Las propiedades de las células

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(YouTube) En base a la teoría celular, y a las propiedades emergentes de los diversos niveles de complejidad, podemos destacar la principal propiedad emergente de la célula, y no es otra que el de estar vivas. Todos los niveles de complejidad inferiores a la célula no pueden vivir, o no pueden realizar sus funciones de manera que podamos designarlas como algo vivo. Mientras que todos los niveles de complejidad biológica por encima de la célula los denominamos como vivos. A diferencia de un virus, un viroide o un prión, las células al estar aisladas pueden continuar realizando funciones vitales como las de alimentarse, mantener un ambiente interno regulado, y la capacidad de reproducirse. Es más, células de tejidos aisladas de sus seres vivos multicelulares poseen todas esas capacidades, si se las mantiene en medios de cultivo donde puedan crecer al igual que un cultivo de bacterias. 

Figura 21. Cada una de las líneas que vemos en esta fotografía de microscopia electrónica es una membrana. Todas las células se definen en el sentido de que sus membranas las aíslan del exterior y les dan su identidad. Toda vida conocida depende de una membrana biológica, por lo que es justo decir que, las membranas biológicas son una estructura que define la capacidad de estar vivo. Otras sustancias como el genoma o las proteínas están presentes en cuerpos subcelulares como los virus, los cuales no están vivos.

Los virus, viroides y priones simplemente permanecen inertes cuando se encuentran fuera de las células, tanto viroides como priones son macromoléculas sin ambiente interno, mientras que los virus son incapaces de aprovechar las sustancias químicas a su alrededor en un ambiente interno regulado, además ninguna de estas tres entidades es capaz de reproducirse por cuenta propia en un ambiente apropiado, pero sin células, o productos generados por las células.

Si bien, la vida es la propiedad celular más importante, también debemos mencionar su opuesto, la muerte.  Existen células que literalmente nunca mueren si es que se mantienen en un ambiente con las condiciones adecuadas. Al reproducirse una bacteria genera dos bacterias, pero no muere, se duplica, y este fenómeno puede hacerlo de manera indefinida.  Las células de los seres vivos multicelulares si poseen una característica de suicidio programado, este suicidio es generado por el propio genoma, es decir, están programadas para morir. Por lo general la muerte celular programada se da para evitar el desarrollo de líneas celulares cancerígenas.

Las células viven continuamente

La primera vez que se cultivaron células humanas de manera artificial “in vitro” fue en 1941 por los investigadores George y Martha Gey de la universidad de Johns Hopkins. Las células fueron obtenidas de un tumor maligno y nombradas células HeLa en honor a la donante Henrietta Lacks. Henrietta Lacks, nacida en 1920 y murió en 1951, sin embargo, las células de su tumor siguen tan vivas hoy, como lo estuvieron en los años 20s.

Figura 22. George Gey y Henrietta Lacks. Ella nacida en 1920 y murió en 1951, sin embargo, las células de su tumor siguen tan vivas hoy, como lo estuvieron en los años 20s, y de cierta manera han evolucionado hasta convertirse en un ser vivo capaz de invadir y estropear investigaciones (Brown, 2015; Lucey, Nelson-Rees, & Hutchins, 2009).

Las células HeLa aún siguen siendo cultivadas en el laboratorio aun hoy, después de que la donante original hubiera muerto muchos años atrás (Brown, 2015; Lucey, Nelson-Rees, & Hutchins, 2009). Lo que implica un fenómeno importante, una de las características de las células cancerígenas es que no pueden morir. Es tan fuerte esta propiedad que incluso se han convertido en contaminantes comunes de los medios de cultivo de biología celular, en otras palabras las células HeLa se han convertido en un ser vivo independiente en toda regla (Skloot & Turpin, 2010). Lo anterior si lo comparamos con las bacterias nos confiere una característica básica de los seres vivos, la muerte no es una característica esencial de la vida a nivel celular; a ese nivel la vida nunca envejece y potencialmente puede existir para siempre.

Las células son altamente complejas y organizadas

La complejidad es una propiedad que es evidente cuando se la encuentra, pero difícil de describir en términos formales, claros y no ambiguos. Por el momento, podemos pensar en la complejidad en términos de orden y consistencia.  Entre más compleja una estructura, mas será el número de partes de la componen, existirá una menor tolerancia a los errores en la naturaleza de estos componentes y en las interacciones de estos. Se requerirá de una mayor regulación para mantener al sistema en su estado.

