El Descubrimiento y Estructura de Células: _{Teoría celular, procariotas y eucariotas}

Antony van Leeuwenhoek mejora la microscopía

En los años inmediatamente después, otros científicos se basaría en el trabajo de Hooke, incluyendo Antony van Leeuwenhoek (1632 – 1732), un mercadero de tela en Delft, Nederland. Van Leewenhoek no era científico con entrenamiento formal, pero era un individuo curioso e industrioso quien disfrutaba observar el mundo a su alrededor (Anderson, 2009). Mientras trabajaba en su tienda sastrería en la década de 1670, van Leewenhoek comenzó a experimentar con el vidrio soplado y la construcción de microscopios. Utilizando diseños descritos por Hooke en, Micrografia, van Leeuwenhoek construyó sus propios microscopios a mano, fabricando cada elemento desde su lente altamente definido hasta los tornillos utilizados para mantener junto el instrumento (Anderson, 2009).

Durante su vida, van Leeuwenhoek construyó cientos de microscopios y lentes a mano, cada uno era único. Era con estos microscopios y con lentes mejorados que comenzó a estudiar el mundo a su alrededor y compartir estas observaciones con instituciones como la Sociedad Real Inglesa. Uno de sus primeras observaciones importantes fue en Agosto del año 1674, cuando vio muestras de agua de Berkelse Meer, un lago dos millas afuera de Delft. En una carta a Henry Oldenburg de ese mismo Septiembre y publicado en Transacciones Filosóficas de la Sociedad Real, van Leeuwenhoek anotó:

Agarre un poco de agua en un contenedor de vidrio, el cual haber sido visto al siguiente día, encontré en el varias partículas de Tierra, algunas con líneas verdes en espiral… de las cuales todas tenían una abundancia de animales pequeños, algunos redondeados, otros eran algo mas grandes los demás y eran mas ovalados: En estos últimos vi dos piernas cerca de la cabeza y dos pequeñas aletas al otro lado de su cuerpo… El movimiento de la mayoría de ellos en el agua era rápido y variado; hacia arriba, hacia abajo y por todos lados que confieso que quede impresionado con ellos. Yo pienso que algunas de estas pequeñas criaturas eran mas de miles de veces mas pequeñas que las mas pequeñas, las cuales he visto hasta ahora.

Lo que miraba van Leeuwenhoek, podemos asumir, eran unas de las formas de vida mas pequeñas: protozoos, rotíferos, ciliados, y el fitoplancton. Las descripciones de van Leeuwenhoek están entre los primeros en identificar las características únicas de estos diferentes organismos microscópicos y fue el comienzo de la disciplina que conocemos ahora como microbiología - el estudio de organismos microscópicos.

En los años inmediatamente siguiendo el descubrimiento de van Leeuwenhoek de microorganismos en el agua de Berkelse Meer, sus estudios desenterraron algunas distinciones celulares importantes. Entre ellas fue el descubrimiento de organismos y estructuras unicelulares existiendo dentro de las paredes de lo que Hook pensaba originalmente eran células de plantas (orgánulos grandes llamados vacuolas).

Los comienzos de la teoría celular

La ciencia no es un viaje solitario y los momentos mas importantes han sido un resultado de estar en el lugar correcto en el tiempo correcto. Tal fue el caso con el desarrollo de la teoría celular. Durante una conversación en 1838, botanista Alemán Matthias Jacob Schleiden mencionó al fisiólogo Aleman Theodore Schwanna que el creía que todas las plantas y algunas partes de plantas, estaban compuestos de células. Schwann había llegado a la conclusión acerca de animales por medio de su propia investigación e inmediatamente vio el valor de compartir semejante idea públicamente en el sector científico (y compartirlo rápidamente antes de que alguien mas tomara crédito por ello). En 1839, su trabajo Investigaciones microscópicas sobre la Conformidad en la Estructura y Crecimiento de Plantas y Animales fue publicado y sin darle crédito a Schleiden formalmente hizo la primera declaración en la teoría celular: Todos los seres vivientes están compuestos de células y productos celulares.

