Introducción a la biología celular

   Una de las bases principales de la biología es el concepto de las células y es uno de los conceptos clave para entender el funcionamiento de todo tipo de organismos, por ello el entendimiento básico de este concepto es crucial para el estudio de cualquier rama de la biología. Muchas personas tienen la noción de que la célula es la unidad que conforma a todos los organismos vivos, lo cual no es errado pero es un concepto bastante impreciso. Primero, sí, la célula es parte de la estructura de todos los organismos vivos pero además existen organismos como algunas bacterias y los protozoos los cuales están hechos de una sola célula, estos organismos reciben el nombre de organismos unicelulares. Casi todas las células son imposibles de ver sin emplear un microscopio más esto no significa que todas las células sean iguales, en realidad las células poseen millones de formas para adaptarse a todo tipo de ambientes y organismos. Pero, ¿qué hace a una célula lo que es?. Primero, todas las células tienen una estructura que las rodea llamada membrana celular, esta membrana separa al interior de la célula de todo lo que se encuentre en el exterior de ella, esta membrana además posee un tipo de moléculas de grasa y cuentan con dos extremos uno de naturaleza hidrofóbica y otro de naturaleza hidrofílica y forman una bicapa de fosfolípidos la cual ayuda a la célula a prevenir que haya substancias que entren o salgan de ella sin ser necesario, la membrana celular además contiene proteínas las cuales se encargan de funciones como decidir cuáles substancias pueden cruzar la membrana celular, marcadores los cuales pueden identificar si la célula pertenece a cierto organismo o es de origen foráneo y proteínas de comunicación, las cuales envían y reciben información y señales a células vecinas. Tras pasar la membrana celular se encuentra el citoplasma, cuya base es agua y contiene organelos y elementos estructurales celulares, el citoplasma contiene una mayor concentración de proteínas que el exterior de la célula y requiere aproximadamente de un 30 por ciento de la energía total de la célula para mantener su estructura. Entre los elementos más importantes que se encuentran dentro del citoplasma podemos nombrar a las moléculas intraorgánicas celulares las cuales comprenden las siguientes moléculas:

• Ácidos nucléicos: Los ácidos nucléicos son los encargados de contienen y expresan el código genético de cada organismo y se dividen en dos clases: ácido desoxirribonucleico (ADN) y el ácido ribonucleico (ARN). El ADN se encarga de almacenar, codificar y transmitir de forma hereditaria toda la información genética de un individuo y el ARN se encarga de varias tareas relacionadas con la síntesis y codificación de proteínas, la regulación de expresión de genes y la formación de ribosomas.
• Proteínas: Las proteínas son sustancias formadas por cadenas de aminoácidos y cumplen múltiples tipos de funciones dentro de la célula. Uno de los tipos más importantes de proteínas para la célula son las enzimas, la cuales se encargan de actuar como catalizador para la realización de varios tipos de reacciones químicas con fines de obtención de energía, construcción de estructuras y expulsar desechos.
• Carbohidratos: La función básica de los carbohidratos presentes dentro de la célula es la obtención de energía, pero además se encuentran carbohidratos complejos en la superficie de la célula los cuales tienen la función de reconocer otras células. Los carbohidratos simples son empleados para satisfacer las necesidades inmediatas de energía de la célula y los carbohidratos complejos son utilizados como un almacén de energía intramolecular.
• Lípidos: Los lípidos son moléculas de grasa las cuales son componentes de la membrana celular y de varias membranas intracelulares. Además cumplen otras funciones como el almacenamiento de energía y el envío de señales intracelulares.