Figura 23. (Izquierda) Muchos cristales inorgánicos se organizan en estructuras muy complejas y organizadas llamadas fractales, pero no por ello se dice que estén vivos. (Derecha) A medida que la complejidad se incrementa, también la dificultad de describir un suceso de manera matemática, y en ese sentido se dice que requiere una mayor cantidad de información.

Sin embargo, hay varias cosas a tener en cuenta, existen sistemas con múltiples componentes que son ordenados a pesar de poseer múltiples componentes. Un ejemplo son los cristales y los fractales, los cuales se componen de una misma unidad repetida de manera indefinida a través de múltiples niveles de complejidad, y a pesar de todo pueden ser descritos con ecuaciones matemáticas relativamente simples (Lewin, 1999; Mazzocchi, 2008; Zak, Zbilut, & Meyers, 2008).

Figura 24. La célula debe responder a los cambios ambientales, mediante cambios internos, un sistema incapaz de responder al cambio, que no es dinámico no puede adaptarse a las necesidades de un ambiente cambiante, ya sea en términos de un periodo de vida celular, o en términos de una población de células variables a lo largo del tiempo.

A medida que la complejidad se incrementa, también la dificultad de describir un suceso de manera matemática, y en ese sentido se dice que requiere una mayor cantidad de información. Sin embargo un sistema complejo y dinámico no está vivo, al carecer de un orden que le permite responder al ambiente y reproducirse (Lewin, 1999; Mazzocchi, 2008; Zak et al., 2008).

La complejidad absoluta tampoco es la complejidad a la que hacemos referencia, por ejemplo, si doblamos una cuerda de manera que forme bucles de manera caótica, esta será increíblemente compleja, pero tendrá una máxima tolerancia a cualquier cambio, ya que cualquier microestado del sistema será igualmente valido. La complejidad biológica es una que posee un orden, una flexibilidad ya que no es rígida, los microestados del sistema cambian de un momento a otro, dentro de un rango límite de posibilidades, es decir es una complejidad altamente dinámica. Estos detalles son precisamente lo que hacen difícil de definir la complejidad biológica, ya que a diferencia de la complejidad absoluta, la complejidad biológica es una complejidad ordenada y cambiante dentro de ciertos límites sobre los cuales, el error ya no se puede tolerar, pero dentro de cuyos límites el error simplemente es diversidad (Lewin, 1999; Mazzocchi, 2008; Zak et al., 2008).

Penemos por ejemplo en el código genético, este es un sistema complejo, pero con un orden y una función, el cual se encuentra regulado, pero posee cierta tolerancia a los cambios. Los cambios sin embargo son minúsculos con respecto al todo del genoma. Por ejemplo, cuando el genoma se duplica, la tasa de mutaciones son el de un cambio “error o variabilidad” por cada diez millones de posiciones para equivocarse; esto se debe a que los errores son corregidos la mayoría de las veces por los sistemas de reparación del genoma de la célula, pero estos sistemas no son perfectos, y la mayoría de las veces, los cambios en el genoma no sin ni letales ni beneficiosos.

En el ejemplo anterior podemos ver todas las características de la complejidad de lo vivo, una complejidad ordenada y que cambia con el tiempo bajo ciertos límites establecidos.

Las células poseen material genético

Los seres vivos son construidos de acuerdo a la información recolectada en el genoma. Sin embargo, vale hacer una aclaración en este punto. A diferencia de la información en términos humanos, que es una abstracción de la realidad; la información biológica es una realidad física que se transmite de una molécula a otra y que tiene que ver con la conservación de las formas físicas reales, ubicadas en un lugar real de la célula.

Figura 25. El ADN con su estructura de doble hélice almacena la información para generar todas las demás partes de la célula, pero se requieren las demás partes de la célula para que el ADN funcione. Sin la célula, el ADN es un polímero inerte, como cualquier polímero sintético. A diferencia de lo que se creía anteriormente, el genoma no solo está compuesto por el ADN si no por otras sustancias como el ARN y proteínas reguladoras que lo controlan y le otorgan sus propiedades.