Esta simple declaración fue otro punto importante en la biología. En ese entonces cuando fue publicado el libro, Schwann trabajaba en el laboratorio de Johannes Petter Müller en la Universidad de Berlín. En una relación simbiótica, Müller utilizo su posición de Presidente del Departamento de Anatomía y Fisiología para promover el texto; Schwann continuó su trabajo en el laboratorio y ayudo a solidificar el laboratorio de Müller como el centro de investigación de la teoría celular.

La creencia de que todos los seres vivientes están compuestos de células fue pronto ampliamente aceptada en la comunidad científica., pero como llegaron a ser estas células aun era una área desconocida. En una atmosfera altamente religiosa de los siglos XVIII y XIX, cualquier sugerencia de que la vida era resultado de cualquier cosa que no sea la Creación Divina se encontraba con resistencia. Entonces la mayoría de los científicos de ese entonces se suscribieron a la Teoría de Generación Espontanea mientras continuaban a investigar la estructura y función de la vida (vea nuestro módulo Experimentación en la Investigación Científica).

Mientras la calidad y habilidad de magnificación de microscopios continuaba a mejorar, los descubrimientos acerca de la diversidad de células y estructura celular también incremento. No paso mucho tiempo antes de que era claro que existían dos tipos principales de células – las que son un organismo en si (unicelulares) y las que a menudo son parte de un cuerpo mas grande (multicelulares). Adicionalmente, dentro de estos dos tipos de células se notaba que algunos tenían núcleos rodeados de membrana, y otros no. A estos dos tipos se les dieron los nombres procariota (lo que significa “antes de la nuez”) y eucariota (“con la nuez”). La “nuez se refiere al núcleo.

Procariotas y Eucariotas: El caso de ascendencia compartida

Mientras que la vida consiste de células, no todas las células tienen la misma estructura. En la organización de seres vivientes, los organismos caen en uno de dos grupos: procariotas y eucariotas. Los procariotas (arqueas y bacterias) y eucariotas (plantas, animales y protistas tienen muchos factores definidores que son diferentes de uno a otro, pero sus similitudes son muy importantes y forman las bases con las cuales se construye la teoría de ascendencia compartida.

Todos los procariotas y eucariotas consisten en citosol con ribosomas suspendidas en ellas, el material genético de ADN y AEN, y están encapsuladas en una membrana. Estos elementos comunes son químicamente y estructuralmente casi indistinguibles. La membrana plasmática consiste en una capa doble de fosfolípido, el cual es una capa grasosa que rodea la célula (vea nuestro Membranas I: Introducción a las Membranas Biológicas módulo para aprender mas). Esta membrana contiene varias estructuras que permite a la célula llevar a cabo tareas necesarias, incluyendo bombas y canales que permiten sustancias moverse dentro y hacia la célula, y receptores que permiten a la célula sentir lo que lo rodea y ser reconocida por otras células (vea nuestro módulo Membranas II: Transportadores Pasivos y Activos). Esta plasma membranal forma una barrera semi permeable que mantiene que permite las citosol de salirse y que el ambiente del alrededor se meta.

El Citosol es un fluido gelatinoso consistiendo de agua empacada con nutrientes disueltos, desperdicios, iones, proteínas, encimas y muchas otras moléculas. Muchas reacciones químicas se llevan a cabo en el citosol y contienen partículas y filamentos que proveen forma a células. Suspendido dentro del citosol están las ribosomas – maquinas moleculares grandes que son responsables en traducir la información contenida en proteínas de ARN. El numero de ribosomas en una célula depende altamente en la función de una célula.

Tanto los eucariotas como los procariotas tienen material genética (ADN y ARN), el cual lleva las instrucciones para la producción de proteínas (vea nuestra serie de módulos de ADN). Sin embargo, quizás la distinción mas importante entre estos dos taxones de células es de que el material genético de eucariotas esta encapsulado dentro de la membrana doble, creando un núcleo. Los Procariotas no tienen núcleos rodeados de membrana; su material genético existe en nucleoide – una región con forma irregular dentro del citosol.

