Introducción a la Biología Celular

Niveles de Organización de los Seres Vivos

Los seres vivos se organizan en niveles de complejidad creciente, desde lo más simple a lo más complejo:

• Átomo: La unidad más básica de la materia.
• Molécula: Unión de dos o más átomos.
• Orgánulo y Estructuras Celulares: Componentes especializados dentro de la célula.
• Célula: La unidad fundamental de la vida.
• Tejidos: Conjunto de células similares que realizan una función específica.
• Órganos: Agrupación de diferentes tejidos que trabajan juntos.
• Aparatos y Sistemas: Conjunto de órganos que colaboran para una función mayor.
• Organismos: El ser vivo completo.

Con cada nivel, la materia adquiere propiedades nuevas, denominadas propiedades emergentes. Por ejemplo, al asociarse todos los tejidos que forman el corazón, se adquiere la capacidad de bombear sangre.

Las Biomoléculas

Las biomoléculas son los componentes químicos de los seres vivos y se clasifican en inorgánicas y orgánicas.

Biomoléculas Inorgánicas

• El Agua: Es el componente mayoritario de los seres vivos. En ella tienen lugar las reacciones químicas celulares, es esencial para el transporte de sustancias y actúa como regulador térmico.
• Sales Minerales: Constituyen los esqueletos de muchos organismos, como el fosfato cálcico de los huesos. Además, regulan la transmisión del impulso nervioso, en la que intervienen iones como el calcio, el sodio y el potasio.

Biomoléculas Orgánicas (Macromoléculas)

Son moléculas complejas y de gran tamaño:

• Glúcidos (Carbohidratos): Pueden formar las paredes de las células vegetales (como la celulosa) o ser sencillos, como la glucosa, que proporciona energía a la célula.
• Lípidos: Sustancias de naturaleza química diversa. Los triglicéridos sirven de reserva energética para la célula, el colesterol tiene un papel estructural y otros lípidos forman parte de moléculas que regulan los procesos del organismo (hormonas).
• Proteínas: Son el segundo componente más abundante de los seres vivos y realizan una gran variedad de funciones. Por ejemplo, las enzimas catalizan las reacciones químicas, y la hemoglobina de los glóbulos rojos transporta el oxígeno en la sangre.
• Ácidos Nucleicos: Son el ADN (ácido desoxirribonucleico) y el ARN (ácido ribonucleico). Contienen la información genética que se transmite a la descendencia y se emplea para controlar las funciones celulares.

El Descubrimiento de la Célula

Las células que forman los seres vivos son microscópicas y solo pudieron estudiarse tras la invención del microscopio. Las primeras células fueron observadas en 1665 por el científico Robert Hooke con un microscopio que construyó él mismo. Hooke utilizó el término célula para describir cada una de las celdillas de una lámina de corcho, que en realidad eran las paredes celulares de células muertas.

La Teoría Celular

Tras el descubrimiento de Hooke, el microscopio avanzó y con él, el conocimiento de la célula. En 1838, tras numerosas observaciones en tejidos vegetales y animales, Matthias Schleiden y Theodor Schwann llegaron a la conclusión de que todos los seres vivos están formados por células. La teoría celular se basa en tres puntos fundamentales:

1. La célula es la unidad estructural de los seres vivos.
2. La célula es la unidad funcional de los seres vivos.
3. Toda célula procede de otra célula preexistente mediante la reproducción.

En resumen, la teoría celular afirma que la célula es la unidad estructural, funcional y reproductora de los seres vivos.

Tipos y Estructuras Celulares

Tipos de Células

Existen dos tipos principales de organización celular:

• Células Procariotas: Son células sencillas de pequeño tamaño que no tienen núcleo definido ni orgánulos membranosos. Su material genético está disperso en el citoplasma. Ejemplos: bacterias y arqueas.
• Células Eucariotas: Son células complejas de mayor tamaño que poseen un núcleo verdadero que contiene el material genético, y una gran variedad de orgánulos membranosos. Hay dos tipos principales: las células eucariotas animales (como las de protozoos y hongos) y las células eucariotas vegetales (como las de plantas y algas).

Estructuras Comunes a Todas las Células

Independientemente de su tipo, todas las células comparten ciertas estructuras esenciales:

• Membrana Plasmática: Fina envoltura que rodea la célula, separa su contenido del exterior y regula el intercambio de sustancias.
• Citoplasma: Sustancia gelatinosa que rellena la célula y en la que se encuentran los orgánulos y el contenido celular.
• ADN (Ácido Desoxirribonucleico): Sustancia química compleja que constituye el material genético de la célula.
• Ribosomas: Pequeñas partículas encargadas de sintetizar las proteínas.

