La célula eucariota

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Protistos

En muchos aspectos, las células eucariotas más complejas y capaces no se encuentran en el interior de las plantas y los animales. Estas células se encuentran en el interior de los muchos grupos de seres vivos unicelulares eucarióticos llamados protistos. Los protistos son un enorme grupo de seres vivos, los cuales en términos morfológicos aunque están compuestos por células eucariotas, no se los podía clasificar ni como un hongo, una planta o un animal, ellos son sus propios tipos de seres vivos eucariotas, tan diferentes a un animal, como lo es una planta a un hongo.

Figura 41. Protistas como Dictyostelium spp., se encuentran en la transición entre la unicelular y lo multicelular (YouTube).

Giardia lamblia expone la diversidad celular de los eucariotas, un ser vivo que mantiene la mayor parte de su ciclo con dos núcleos haploides independientes y activos. El estado de dicarionte como se describe a tener dos núcleos que no se unen también se puede ver en los hongos y de hecho brevemente en el cigoto humano. Entre los protistas unicelulares más comúnmente conocidos contamos a las amebas, las euglenas y el volvox. Estas células se caracterizan por realizar todas las funciones vitales, a diferencia de los eucariotes multicelulares donde se da la tendencia a la especialización. Sin embargo, existen casos en los que un protista puede presentar un estado de vida unicelular, pero si las condiciones cambian pueden pasar a ser multicelulares con una especialización celular relativamente poco avanzada. Los protistas no son solo unicelulares, si no también multicelulares, tal como Dictyostelium spp., un ser vivo que en vida libre se comporta como una ameba, pero cuando las condiciones se hacen duras se congrega sobre sí mismo formando pequeñas babosas y luego una estructura fructificante, Sus células en la estructura fructificante experimentan diferenciación, donde las de la punta realizan la reproducción sexual, mientras que las del talo se sacrifican para que la población sobreviva en otro lugar.

La multicelularidad y la especialización

Una forma alternativa de la evolución en el modo de vida individualista, fue el modo de vida grupal, en donde la célula individual pierde importancia en favor de la supervivencia del grupo. Los modos de multicelularidad no son igualmente complejos. Como ya mencionamos anteriormente, existen protistas generalmente unicelulares que se agrupan en ciertas eventualidades ambientales generando niveles de especialización celular parcial en donde solo algunos individuos lograran reproducirse, mientras que el resto se muere y no se reproduce, sacrificándose en favor del futuro.

Figura 42. La multicelularidad ha evolucionado varias veces, una de las más recientes se ha dado en el linaje del Volvox, un alga verde microscópica de la cual se tienen los estadios morfológicos de varios puntos. Por ejemplo, dentro de Volvox tenemos las Chlamidiomonas que son incelulares de vida libre, luego tenemos a Gonium que es una agregación celular. Luego tenemos a Eudoria que ya posee una matriz extracelular, lo que mantiene a las células unidas pero a cierta distancia unas de otras. En Pleodorina ya tenemos un nivel incipiente de especialización celular, mientras que Volvox como tal posee tejidos tan especializados como el germinal.

Las esponjas también son agregados celulares, las células presentan una pobre especialización y los tipos de células apenas si pueden ser contados con los dedos de las manos, mientras que los tipos de células de un ser humano pueden llegar a más de 200. En los seres multicelulares donde la multicelularidad se va acentuando, el estado multicelular se hace más prolongado, y se hace el estado en que la especie se alimenta. En estos seres vivos, las células de la comunidad sufren especializaciones muchísimo más marcadas. Esta especialización celular es llevada a cabo mediante el proceso de diferenciación celular durante el desarrollo embrionario de la especie.

 Si las esponjas son simples los placozoos lo son aún más, literalmente son una masa de células con flagelos que le permite el movimiento, ostenta el título de animal más simple y probablemente sea un ser vivo simplificado a partir de otro con verdaderos tejidos. A diferencia de lo ocurre con los seres vivos como Dicyostelium spp., la diferenciación celular en los eucariotes multicelulares es mucho más marcada, un solo embrión humano puede dar lugar a 200 tipos de células diferentes, con formas, funciones y bioquímica completamente diferentes, las cuales se coordinan para generar un todo, una unidad coordinada, un ser vivo multicelular.