A pesar de que la bacteria parece ser mas diferente que el moho, y un árbol parece ser mas diferente que un humano, adentro de las células de estos organismos muchas cosas son prácticamente lo mismo. El argumento de esto es que todos los seres vivientes en la Tierra se relacionan y son descendientes de un ancestro común. Esto se llama Teoria de Descendencia Universal Comun. Considere lo siguiente:

1. Todos los seres vivientes utilizan el ADN para su material genético. Hipotéticamente hablando, hay docenas de moléculas que pueden funcionar como un repositorio de información genética. De hecho, las proteínas y azucares han sido “mejores” opciones que el ADN, ya que permitirían mucha mas información sea almacenada en una molécula del mismo tamaño. Sin embargo, todas las células vivientes almacenan su información genética en la forma de cromosomas que consisten de ADN. Nucleótidos pueden ser construidos en un sin número de maneras, pero solamente cuatro de ellos son utilizados por la los seres vivos en la Tierra.

2. El código genético es universal. Los seres vivientes no solo almacenan información genética utilizando la misma molécula, si no que el código para leer la información también es idéntica. Por ejemplo, en cualquier secuencia de ADN, los códigos para citosina-timina-citosina (CTC) para el amino acido leucina. Esto es verdadero para cualquier célula desde bacterias hasta células humanas. No hay razón para que esto sea verdad. El código genético es como la Clave Morse: es simplemente arbitrario. Cualquier numero y combinación de nucleótidos de ADN puede servir como código para cualquier tipo de amino acido. Y sin embargo, toda la vida utiliza el mismo código. (Existen un para de excepciones, pero estas son bien raras.) Esta característica común de la vida es lo que nos permite insertar genes de una especie a otra y mantener que esos genes sigan trabajando correctamente. Por ejemplo, seria extremadamente costoso cosechar insulina de donadores humanos para tratar pacientes con diabetes. Si no, científicos han ingeniado bacteria que contienen el gen de insulina humano. Este gen es leído e interpretado en la misma manera en ambas células, entonces la bacteria construye una molécula humana de insulina perfectamente funcional.

3. Tosas las células convierten energía química en maneras similares. La energía que llega al planeta desde el sol puede ser cosechada en un sin número de maneras. Sin embargo, el proceso y encimas de fotosíntesis son bien similares entre todas las células fotosintéticas, desde cianobacterias y plancton hasta arboles y hojas de ninfeáceas. Similarmente, todas las células consumen macromoléculas y convierten su energía en maneras muy similares. Las encimas de glicolisis, el proceso de desintegrar la glucosa son compartidos entre todas las células vivientes. Adicionalmente, todas las células hacen y utilizan moléculas de ATP como su “moneda” para transferir energía en sus muchas reacciones químicas. Existen literalmente miles de moléculas que pueden ser utilizadas para este propósito, incluyendo muchas que funcionarían mas eficientemente que el ATP. Las reacciones químicas de la conversión de energía son notablemente similares. en todas las células en la Tierra.

4. Todas las membranas biológicas son similares. Desde la membrana plasmática de bacteria hasta el sobre nuclear de animales, las membranas resistentes a agua que establecen compartimientos separados dentro y alrededor de una célula viviente son extremadamente similares. Por otra parte, eso no es sorprendente debido a las propiedades de fosfolípidos son únicas. Por otra parte, comenzando con bases químicas bien básicas, como esas encontradas en la Tierra joven, muchas posibles moléculas que forman membrana pudieron haber emergido. De hecho, los científicos pueden ahora sintetizar membranas mucho mejores, mas simples y mas estables. El hecho de que toda la vida utiliza estructura membranal básica es evidencia fuerte que una vez que evolucionaron las membranas, fueron pasadas a descendientes con poco cambio en el camino.

Estas son unas pocas de las piezas de evidencia para la Teoría de Descenso Común Universal.