El programa genético humano contiene suficiente información, si es convertida en palabras para llenar millones de páginas de texto. Esta vasta cantidad de información es empaquetada en estructuras macromoleculares denominadas cromosomas, las cuales contienen diversas proteínas que regulan al material genético. Los cromosomas ocupan un lugar en el espacio físico del núcleo de la célula, la cual es cientos de veces más pequeña que la punta de un alfiler.

La información biológica almacenada en los genes debe ser expresada a otras moléculas de alto peso molecular, las cuales se encargan de realizar la verdadera labor, ya sea realizando funciones, sirviendo como unidades estructurales, o bloqueando/impulsando la producción de más sustancias a partir del genoma.

El genoma es un sistema complejo y ordenado, pero también dinámico, esto implica que cambia con el tiempo dentro de ciertas limitantes, estos cambios en el genoma confieren nuevas propiedades a las células, lo cual conlleva al proceso de evolución. Sin embargo, la evolución es un proceso que toma varias generaciones de células, y una gran cantidad de estas, es decir, es una propiedad emergente de la población de células, no de una célula individual.

Sobre el genoma, se encuentran una serie de proteínas que actúan sobre el genoma, estas proteínas regulan sus capacidades. Aunque no hacen parte del genoma, estas proteínas de regulación, así como otros agentes como el ARN pueden afectar al genoma de manera hereditaria, por lo cual los denominamos epigenoma.

Las células poseen una función reproductiva

Las células son capaces de producir más individuos a partir de sus propios cuerpos, a este proceso lo denominamos reproducción. A nivel celular existe una amplia gama de modos reproductivos, pero los principales son dos, la reproducción sexual y la reproducción asexual. En la reproducción asexual solo se requiere de un individuo para generar más individuos a partir de su propio cuerpo. En la reproducción sexual se requieren dos individuos para generar más, lo cual requiere la fusión y luego división de las células.

Figura 26. Una ameba se come a dos paramecios (YouTube).

La reproducción sexual es más compleja, pero les confiere nuevas propiedades a las células desencintes vía ciertos mecanismos que incrementan la diversidad de las hijas sin recurrir a la mutación. Este proceso fue originalmente estudiado bajo el concepto de la hipótesis de Weissman. Existen dos tipos básicos de reproducción asexual, la bipartición de las células procariotas y la mitosis de las células eucariotas. Existe un solo tipo de reproducción sexual regulado por los procesos de meiosis y fecundación en las células eucariotas y algunos tipos de parasexualidad “casi-sexualidad” en las células procariotas.

Las células poseen la función de nutrición

Todo proceso biológico, ya sea a nivel celular, o subcelular está relacionado con la transformación de la energía obtenida del ambiente externo. Virtualmente toda la energía empleada en la biosfera proviene del Sol a través de la forma de transporte de energía denominada radiación electromagnética. La energía electromagnética es luego transformada en energía química por medio de la absorción energética de los electrones de ciertos elementos como el magnesio ubicado en el cetro de la molécula llamada clorofila. Los electrones energizados luego son empleados para construir enlaces entre moléculas, los cuales almacenan energía.

Figura 27. Las células, cuando no hacen fotosíntesis, deben sustentarse mediante la obtención de sustancias externas. Un modo es mediante la absorción de sustancias disueltas a través de proteínas en la membrana llamadas receptores. Otra forma es mediante la fagocitosis, este fenómeno ilustrado aquí requiere que la célula devore lo que pretende como alimento, lo descomponga y finalmente libere las sustancias de desecho.

Las moléculas cuyos enlaces almacenan grandes cantidades de energía son muy diversas, algunas famosas son el adenosin trifosfato ATP, los azucares y las grasas. Sin embargo, virtualmente toda macromolécula se ha construido mediante la transformación de la energía solar. Si el cuerpo requiere nuevamente de energía, los enlaces de estas moléculas se romperán para realizar las transformaciones que la célula requiera.

La nutrición es un proceso que permite la obtención ininterrumpida de energía del medio, ya sea por medio del Sol “fotosíntesis” o por medio de la descomposición de sustancias que se encuentran en el ambiente “heterotrofia”. Los modos de nutrición a nivel celular son extremadamente diversos.