Diferenciación celular y el desarrollo

Como resultado de la diferenciación, diferentes tipos de células adquieren una apariencia distintiva y contienen materiales únicos, llevan a cabo reacciones químicas únicas y se encuentran en zonas únicas de la anatomía del ser vivo. El cigoto puede reconocerse porque es un dicarionte, a diferencia de lo que se esperaría, los núcleos del ovulo y el espermatozoide no experimentan la cariogamia, en lugar de ello, iniciarla primer mitosis o clivaje, y en el momento en que las membranas de los dos núcleos se disuelven, el material genético se duplica y se reorganiza de modo que las dos células del embrión si poseen el estado diploide, pero nunca se fusionan los núcleos. A partir del cigoto se generan cientos de tipos de células diferentes.

En los mamíferos por ejemplo tenemos las células esqueléticas, musculares, glandulares, nerviosas, epiteliales, sanguíneas, protectoras entre muchas otras más. Cuando el embrión alcanza el nivel de gástrula, las células que lo componen ya se han diferenciado en tres tipos generales, células del ectodermo, del mesodermo y del endodermo. Cada una de estas tres dará lugar a un tipo de tejido y de órganos diferentes.

Una pregunta pertinente seria, ¿Cómo se lleva a cabo la diferenciación celular? Anteriormente se pensaba que las células eliminaban los genes innecesarios a medida que se iban diferenciando unas de otras. Mientras que actualmente que más que eliminar, los genes se van activando y desactivando. Prueba de esto es que, si se realiza una transferencia de un núcleo somático a un ovulo, el ovulo activa nuevamente todos los genes del núcleo reiniciando el programa y generando un embrión clonado de manera somática.

Estructura interna de las células eucariotas

Las células eucariotas tienen una cantidad limitada de rutas metabólicas, pero en compensación, poseen una gama casi infinita de formas especializadas, a sea en los organismos de vida libre, parásitos, o en organismos multicelulares, sin embargo, para simplificar las cosas, por tradición se introducen solo dos, una célula animal idealizada, y una célula vegetal idealizada, pero el lector deberá tener en cuenta que existen muchos tipos y formas diferentes de las presentadas en este documento.

Figura 43. Estructura idealizada de la célula animal.

Figura 44. Estructura idealizada de la célula vegetal.

Figura 45. Toxoplasma gondii es un parásito intracelular que aprovecha el ciclo depredador presa, sus células son de tipo eucariota al tener núcleo y un sistema de membranas internas, pero adicionalmente posee organelos especializados que no son referenciados en los cursos introductorios de biología celular.

 Deberías notar que las células eucariotas están altamente compartimentadas. Estos compartimentos están formados por membranas que crean espacios internos que dividen el trabajo necesario para llevar a cabo las funciones de la vida. Los compartimentos de una célula eucariota, típicamente llamados organelos u orgánulos, llevan a cabo funciones especializadas que juntas permiten que la célula sea más eficiente y exitosa. Casi todos los orgánulos están rodeados por una membrana con proteínas integradas, muchas de las cuales son enzimas  (moléculas que aceleran las reacciones químicas). Estas enzimas hacen productos específicos para ese orgánulo, pero su acción beneficia al sistema celular completo.

La célula se puede ver como un sistema de organelos interconectados que trabajan juntos para conducir y regular los procesos de la vida. Por ejemplo, el núcleo es un compartimento que alberga el material genético dentro de los cromosomas eucariotas, que contienen información hereditaria. El núcleo se comunica con los ribosomas en el citoplasma, y ​​los orgánulos del sistema de endomembranas, especialmente el retículo endoplásmico (RE) y el aparato de Golgi, se comunican entre sí.

La producción de moléculas específicas tiene lugar dentro o sobre la superficie de los orgánulos. Estos productos son luego transportados alrededor de la célula por vesículas de transporte, sacos membranosos que encierran las moléculas y las mantienen separadas del citoplasma. Por ejemplo, el retículo endoplásmico se comunica con el aparato de Golgi por medio de vesículas de transporte.

Las vesículas se mueven por medio de una extensa red de fibras de proteína llamada citoesqueleto, que también mantiene la forma de la célula y ayuda con el movimiento de la célula. Estas fibras de proteínas permiten que las vesículas se muevan de un orgánulo a otro. Los organelos también se mueven de un lugar a otro usando este sistema de transporte. Piense en el citoesqueleto como un sistema de vías tridimensional dentro de las celdas utilizadas para transportar carga importante de un lugar a otro. Los orgánulos relacionados con la energía -cloroplastos en plantas y mitocondrias, tanto en plantas como en células animales- son responsables de generar la mayor parte de la energía necesaria para realizar procesos celulares.