Diferencias entre todos los tipos de células: Orgánulos y sus funciones

Todas las funciones básicas químicas y fisiológicas – reparación, crecimiento, movimiento, inmunidad, comunicación, digestión – todos llevados a cabo adentro de células y las actividades de las células dependen en las actividades de las estructuras dentro de la célula (incluyendo los orgánulos). Esto significa que células pueden convertir energía de una forma (el cual, dependiendo en el tipo de célula, puede ser en forma de luz, azúcar u otros compuestos) a otra. Por ejemplo, las células pueden digerir las bases de otros organismos que ha comido y utilizar la energía liberada para construir sus propios materiales como la proteína, carbohidratos y grasas.

La mayoría de las actividades de una célula son llevadas a cabo via la producción de proteínas. Proteínas son moléculas grandes moléculas que están compuestas de orgánulos específicos dentro de la célula utilizando las instrucciones contenidas dentro de su material genético (vea nuestra serie de ADN: ADN I: El Material Genético, ADN II: La estructura del ADN, ADN III: La Replicación del ADN). Dependiendo del tipo de organismo, orgánulos específicos pueden o no estar presentes en una célula.

Adicionalmente la membrana plasmática, citosol, ribosomas y núcleo, los componentes típicos de células eucariotas incluyen: mitocondria, vesículas de transporte, retículo endoplásmico, cuerpos de Golgi y lisosomas. Adicionalmente a estas células fotosintéticas pueden tener una pared celular, cloroplastos y una vacuola central.

Sin embargo las células procariotas no contienen orgánulos rodeados de membranas. Lo que si incluyen son plásmidos, un muro celular, y en el caso de procariotas fotosintéticas, tilacoides. La tabla 1, a continuación, enumera la función de cada tipo de orgánulos y el grupo de células en que se encuentra.

Animación Interactiva: The Structure of Animal Cells

Animación Interactiva: The Structure of Plant Cells

Orgánulos rodeados de membrana
Independientes en Replicar
	Mitocondria El “suplidor de poder” para la célula, genera la mayoría del ATP utilizado en los procesos celulares por medio de conversión de nutrientes en energía. Involucrados también en la comunicación celular, el control del ciclo celular y del crecimiento celular, y la diferenciación celular. Encontrado en eucariotas.
	Cloroplastos Un plastidial conteniendo clorofilo responsable en convertir luz del sol y dióxido de carbono a oxigeno y azúcar. Encontrado en plantas y algas.
Sistema Endomembranal
	Retículo endoplasmático liso Una serie de membranas como saco responsable de la síntesis y almacenamiento de lípidos, fosfolípidos y esteroides, y asi mismo el metabolismo de carbohidratos.
	Retículo endoplasmático rugoso Una serie de membranas como saco con ribosomas responsable por la síntesis y la exportación de proteínas.
	Aparato de Golgi Funcionando como el centro de distribución, el Aparato de Golgi recopila moléculas simples y crea moléculas mas complejas. Una vez son creadas, esas moléculas complejas son transportadas a otros orgánulos, almacenados en vesículas, o exportadas de la célula.
	Membrana Plasmática Una capa de fosfolípidos y proteínas que forman la barrera entre la parte de adentro de la célula y el ambiente de afuera.
	Pared Celular Encontrado en plantas, fungí y algunos protistas, una estructura afuera de la membrana plasmática que provee fuerza, apoyo y protección.
	Lisosomas Un compartimiento especializado conteniendo enzimas hidrolíticas. El papel de lisosomas es digerir azucares, proteínas y otros “alimentos” que una célula absorbe.
	Sobre Nuclear Una membrana doble que rodea el núcleo. Esta membrana provee una barrera entre los núcleos y el citosol.
	Peroxisoma Similar a lisosomas, estas contienen enzimas utilizadas en una variedad de reacciones, incluyendo reacciones de oxidación. En semillas de plantas, las peroxisomas convierten ácidos grasosos a carbohidratos, proveyendo energía para la germinación. En hojas de plantas, estos están involucrados en la fotorrespiración.
	Vacuoles Un compartimiento utilizado para almacenar nutrientes, agua y desperdicio. En plantas, la vacuola central tiene un papel importante en proveer estructura.
	Vesicles Un compartimiento esférico pequeño compuesto de una capa doble de lípidos y fluido interno utilizado para intercambiar cargo entre orgánulos y el sistema endomembranal. Vesiculas especializadas tienen una variedad de responsabilidades.
	Cytosol También conocido como fluido intracelular (FIC), la matriz liquida encontrada dentro de una célula que guarda otros orgánulos y permite procesos intracelulares que se llevan a cabo.

