medirse en Å o en nm. Por ejemplo, la mioglobina, una proteína globular típica posee unas medias de 4,5 nm X 3,5 nm X 2,5 nm. Proteínas altamente alongadas como el colágeno o la miosina poseen hasta más de 100 nm de longitud. El ADN posee alrededor de 2 nm de radio de giro. Macromoléculas complejas como los ribosomas, los microtúbulos, los microfilamentos, poseen entre 5 y 25 nm de diámetro.
A pesar de sus tamaños minúsculos, estas moléculas realizan
funciones mecánicas similares a las de las maquinas macroscópicas “salvando las
diferencias”, por lo que se las describe como maquinas moleculares. Las células
y los organelos son más fácilmente descritos en micrómetros. El núcleo celular,
por ejemplo, posee un tamaño de entre 5 a 10 µm de diámetro y la mitocondria es
de aproximadamente 10 µm de largo. Mientras que las células eucarióticas en
promedio pueden tener entre 10 y 30 µm. Las células procarióticas poseen un
largo promedio de entre 1 y 5 µm.
Sin embargo, antes de irnos a las diferencias, hablaremos de las similitudes, las células procariotas y eucarióticas revelan una de las separaciones o clasificaciones más fundamentales en el mundo viviente, y aun así, a pesar de sus diferencias ambos tipos de células no son solo identificables como seres vivos, si no como seres vivos de un mismo tipo fundamental.
Figura 33. El ribosoma "ilustrado en el video de color azul" es
una estructura de alto peso molecular que combina péptidos y secuencias de ARN
estructural llamada ARN ribosomal. La función del ribosoma es sintetizar
cadenas de polipéptidos que luego formaran las proteínas. La acción de la
síntesis es llevada a cabo en una región activa compuesta casi en su mayoría de
ARNr, por lo que podemos decir que el ribosoma es una enorme ribozima con
péptidos accesorios (YouTube).
Lo anterior se debe a que, en mayor o menor medida, aun con
la transferencia horizontal de genes, la mayor parte del genoma de los seres
vivos, o sea de ambos tipos de célula descienden de un ancestro común. Esto lo
sabemos porque ambos tipos de célula usan el mismo tipo de material genético,
el mismo tipo de maquinaria molecular para formar proteínas, los mismos
códigos, e incluso, los mismos genes y las mismas proteínas.
En términos de porcentajes, una célula bacteriana muy
estudiada Escherichia coli comparte
con el ser humano hasta el 60% de sus genes, lo cual revela como, incluso a un
nivel fundamental, los dos tipos de célula obedecen a un patrón único, siendo
un mismo tipo de vida. En la siguiente lista enunciaremos algunas de las
características que son similares entre eucariotes y procariotes.
1.
Membrana celular de construcción similar
2.
Almacenamiento de la información genética en
ADN, el cual se "lee" del mismo modo, es decir su código está compartido,
una misma secuencia genera una misma proteína sin importar que el gen esté en
una célula procariota o eucariota.
3.
Mecanismos similares de conversión de la
información biológica almacenada "ADN" a información biológica activa
"proteínas", mediante diversos tipos de moléculas mensajeras
"ARN" y un mismo tipo de mecanismo de lectura "ribosoma y código
de codones".
4.
Mismas rutas metabólicas como la descomposición
de la glucosa en energía "glucolisis".
5.
Mecanismos de fotosíntesis idénticos.
6.
Mismo mecanismo para la inserción de proteínas
en la membrana
7.
Presencia de proteosomas "estructuras
digestoras de proteínas" similares entre los eucariotes y cierto tipo de
procariotes llamados arcaicos.
Todas las células se ven de manera semejante a la luz de los
microscopios ópticos primitivos, sin embargo, a medida que la tecnología se fue
perfeccionando, poco a poco empezaron a emerger diferencias. Algunas células
eran más grandes que otras, y presentaban una estructura interna más compleja,
al igual que una mayor diversidad en sus formas. Otras células eran más
pequeñas y relativamente más simples en su composición interna.