La célula procariota

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La distinción entre células procarióticas y eucarióticas es basada en la complejidad y no en las relaciones filogenéticas. A inicios del nuevo milenio, los avances en la investigación bioquímica arrojaron lo que hasta ese entonces era un dato que alteraba los fundamentos de la biología, la biología celular, la taxonomía, la evolución; las células procariotas no pertenecían a un único grupo, no descendían de un ancestro común. Más sorprendente a aun, de los dos grupos en los cuales se dividió el antiguo grupo de procariotas, uno de ellos se encontraba más relacionado a los eucariontes en ciertas características genéticas relevantes que el otro.

Un nodo es un punto en que una línea evolutiva se transforma en dos. Aunque actualmente la naturaleza de esta separación es algo bastante complejo, en términos de clasificación es bastante simple, pueden verse igual, pero existen dos grupos de procariotas, y uno de ellos está más relacionado con las células eucariotas que con el otro grupo de procariotas. Los dos grupos de bacterias fueron nombrados como bacterias antiguas “archaeabacterias” y bacterias verdaderas “eubacterias”. Por cuestiones de extensión, los dos grupos han venido a denominarse simplemente como Archea “arcaicas” y Bacteria.

Las arcaicas

Figura 35. El árbol de la vida, en verde las arcaicas, en azul las bacterias y en rojo los eucariotas.

Las especies mejor conocidas del demonio de las arcaicas son aquellas que viven en ambientes extremadamente inhóspitos, por lo que generalmente son denominados extremófilos. Incluidas entre las archaeas se encuentran los metanógenos, procariotes capaces de convertir metabólicamente el hidrógeno molecular y el dióxido de carbono en gases de metano.  También contamos a los halófilos “amantes de las sales”. Los ambientes salinos en los que se encuentran son tan extremos como los ambientes del mar muerto o en ciertas zonas del abismo oceánico, donde las concentraciones de sal pueden llegar al 5 molar. Los acidófilos son procariotes amantes de las sales, los cuales pueden llegar a existir en pH de 0, los cuales se han encontrado en zonas de drenaje de minas abandonadas. Los hipertermófilos son procariotes amantes del calor, los cuales pueden vivir en ambientes hipercalentados. El agua hipercalentada es aquella que se encuentra a una temperatura superior a su punto de ebullición. Tal evento puede lograrse de dos maneras alternativas. La primera es que el agua se encuentre pura e inmóvil. La segunda es que el agua se encuentre a una presión mayor a la de una atmósfera.  Existen cepas capaces de vivir a temperaturas hipercalientes de 121°C lo cual implica también que sobreviven a presiones más altas de las normales. Es interesante que, la temperatura de 121°C es la que se emplea para esterilizar equipo quirúrgico mediante el procedimiento del autoclave, básicamente una hoya a presión que calienta al sistema a temperaturas hipercalientes con vapor de agua.

Las bacterias

Todos los demás procariotas conocidos pertenecen al grupo de las eubacterias “bacterias verdaderas” aunque la mayoría de los textos simplemente las nombran como bacterias.

Figura 36. Modelo de la estructura interna de una bacteria.

El grupo de las bacterias incluye a las células más pequeñas conocidas, el micoplasma (0,2 micrómetros de diámetro), los cuales son los únicos procariotas en carecer de una pared celular. Su genoma es igualmente pequeño, codificando cerca de 500 proteínas. Las bacterias se encuentran presentes en todo ambiente concebible en el planeta Tierra, desde los hielos permanentes del antártico, hasta los desiertos más secos de América y África, e incluso hasta los confines del interior rocoso. Más interesante aun, se encuentran, sobre, en el interior de los organismos, y a veces en el interior de las mismas células de los eucariotas como las plantas y los animales.

La estructura interna general de las eubacterias es simple, ADN, proteínas y otros bioelementos flotando en el citosol, sin un sistema de endomembranas. Sin embargo, esto es solo para la mayoría, no para todos. Las células bacterianas más complejas son las cianobacterias. Las cianobacterias contienen un sistema de MEMBRANAS INTERNAS llamadas tilacoides, los cuales contienen la clorofila necesaria para realizar la fotosíntesis. Los tilacoides de las cianobacterias son muy simulares a los tilacoides de los cloroplastos de las plantas. Tal como en los cloroplastos en las cianobacterias la fotosíntesis sigue en esencia las mismas rutas, usa las mismas moléculas, es guiada por las mismas proteínas y liberan finalmente el mismo oxígeno gaseoso.