  Además de estas moléculas, las células contienen ciertas estructuras de moléculas organizadas llamadas organelos, los cuales poseen formas determinadas y cumplen funciones específicas de diferentes tipos. Diferentes tipos de células cuentan con diferentes tipos de organelos, pero entre los más esenciales podemos nombrar:

• Núcleo: El núcleo es uno de los organelos más importantes de la célula y se encuentra recubierto por una doble membrana llamada envoltura nuclear que lo separa del citoplasma. El núcleo contiene la mayor cantidad de material genético en forma de moléculas de ADN y para que este pueda cumplir sus funciones de expresión genética de manera normal la envoltura nuclear posee poros nucleares los cuales permiten el paso del ARN.
•  Mitocondria: La mitocondria es un organelo que se encarga de suministrar la energía para el proceso de respiración celular por medio de la sintetización de ATP la cual se logra al procesar carburantes metabólicos los aminoácidos, ácidos grasos y la glucosa. Por ello, la mitocondria es conocida por muchos como la central eléctrica de la célula.
• Retículo endoplasmático: El retículo endoplasmático es conformado por membranas interconectadas en continuidad con la membrana externa del núcleo y abarca un amplio espacio de la célula. Existen dos tipos de retículos endoplasmáticos los cuales son el retículo endoplasmático rugoso, el cual se encuentra unido a la membrana del núcleo externa y cuenta con la presencia de varios ribosomas en su membrana lo cual le da su apariencia característica y se dedica mayormente a la síntesis de proteínas y el retículo endoplasmático liso el cual es una prolongación del retículo endoplasmático rugoso, no tiene ribosomas y se encarga del metabolismo de lípidos.
• Aparato de Golgi: El aparato de Golgi está constituido por una serie de sacos aplanados y se encarga de procesar, modificar y distribuir macromoléculas tanto para secrección como para transporte hacia otros organelos.
• Lisosoma: Los lisosomas provienen de la unión de vesículas del aparato de Golgi, están delimitados por membranas y contienen una considerable cantidad de enzimas hidrolíticas y proteolíticas las cuales se encargan de la digestión celular de materiales tanto externos (heterofagia) como internos (autofagia). Los lisosomas sólo se encuentran en células animales.
• Peroxisoma: Los peroxisomas son organelos en forma de vesículas delimitados por membranas los cuales almacenan enzimas oxidativas como las oxidasas y las catalasas que están presentes en la degradación de lípidos intracelulares. Los peroxisomas sólo se encuentran en células eucariotas.
• Vacuolas: Las vacuolas son estructuras originadas a partir de vesículas del aparato de Golgi, se encuentran rodeadas por una membrana simple llamada tonoplasto y su función es contener diferentes fluidos (como agua y enzimas) para reserva, la desintegración de macromoléculas el desecho de ciertos fluidos. En las células animales, las vacuolas no son muy grandes en comparación a las de las células vegetales y contienen centríolos (microtubos que facilitan la división celular).

  Ahora que conocemos algunos de los organelos básicos y sus funciones podemos clasificar a las células. Las células son clasificadas de acuerdo al almacenamiento de su material genético: si el ADN no está separado del citoplasma entonces esa célula es una célula procariota. Las células procariotas son de tamaño pequeño y de poca complejidad comparadas a las células eucariotas y carecen de todos aquellos organelos delimitados por membranas, las células procariotas son clasificadas en arqueas (que sólo presentan un cromosoma circular) y las bacterias (que al igual que las arqueas carecen de núcleo pero presentan un nucleoide, que es una estructura que contiene una gran molécula de ADN) las cuales son organismos unicelulares. Si el ADN se encuentra recubierto por una membrana (el núcleo) entonces la célula es una célula eucariota, las cuales pueden ser organismos unicelulares (como las amebas) o parte de organismos pluricelulares como las plantas y los animales Las células eucariotas mayormente se clasifican en células animales (las cuales carecen de pared celular y son muy variables) y las células vegetales (las cuales presentan una pared celular conformada principalmente por celulosa y vacuolas de gran tamaño).