Funciones Vitales en Bacterias (Células Procariotas)

Nutrición

• La mayoría de las bacterias autótrofas son fotosintéticas, sintetizando compuestos orgánicos a partir de materia inorgánica utilizando energía solar. Otras realizan quimiosíntesis, sintetizando compuestos orgánicos a partir de reacciones químicas.
• Las bacterias heterótrofas pueden ser parásitas (viven a expensas de otro organismo), saprófitas (se alimentan de materia orgánica en descomposición) o simbióticas (establecen una relación de beneficio mutuo con otro organismo).

Relación

• Algunas bacterias se desplazan a través de flagelos, realizando un movimiento vibrátil. Otras viven inmóviles.

Reproducción

• Las bacterias se reproducen principalmente mediante bipartición: la célula duplica su ADN y divide su citoplasma en dos mitades, repartiendo equitativamente el cromosoma bacteriano y parte del contenido celular a cada célula hija.

Características de las Células Eucariotas

Las células eucariotas presentan una organización más compleja:

• Tienen un núcleo verdadero, donde su ADN se encuentra rodeado por una membrana nuclear.
• Poseen un citoesqueleto, una red de filamentos que da forma a la célula y permite su movimiento.
• Contienen una gran variedad de orgánulos membranosos, como los ribosomas, mitocondrias, el aparato de Golgi, retículo endoplasmático, lisosomas y otras vesículas.
• Algunas, como las células vegetales, tienen orgánulos adicionales como los cloroplastos y grandes vacuolas.

Tipos de Células Eucariotas

Células Eucariotas de Tipo Animal

Presentes en animales y algunos organismos unicelulares como los protozoos. Estas células tienen centriolos y, en ocasiones, cilios y flagelos para el movimiento.

Células Eucariotas de Tipo Vegetal

Presentes en plantas y algas. Se caracterizan por tener:

• Una pared celular rígida que les proporciona soporte y protección.
• Cloroplastos, orgánulos donde se realiza la fotosíntesis.
• Grandes vacuolas que almacenan agua y otras sustancias, y mantienen la turgencia celular.

El Núcleo Celular

El núcleo es la estructura más importante de la célula eucariota, ya que contiene la información genética necesaria para dirigir el funcionamiento celular y la información hereditaria.

Estructura del Núcleo Interfásico

Cuando el núcleo no está en división (etapa denominada interfase), distinguimos los siguientes elementos:

• Envoltura Nuclear: Doble membrana que separa el nucleoplasma del citoplasma celular y está atravesada por poros nucleares.
• Nucleoplasma: Es el medio acuoso que rellena el núcleo, donde se produce la síntesis de ácidos nucleicos.
• Nucleolo: Estructura esférica formada por ADN, ARN y proteínas. Su función es sintetizar y organizar los ribosomas, por lo que su tamaño es mayor en células con alta síntesis proteica.
• Cromatina: Es el material genético de la célula, el componente más importante del núcleo. Está formada por ADN unido a proteínas (histonas).

Estructura del Núcleo en División

Durante la división celular, la actividad metabólica disminuye y el núcleo sufre las siguientes transformaciones:

• La envoltura nuclear se desorganiza, dejando disperso el nucleoplasma.
• El nucleolo se desintegra.
• Las fibras de cromatina se condensan y se enrollan, haciéndose más cortas y anchas hasta transformarse en cromosomas. Cada cromosoma está formado por dos fibras de cromatina idénticas, llamadas cromátidas hermanas, que están unidas por el centrómero.

Número de Cromosomas y Ploidía

En los organismos con reproducción sexual, cada cromosoma tiene su cromosoma homólogo, que contiene el mismo tipo de información genética. Esto significa que la célula es diploide (2n), es decir, tiene dos juegos de cromosomas (N tipos de cromosomas). Una célula es haploide (n) cuando tiene un único juego de cromosomas.

En la especie humana, las células somáticas tienen 46 cromosomas (2n=46). Uno de estos pares de cromosomas determina el sexo y se denomina cromosomas sexuales (XX para mujeres, XY para hombres).

La Nutrición Celular

La nutrición comprende todos los procesos que proporcionan a la célula materia y energía para crecer, dividirse, reponer sus estructuras y relacionarse.

Obtención de Materia y Energía

• Nutrición Heterótrofa: Consiste en obtener biomoléculas orgánicas procedentes de otra célula u organismo. Las moléculas orgánicas simples pueden ser incorporadas directamente por la célula, mientras que las complejas necesitan ser digeridas y transformadas en moléculas más simples.
• Nutrición Autótrofa: Consiste en sintetizar biomoléculas orgánicas a partir de materia inorgánica, usando una fuente de energía. La fotosíntesis utiliza la luz del sol y, además, genera oxígeno.