Figura 37. Las bacterias se cultivan generalmente en medios de cultivo semejantes a la gelatina, las colonias son estructuras cerosas que crecen sobre o en el interior tal como se muestra en la imagen. En este caso tenemos un cultivo de uno de los seres vivos más estudiados y mejor conocidos entre todos, Escherichia coli.

Muchas cianobacterias no son capaces únicamente de la fotosíntesis, sino también de la fijación de nitrógeno. La fijación de nitrógeno es un proceso metabólico que permite capturar el gas de nitrógeno en moléculas útiles para los seres vivos como el amoniaco, el cual puede ser empleado subsecuentemente para sintetizar proteínas.

Figura 38. Las cianobacterias son las eubacterias más complejas debido a que presentan estructuras internas que flotan en la membrana diferentes a los biocompuestos y al ADN flotando en el citosol, Los tilacoides son un verdadero sistema de membranas internas en una bacteria, sin embargo, esta es la excepción y no la regla.

La atmósfera del planeta Tierra es en su gran mayoría nitrógeno gaseoso “más del 70%”, pero la mayoría de los seres vivos son incapaces de obtenerlo del aire. El nitrógeno es un elemento de vital importancia para que los seres vivos puedan crecer y multiplicarse. La capacidad de las cianobacterias que obtener recursos de fuentes inorgánicas, y de convertir lo inorgánico a lo orgánico, hacen que posean la capacidad de ser entre los primeros seres vivos en colonizar las rocas desnudas de un ambiente nuevo o de ambientes extremos.

Diversidad del mundo procariótico, cultivables vs no cultivables

Para la mayoría de los microbiólogos los microorganismos familiares son aquellos que pueden ser cultivados en un medio controlado. Los medios de cultivo son sustancias semejantes a la gelatina, las cuales varían en su composición química. Algunas permiten el crecimiento de una amplia variedad de microorganismos, otras están diseñadas para dejar crecer solo unos cuantos microorganismos liberando en su crecimiento ciertas características como la forma en que crece la colonia y principalmente el color en que crece la colonia.

Figura 39. En la microbiología clásica casi todo de reduce a poder cultivar el microorganismo y a determinan sus propiedades bioquímicas mediante cambios de color de los medios de cultivo específicos. Este acercamiento también permite determinar los perfiles de proteínas y las estructuras complejas como los flagelos.

La microbiología clásica fue construida en base a los medios de cultivo, y eso incluye a la microbiología médica. Por ejemplo, cuando un paciente sufre de una infección urinaria, uno de os primeros pasos que realiza en fisiólogo médico es el de cultivar al patógeno en un medio de cultivo controlado para poder luego identificarlo. Una vez identificado pueden ubicarse sus debilidades e iniciar el tratamiento más adecuado. Por los azares del destino, se ha logrado cultivar la gran mayoría de los agentes causantes de enfermedades, aunque algunos patógenos han demostrado ser más retadores que otros como en el caso de la bacteria causante de la lepra.

Sin embargo, no puede decirse lo mismo de la totalidad de la vida microbiana del planeta.  El problema se debe al hecho de que los procariotas pueden ser descritos de manera muy rudimentaria por medio del microscopio, debido a que su morfología no es muy distintiva “todos se ven muy parecidos”. Para identificar a un microorganismo se deben hacer pruebas bioquímicas que nos dicen lo que “pueden hacer”, y en base a ello se establecía una clasificación en base al conocimiento acumulado por la microbiología clásica.

Las técnicas moleculares permiten investigar la diversidad completa de una población microbiana, pero difícilmente nos dice sobre las propiedades individuales de cada individuo, en otras palabras, sabemos que existen muchas bacterias no cultivables, pero desconocemos sus propiedades.

A la fecha, se han descrito aproximadamente y en ocasiones de manera rudimentaria unas 6 000 especies de procariotas mediante las técnicas tradicionales de la microbiología de cultivo, lo cual representa menos de un décimo del uno por ciento de las millones de especies de procariotas que existen en el planeta. Nuestra apreciación de la diversidad de las comunidades procariotas se ha incrementado de manera dramática en las recientes dos décadas mediante el uso de las técnicas moleculares las cuales no requieren del aislamiento de un organismo particular.

Suponga que deseamos aprender a cerca de la diversidad microbiana de las capas de sedimento más externas del océano Pacifico en las costas de cualquiera nación que se desee. En lugar de intentar cultivar a las bacterias, lo cual ha sido, de manera reiterativa un esfuerzo fútil, los investigadores han optado por analizar el ADN contenido en las muestras. Cada especie posee variantes únicas en su ADN aun en genes que codifican para estructuras conservadas como el ribosoma, lo cual permite generar una idea de la diversidad de una zona determinada.