   Al haber aprendido sobre la estructura de las células y su funcionamiento queda una pregunta por contestar: ¿cómo obtienen las células energía para realizar todos estos procesos? Las células requieren buscar fuentes de energía ya que no pueden generarla por sí solas, y para ello requieren de nutrientes celulares, los cuales pueden venir de muchas formas como azúcares, grasas y luz solar (para las células vegetales y algunas procariotas). Los nutrientes como los azúcares y las grasas son asimiladas por medio del proceso de oxidación, el cual con reacciones químicas logra transformar los nutrientes en pequenas moléculas ricas en energía como el ATP (adenosina 5'-trifostato) y el NADH (nicotinamida adenina dinucleótico). En el caso de las células vegetales y algunas procariotas, se emplea la fotosíntesis la cual es un proceso en cual se logra la transformación del dióxido de carbono y la energía proveniente del Sol en oxígeno y moléculas de azúcares. Luego estas moléculas son utilizadas para producir moléculas más complejas como la glucosa la cual a su vez es empleada junto al oxígeno en el proceso de respiración celular con el que se sintetiza el ATP y se produce dióxido de carbono como desecho. Con respecto a las rutas metabólicas de las células, la ruta empleada depende en gran parte de si la célula es procariota o eucariota. El primero de estos procesos es la glicólisis en el cual la glucosa es transformada en piruvato, requiere de dos moléculas de ATP para proceder y genera cuatro moléculas de la misma substancia y dos moléculas de NADH. Si este proceso es realizado en falta de oxígeno (glicólisis anaeróbica), el piruvato resultante no puede ser oxidado en dióxido de carbono y sólo tiene resultados intermedios. Si este proceso se realiza en presencia de oxígeno (glicólisis aeróbica), los piruvatos pasan a otro proceso realizado dentro de la mitocondria del cual se obtiene acetil CoA, el cual es transformado por el ciclo del ácido cítrico, el cual es la segunda ruta metabólica utilizada por las células, en FADH₂ y GTP. El último de estos procesos es la oxidación fosforilativa, en el cual una cadena de electrones transporta el FADH₂ y el GTP producidos hasta las moléculas de oxígeno, con las cuales se unen y se transforman en agua. Durante este proceso se forman protones alrededor de la membrana mitocondrial y la célula utiliza la energía proveniente de estos protones para producir tres moléculas de ATP por cada electrón que viaje en la cadena. En el caso de las células vegetales existen cadenas de electrones las cuales crean energía de forma similar, para las procariotas existen cadenas de electrones que ocurren dentro su membrana plasmática que también logran producir energía.

Proceso metabólico de una célula eucariota: glicólisis, ciclo del ácido cítrico y fosforilación oxidativa. Foto:Nature Education.

 Por último debemos dar una breve introducción a la replicación de las células, que es su forma de reproducción. El ciclo de las células consta de cuatro fases: la primera es la fase S o síntesis donde ocurre la replicación del ADN, después viene la fase M o mitosis que es el proceso en el cual una célula se replica dividiéndose en dos. Después de estos dos procesos viene la interfase, que se divide en G1 y G2, en las cuales la célula realiza un monitoreo de su preparación para pasar a las fases de síntesis y mitosis respectivamente, esto se hace mediante el uso de proteínas especializadas que determinan si es viable pasar a la otra fase. La interfase se prolonga mucho más que el resto de las fases pero es crucial ya que en caso de cualquier error el ciclo celular debe ser detenido o si no puede tener el resultado de la multiplicación de células defectuosas (como en el caso del cáncer) o la muerte de la célula.

   Y esto es todo por esta entrada considerablemente larga y algo tediosa, pero que tiene el fin de refrescar conocimientos básicos para todos los lectores ya que me di cuenta que hay muy poco contenido básico de biología en el blog. Omití mucha información ya que este artículo es simplemente una introducción a la célula, si deseas conocer más puedes dirigirte al sitio web de la Universidad de Arizona (afortunadamente en español) donde podrás leer detalle a detalle sobre estos procesos. Si te parece tedioso leer el artículo puedes ver este vídeo del canal Educatina que habla de las células.