La composición interna puede verse, porque a ese grosor tan
fino, la luz puede atravesar las paredes y las membranas celulares permitiendo
ver en su interior, mientras que estas membranas y pareces apenas si pueden
vislumbrarse como los bordes, en cierto sentido, a pesar de que observamos una
imagen de tres dimensiones, las imágenes de los microscopios ópticos nos dan
una percepción de dos dimensiones a menos que muevas el objetivo; pero, algo
como una foto de una microscopia dará completamente la sensación de que
observas algo plano, que realmente posee tres dimensiones.
Una vez que una nueva tecnología fue desarrollada y se convirtió
en algo accesible para la mayoría de los grupos de investigación, el
microscopio electrónico, los biólogos fueron capaces de examinar la estructura
de una amplia variedad de células. Se volvió evidente a partir de estos
estudios que existían dos tipos de células, las cuales se distinguían por sus
tamaños, y el tipo de organización interna. La distinción entre dos tipos
celulares, sin ningún intermediario, representa una de las divisiones
evolutivas más fundamentales en el mundo biológico. De esta manera, comenzó a distinguirse entre
la célula eucariótica y la célula procariótica.
Existen seres vivos unicelulares con células eucarióticas
como las euglenas o las amebas; pero lo más importante es que todos los seres
vivos multicelulares poseen este tipo de células como su unidad básica de
composición. De esta manera, los hongos, las plantas y los animales son todos
clasificados como eucariotes en base a sus células. En términos cronológicos no
podemos saber cuándo fue que aparecieron las células por primera vez, pero si
podemos realizar algunas inferencias lógicas en base a la información de la
cual disponemos.
Figura 34. Si dividimos la historia de la Tierra en una torta, como en la
imagen que presentamos, tenemos que el origen del planeta está alrededor de 4.6
mil millones de años. La vida aparece en el 3.8 mil millones de años, el
oxígeno atmosférico y la fotosíntesis del tipo I hace unos 3.6 mil millones de
años, la fotosíntesis del tipo II hace unos 2.6 mil millones de años, los
eucariotes hace unos 2 mil millones de años. Las algas, hace unos 1.2 mil
millones de años, los invertebrados, hace unos 0.6 mil millones de años.
El registro fósil de la vida unicelular se extiende de
manera prolongada y profunda en la edad geológica de la tierra. Mientras que
los animales complejos evolucionaron poco antes del cámbrico y se
diversificaron en la radiación del cámbrico alrededor de 600 a 500 millones de
años; las células han dejado registros fósiles hasta 3 500 millones de años
atrás “mda”.
Entre los fósiles celulares, podemos distinguir las formas
típicas de los eucariotes y de los procariotes. Mientras que las células con
características de eucariotas aparecen solo desde 2 000 millones de años, las
células con características de procariotas aparecen desde 3 500 millones de
años. En base a esta información podemos concluir que, las primeras células en
aparecer fueron las procariotas. Sin embargo, saber cuándo se originaron es
imposible, solo se puede afirmar que debe ser en algún momento posterior a la
lluvia de meteoritos de la Tierra primitiva y antes del 3 800 mda.
El cómo aparecieron las primeras células resulta ser un
misterio hasta ahora. La característica
emergente principal de la célula es el de estar viva, por lo que estudiar como
apareció desde sus unidades constituyentes requiere un estudio desde lo no
vivo. En otras palabras, el estudio del origen de la vida es estudiado
principalmente por las ramas de la bioquímica denominada química prebiótica. Otro
fenómeno de fecha importante, fue la gran proliferación de oxígeno, fechada
cerca de 2 400 mda; esta fecha coincide con el registro de fósiles semejantes a
un tipo de bacteria llamada cianobacteria, la cual es capaz de realizar la
fotosíntesis. A partir de esto, podemos inferir que el proceso de la
fotosíntesis evolucionó poco antes de 2 400 mda.
En base a los datos ofrecidos podemos ver dos detalles
importantes. La primera es que la vida aparece muy rápido en la historia
geológica de la Tierra; y la segunda es que la vida compleja tarda mucho en
desarrollarse.
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