Sin embargo, esta aproximación presenta ciertos problemas, ya que nos hace ciegos ante los factores epigenéticos, y ante el conocimiento de cómo es la diversidad morfológica de ciertas características de importancia como lo es el flagelo bacteriano. Si no conocemos la diversidad morfológica de la diversidad bacteriana que sabes que está allí, nos perdemos de valiosas fuentes de información que pueden ayudarnos a entender muchas cosas con respecto a la evolución de las especies sobre el planeta Tierra.

Procariotas simbióticos y endosimbióticos

Figura 40. Modelo de la estructura de una célula bacteriana típica de Escherichia coli.

Las técnicas de identificación molecular han sido usadas para intentar dar un espectro de la diversidad que se encuentra en el interior de los seres vivos, lo cual incluye a los seres humanos.

Los seres humanos poseen una serie de pasajeros invisibles, sobre, dentro e inclusive en el interior de sus células. La colección de microbios de un ser humano se denomina microbioma humano, y actualmente es sujeto de muchas investigaciones, las cuales buscan relacionar los cambios del microbioma humano con variables tales como la dieta, la edad, ubicación geográfica y estados de salud. Con base a este tipo de investigaciones ha llegado a demostrarse que, por ejemplo, los humanos obesos y sedentarios poseen poblaciones de bacterias simbióticas marcadamente diferentes en su sistema digestivo. A medida que una persona obesa pierde peso, la constitución de las poblaciones microbianas de su tracto intestinal va cambiando de manera marcada.

Los estudios en ratones sugieren que algunas especies de bacterias que predominan en las personas obesas podrían liberar más calorías desde la comida digerida que sus contrapartes en los tractos digestivos de las personas delgadas, y por lo tanto, las bacterias de las personas obesas harían que las personas ganen y mantengan su peso. Usando las técnicas de secuenciación genética de la biología molecular se ha descubierto que, lo que hasta hace unas décadas se pensaban que eran orgánulos propios de las células, no eran más que polisones que se habían acostumbrado a vivir en el interior de las células sirviendo a estas en una relación de ganancia mutua, una endosimbiosis mutualista. Estos polisones evolucionaron hacia las mitocondrias y los cloroplastos. La naturaleza y las pistas que conllevaron a este descubrimiento serán explicadas en detalle en artículos posteriores.

Estructura interna de las células procariotas

En las bacterias, el citoplasma está rodeado por una membrana celular. La mayoría de las bacterias posee una pared celular, y algunas veces también una cápsula. El citoplasma contiene una variedad de enzimas. Las enzimas son proteínas especializadas en catalizar, es decir en acelerar los muchos tipos de reacciones químicas que se requieren para mantener un organismo. Como hemos discutido, las membranas plasmáticas de procariotas y eucariotas tienen una estructura similar. Adicionalmente, poseen una pared celular que mantiene la forma de la célula, incluso si el citoplasma toma una gran cantidad de agua, el material de la pared es típico de las bacterias y es conocido como peptidoglucano. A parte de la pared, algunas bacterias poseen capas protectoras extra, una de ellas es la cápsula, esta es una capa protectora de polisacáridos que se encuentra fuera de la pared celular. En las bacterias, el ADN se encuentra en un único cromosoma circular en espiral que reside en una región de la célula llamada nucleoide. Las muchas proteínas formadas por los mensajes químicos del ADN bacteriano se sintetizan en pequeñas estructuras llamadas ribosomas. El ADN bacteriano está organizado secuencialmente, los genes se siguen linealmente sin que existan fragmentos no codificantes, es decir, fragmentos de ADN incapaces de enviar mensajes químicos para fabricar proteínas. Una célula bacteriana contiene miles de ribosomas. Algunas bacterias tienen flagelos, que son apéndices en forma de cola que permiten que las bacterias se impulsen. Un flagelo bacteriano no se mueve hacia adelante y hacia atrás como un látigo. En cambio, mueve la celda en un movimiento giratorio. Algunas veces, los flagelos ocurren solo en los extremos de una célula, y otras veces se dispersan aleatoriamente sobre la superficie. 

Generalidades de la célula y su estudio

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Tamaño celular

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.

La unidad de la vida

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.

¿Dos tipos de célula?

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.

Registro fósil celular

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.