Las células llevan a cabo reacciones químicas

Los procesos de obtención de energía, se sincronizan con los de obtención de sustancias y con los de eliminación de sustancias, así como con los procesos de manutención del ambiente interno y de defensa de la célula. Todos estos procesos no son nada más que química en acción, todo proceso en la célula es una reacción química, controlada, acelerada, seleccionada, pero es a fin de cuentas un proceso químico.

Figura 28. Las reacciones químicas llevadas a cabo por las células son numerosas y complejas, generalmente requieren de un catalizador, es decir, una sustancia que acelera o mejora la eficiencia de la reacción. En el esquema tenemos las reacciones del ciclo de Krebs, encargadas de un paso de la obtención de energía por parte de los alimentos en la respiración celular.

A la suma de todas las reacciones químicas de la célula la denominaremos metabolismo. Existen dos tipos de metabolismo, el metabolismo anabólico o constructivo, y el anabolismo o metabolismo destructivo. Algunos de los procesos químicos más importantes a tener en cuenta es la oxido-reducción en términos de la química orgánica, así como el transporte de sustancias a través de membranas, y las propiedades de las disoluciones acuosas.

Lo anterior se debe a que las reacciones de reducción conllevan por lo general a la construcción de macromoléculas y por ende al anabolismo, el cual requiere energía. Las reacciones de oxidación generalmente conllevan al rompimiento de las macromoléculas, y por ende al catabolismo, el cual libera energía. Por otro lado la eficiencia de la reacciones depende de las concentraciones de sustancias; mientras que el transporte a través de la membrana es quien regula la concentración de las sustancias en el agua. Después de todo, una célula es en su mayoría, agua.

Las células realizan actividades mecánicas

Las células son un ambiente de bulliciosa actividad, los materiales son transportados de un lugar a otro, las estructuras se ensamblan y luego rápidamente son degradadas, y en muchos casos, la célula misma puede moverse de un lugar a otro.  Estos movimientos se basan en cambios dinámicos al interior de la célula, los cuales dependen en últimas de reacciones químicas. Muchas células poseen sustancias con diferentes formas y uniones, a estas sustancias las llamamos proteínas “dada su capacidad de asumir una infinidad de formas”. Algunas proteínas poseen forma de rotor, y giran de manera mecánica, algunas agitando un largo filamento llamado flagelo, el cual las impulsa a través del medio en el cual se encuentran.

Las células responden a estímulos

Algunas células responden a los estímulos de maneras obvias.

Figura 29. La quimiotaxis es una respuesta al estímulo químico. Los receptores de membrana de la célula captan los químicos y generan una respuesta mecánica, el movimiento de la célula para acercarse a la fuente de las sustancias que activan a sus receptores.

Algunas células complejas de vida libre “llamadas de manera clásica como protistos” se mueven de un objeto a otro en una ruta que los acerca a una posible fuente de nutrientes. Las células de los seres vivos multicelulares como las plantas y los animales responden a los estímulos de manera menos conspicua. Algunas células están cubiertas con receptores que interactúan con las sustancias en el ambiente de maneras muy específicas. Los receptores responden a hormonas, factores de crecimiento y materiales extracelulares, así como a la superficie de otras células.

Las células mantienen la homeostasis

A demás de la reproducción la célula quiere mantenerse viva, lo que en ultimas implica mantener un estado complejo pero ordenado, y al mismo tiempo lo suficientemente flexible como para cambiar en respuesta al ambiente lo más que sea posible. Este mantenimiento de un estado complejo, ordenado, pero altamente cambiante al interior de una membrana biológica como mínimo se denomina homeostasis. La homeostasis implica una regulación la cual solo se hace evidente cuando se pierde.

Un ejemplo de ello son las mutaciones deletéreas, las cuales se dan como resultado de la replicación del ADN durante la reproducción celular. Las mutaciones deletéreas son debilitantes, o “en los seres vivos multicelulares” puede conllevar a la destrucción de los limitantes de reproducción, lo cual puede terminar en el desarrollo de un cáncer. Gradualmente, los científicos han ido descubriendo como controlar estas actividades, pero aún falta mucho por descubrir.