Organulos sin membrana
	Citoesqueleto Una red compleja de fibras de proteínas que le da la forma a las células. Estas fibras también tienen un papel importante en asistir vesículas y orgánulos en moverse dentro de la célula, y también el movimiento de cromosomas durante la división celular.
	Ribosoma Los constructores de proteínas de la célula. Las ribosomas son responsables en construir aminoácidos para así crear cadenas de aminoácidos.
	Nucleolo En donde las ribosomas son creadas adentro del nucleo.

Se expande la teoría celular

En 1855 el biólogo Alemán Rudolf Virchow se dio cuenta que la idea ampliamente conocida que los organismos espontáneamente se generaban de materia no viviente no tenia sentido, y una idea propuesta por el embriólogo Polaco-Alemán Roberto Remak podía ser corregido. Remak, un amigo y colega de Virchow, había puesto la idea de que las células se generan de células pre-existentes y no de cosas como el polvo o peces muertos. Plagiando la idea de Remak, Virchow oficialmente agregó la teoría celular en el año 1858 con la declaración: Todas las células se originan de otra célula existente igual a ella. Esta declaración, junto con la declaración de Schwan que "Todos los seres vivientes consisten de células", forma la base de la teoría celular moderna.

Mientras que es cierto de que las células son producidas por la división de células preexistentes (en otras palabras, por medio de reproducción), ahora sabemos que el proceso de cómo la reproducción de células se lleva a cabo difiere entre procariotas y eucariotas y que la velocidad en la cual se lleva a cabo dentro de esos dos grupos también se difiere.

Procariotas se replican por medio de fisión binaria, un proceso por el cual una célula procariota simplemente se divide en dos. Debido a que los procariotas son organismos uni-celulares, cada vez que una célula procariota se divide, se esta reproduciendo. Antes de la fisión, el material genético (ADN) se copia dentro de la célula, después las dos moléculas del ADN se adjuntan a lados contrarios de la membrana. La membrana después crece entre las dos moléculas, formando una separación. Cuando el procariota ha crecido al doble, la célula comienza a apretar hacia adentro y la pared celular se forma, dividiendo la célula en dos (ver animación).

Procariotas se replican por medio de fisión binaria, un proceso por el cual una célula procariota simplemente se divide en dos. Debido a que los procariotas son organismos uni-celulares, cada vez que una célula procariota se divide, se esta reproduciendo. Antes de la fisión, el material genético (ADN) se copia dentro de la célula, después las dos moléculas del ADN se adjuntan a lados contrarios de la membrana. La membrana después crece entre las dos moléculas, formando una separación. Cuando el procariota ha crecido al doble, la célula comienza a apretar hacia adentro y la pared celular se forma, dividiendo la célula en dos (ver animación).

Animación Interactiva: Prokaryote vs. Eukaryote Cell Division

Todas las células contienen material genético en la forma de ADN que se pasa de célula padre a dos células hijas. Sin embargo, en procariotas ese material genético esta en forma circular, mientras que en eucariotas el material genético esta en hebras lineales. Para procariotas, la fisión binaria es una manera de reproducir e incrementar números de la población. Por ejemplo, la bacteria de salmonella puede crecer tan rápido que la población aumenta en dos veces cada treinta minutos. Esto significa que una sola bacteria de Salmonella en un pedazo de pollo crudo en el lavamanos de la cocina después de la cena puede tener una población de un millón de descendientes a la siguiente mañana.