Generación de Energía (ATP)

• Respiración Celular: Todas las células eucariotas realizan este proceso, que tiene lugar principalmente en las mitocondrias. En la respiración celular se libera una gran cantidad de energía (ATP) a partir de la degradación de moléculas orgánicas. Esta energía se emplea para las funciones celulares y reacciones químicas, y parte se pierde en forma de calor.
• Fermentación: Las levaduras y algunos tipos de bacterias tienen la capacidad de degradar materia orgánica en ausencia de oxígeno. Este proceso se llama fermentación y genera residuos (como alcohol o ácido láctico) y menos energía que la respiración celular.

Reproducción de Células Eucariotas

La reproducción celular, o división celular, es la capacidad de una célula de dividirse en dos o más células hijas idénticas. Existen diferentes mecanismos de división celular en eucariotas:

1. Bipartición: La célula duplica su ADN y genera dos células hijas genéticamente idénticas y del mismo tamaño.
2. Gemación: La célula duplica su ADN y genera una yema que se desarrolla y se separa de la célula madre. Se forman dos células hijas genéticamente iguales, pero de diferente tamaño.
3. Esporulación o División Múltiple: La célula genera múltiples copias de su ADN, que se rodean de una porción de citoplasma. La membrana se rompe, liberándose las esporas.

El Ciclo Celular

El ciclo celular es el conjunto de procesos que tienen lugar desde que una célula nace hasta que se reproduce. Se divide en dos fases principales:

1. Interfase

Etapa durante la cual la célula crece, duplica su ADN y se prepara para la división. Se subdivide en:

• Fase G1: La célula acaba de nacer, aumenta de tamaño y multiplica sus orgánulos.
• Fase S (o de Síntesis del ADN): La célula duplica su material genético (ADN).
• Fase G2: La célula crece y alcanza el tamaño adecuado para la división celular. Los centriolos se duplican en esta etapa.

2. Fase Mitótica (o de División Celular)

En esta fase, la célula divide su núcleo y citoplasma.

• Mitosis (o Fase M): La célula divide el núcleo, repartiendo el material genético entre las dos células que se están formando. Consta de cuatro fases: profase, metafase, anafase y telofase.
• Citocinesis: La célula divide su citoplasma y sus orgánulos entre las dos células hijas, que resultan con idéntica dotación cromosómica.

La Meiosis

La meiosis es un proceso especial de división celular a través del cual se forman células haploides (gametos o células sexuales).

Significado Biológico de la Meiosis

Es un proceso indispensable para reducir a la mitad el número de cromosomas durante la formación de las células sexuales. Además, durante la meiosis se produce el entrecruzamiento (o crossing-over), que es el intercambio de fragmentos entre cromátidas no hermanas de cromosomas homólogos. Este intercambio de información hace que se obtengan células genéticamente distintas a las células madre, lo que genera la variabilidad genética, fundamental para la evolución de las especies.

El Proceso de la Meiosis

La meiosis consta de dos divisiones celulares consecutivas:

1. Primera División Meiótica (Meiosis I): Separa las parejas de cromosomas homólogos. Consta de profase I, metafase I, anafase I y telofase I.
2. Segunda División Meiótica (Meiosis II): Separa las dos cromátidas hermanas de cada cromosoma. Consta de profase II, metafase II, anafase II y telofase II, tras la cual se produce la citocinesis.

La Mitosis

La mitosis es el proceso a través del cual se produce la división del núcleo de la célula, resultando en dos núcleos hijos genéticamente idénticos.

En los organismos pluricelulares, la mitosis tiene como función principal permitir el crecimiento del individuo mediante divisiones sucesivas y la renovación de células deterioradas o muertas.

La Reproducción Sexual

La reproducción sexual requiere de dos progenitores para formar un nuevo individuo. El descendiente es una combinación de las características genéticas de sus progenitores, lo que contribuye a la variabilidad.

Existen diferentes tipos de células en organismos con reproducción sexual:

• Las células que forman parte del cuerpo se denominan células somáticas, y son células diploides (2n).
• Las células germinales están especializadas en la reproducción y, a través de la meiosis, dan lugar a las células sexuales o gametos, que son haploides (n).

De esta manera, cuando ocurre la fecundación, el gameto masculino se une al gameto femenino para dar lugar al cigoto o célula huevo, que es diploide y dará origen a un nuevo organismo.

La Citocinesis

La citocinesis es el proceso por el cual la célula divide su citoplasma y sus orgánulos entre las dos células hijas, completando así la división celular.

• En las células eucariotas de tipo animal, que solo están envueltas por la membrana plasmática, la citocinesis se produce por estrangulamiento de la membrana, lo que permite que la célula se deforme.
• En las células eucariotas de tipo vegetal, debido a la presencia de la pared celular rígida, la citocinesis se realiza mediante la formación de un tabique o fragmoplasto en el centro de la célula.

Etiquetas: ADN, Biología Celular, biomoléculas, célula eucariota, célula procariota, niveles de organización, núcleo celular