Sin embargo, la mayoría de los eucariotas son multicelulares. La mayoría de la división celular que se lleva a cabo no es para producir mas organismos, pero si no para permitir que el organismo crezca y se desarrolle y para reparar y renovar tejidos. No obstante, cada una de las divisiones celulares siguen el mismo patrón complejo. Hasta la célula humana que se divide mas rápido puede tomar mas de veinte horas para completar un solo ciclo de división (con solo excepciones bien raras). Adicionalmente, no solo es el ADN y el citosol que debe ser duplicado y dividido entre dos células hijas; las células eucariotas contienen muchos orgánulos especializados suspendidos en su citosol. Durante la división celular, los muchos orgánulos deben expandirse, dividirse y ser distribuidos mas o menos entre las dos células hijas. No como los otros orgánulos eucariotas, la mitocondria y cloroplastos contienen su propio material genético único. Se replican ellos solos independientemente cuando se necesita y son distribuidos pasivamente a las otras dos células hijas durante el citocinesis.

Variedad celular dentro de organismos

La división celular se extiende mas allá de las diferencias entre procariotas y eucariotas, y entre los diferentes reinos de organismos (plantas, animales, etc.). Tambien existen grandes diferencias en células dentro de un organismo individuo, reflejando las diferentes funciones que llevan a cabo las células. Por ejemplo, el cuerpo humano consiste en 3 mil millones de células, incluyendo algunas 200 diferentes tipos de células que varían en tamaño, forma y función. Las células humanas mas pequeñas tienen un tamaño de un par de micrómetros de ancho(1/12,000 de una pulgada), mientras que las células mas largas, las neuronas que corren de la punta del dedo grande del pie hasta la medula espinal, tienen una longitud de mas de un metro en el adulto promedio.

Las células humanas también varían significativamente en estructura y función. Por ejemplo, solamente células musculares contienen miofilamentos – estructuras con proteínas que permiten a las células contraerse (hacerse mas pequeñas) y como un resultado causar movimiento. El ojo contiene células especializadas llamadas fotorreceptores que tienen la habilidad de detectar luz. Estas células contienen químicos especializados llamados pigmentos que pueden absorber la luz y estructuras especiales que liberan químicos hacia otras células que pueden enviar corrientes electroquímicas hacia el cerebro, un proceso que podemos percibir como visión.

Plantas también contienen una gran variedad de tipos de células. Existen células especializadas llamadas collenquima que proveen estructura sin restringir crecimiento y flexibilidad. Estas células carecen paredes celulares secundarias y su célula primaria carece un agente de endurecimiento, el cual ayuda particularmente a plantas jóvenes creciendo rápidamente y a ser resistentes a viento y agua. Otros tipos de células de plantas incluyen xilema, cuyo propósito es transportar agua por toda la planta y floema, cuyo propósito es transportar nutrientes orgánicos.

El mundo del descubrimiento celular es uno que aun sigue vivo y relevante, a pesar de su historia extensa. En el año 2013, un grupo de científicos Europeos identificaron un nuevo orgánulo dentro de células de plantas que producen tanino, como hojas de uvas y arboles de te (Brillouet et al., 2013). Llamado tanosomas, los orgánulos originan dentro de los cloroplastos y son responsables para crear el sabor amargo polifenol que espanta depredadores y da al vino y al te es sabor “seco” que conocemos. Y en ese mismo año, investigadores en los Estados Unidos identificaron que los tipos de proteínas desarrolladas por ribosomas ocurrieron en fases junto con las fases del ciclo celular (Stumf et al., 2013). Identificando cuales proteínas son producidas y cuando tiene implicaciones para investigación de cáncer, ya que existen hipótesis actualmente sugiriendo síntesis de proteínas ineficientes (traducción) en células de cáncer. Mientras que es fácil de pensar que los avances tecnológicos modernos significan que hemos descubiertos todos los componentes de las células, debemos de recordar que igual que Robert Hooke, existen a veces cosas que nos previenen de ver todo y que nuevos descubrimientos aun esperan.

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