La Célula: Unidad de Vida

1. El Origen de la Vida

Hasta mediados del siglo XIX, las únicas teorías admitidas sobre el origen de la vida en la Tierra eran el creacionismo y la teoría de la generación espontánea. Según estas, los seres humanos y los animales de mayor envergadura fueron creados por un ser sobrenatural todopoderoso, mientras que los organismos más sencillos, como los ratones, los anfibios o los insectos, surgieron del fango y de la materia orgánica en descomposición mediante generación espontánea.

La teoría de la generación espontánea fue rechazada gracias a los trabajos realizados por Francesco Redi, Spallanzani y Louis Pasteur: los seres vivos solo proceden de otros seres vivos predecesores.

En la actualidad, los astrobiólogos han identificado decenas de moléculas orgánicas en el medio interestelar, como el formaldehído y el ácido cianhídrico, y han demostrado que la química orgánica es universal.

La complejidad de las moléculas orgánicas, base de la vida, proviene de un proceso de abiogénesis o evolución química, que consiste en la síntesis prebiótica de moléculas orgánicas precursoras de la vida.

Entre las hipótesis que tratan de explicar el origen de las primeras moléculas orgánicas destacan las de la panspermia, las fuentes hidrotermales y la sopa primordial.

Hipótesis de la Panspermia

Esta hipótesis, propuesta inicialmente por H. E. Richter en 1865 y desarrollada por S.A. Arrhenius en 1906, sugiere que la vida es de origen extraterrestre.

Se apoya en el descubrimiento proporcionado por la astrobiología de la existencia de reacciones químicas complejas que conducen a la síntesis de numerosos componentes orgánicos en las densas nubes de gas y polvo del medio interestelar.

Gran parte de las biomoléculas orgánicas sintetizadas en las nubes interestelares, junto con el agua, pudieron llegar a bordo de cometas, meteoritos y polvo cósmico durante el periodo de intenso bombardeo que experimentó la Tierra.

Este «polvo de estrellas» que cayó en los albores del mundo pudo ayudar a iniciar la química prebiótica en nuestro planeta.

Hipótesis de las Fuentes Hidrotermales

Algunos científicos han propuesto que la síntesis prebiótica de moléculas orgánicas es posible que tuviese lugar en las fuentes hidrotermales submarinas próximas a las dorsales oceánicas, a partir de los gases procedentes de la actividad magmática, como H₂, CO₂, CH₄ y H₂S. Estos gases burbujean a través de cavidades ricas en piritas (sulfuro de hierro), cuyas superficies metálicas son capaces de catalizar la formación de moléculas orgánicas sencillas.

Hipótesis de la Sopa Primordial

A. Oparin y J. B. S. Haldane propusieron que los compuestos gaseosos que existían en la atmósfera primitiva de la Tierra sirvieron de materia prima para la síntesis de compuestos orgánicos más simples de los seres vivos.

La composición de la atmósfera primitiva debió de ser distinta a la actual, carente de oxígeno y de capa de ozono, y muy rica en gases reducidos, como el amoníaco, el metano y el sulfuro de hidrógeno, además de dióxido de carbono y vapor de agua. La falta de oxígeno permitió que esta atmósfera tuviera un carácter reductor, condición indispensable para la estabilidad de las futuras moléculas orgánicas.

Es posible que los gases presentes en la atmósfera primitiva reaccionaran de forma espontánea al ser bombardeados por una intensa radiación (luz ultravioleta, rayo cósmico, chispa eléctrica de tormenta, etc.), dando lugar a la formación de biomoléculas características de todos los seres vivos: los hidratos de carbono, los lípidos, las proteínas y los ácidos nucleicos.

2. Evolución Celular

Los Primeros Procariotas

Se describe una secuencia evolutiva clave:

• Bacterias heterótrofas fermentadoras (primeras bacterias): Se alimentan de sustancias orgánicas de los mares. Al comenzar a escasear las sustancias, aparecen los primeros organismos autótrofos fotosintéticos.
• Cianobacterias (bacterias fotosintéticas): Utilizan el CO₂ atmosférico y la energía solar para producir su propia materia orgánica. Comienzan a enriquecer la atmósfera en oxígeno.
• Bacterias heterótrofas aerobias: La presencia de oxígeno en la atmósfera provocó la aparición de los primeros organismos capaces de utilizar el oxígeno para oxidar compuestos orgánicos y producir energía (Respiración celular).
• Células eucariotas: Surgen las primeras células eucariotas por endosimbiosis (unión de bacterias aerobias y/o fotosintéticas con un organismo procariota, por simbiosis).
• Primeros organismos pluricelulares: Seres vivos de cuerpo blando (medusas, anémonas, pólipos…), como la Fauna de Ediacara.

El Origen de las Células Eucariotas

Según la teoría endosimbiótica (L. Margulis), las células eucariotas animales y vegetales evolucionaron a partir de una asociación simbiótica entre diferentes células bacterianas como organización procariota más simple, en etapas sucesivas. Las células eucariotas ancestrales, denominadas urcariotas, pudieron ser las hospedadoras de los endosimbiontes bacterianos.

Fases del Origen de las Células Eucariotas

Se identifican varias etapas clave:

1. La urcariota apareció cuando su antecesor procariota perdió la pared celular y aumentó de tamaño.
2. Los sistemas internos de membrana, como el retículo endoplasmático, se formaron mediante procesos de invaginaciones y plegamientos de su membrana plasmática.
3. Otros orgánulos celulares surgieron como consecuencia de los procesos simbiogenéticos: el núcleo, se originaría en la fusión del urcariota con antiguas arqueobacterias; las mitocondrias procederían de primitivas bacterias aerobias; los cilios, flagelos y microtúbulos, con bacterias espiroqueta ancestrales; y los cloroplastos, procederían de antiguas cianobacterias fotosintéticas.

3. La Materia Viva

Bioelementos

Elementos químicos que constituyen los seres vivos.

• Elementos primarios: Son los mayoritarios en la materia viva (95%). Incluyen: C, H, O, N.
• Elementos secundarios: Constituyen el 4,5%. Incluyen: S, P, Mg, Ca, Na, K, Cl.
• Oligoelementos: Su cantidad es muy escasa, pero son imprescindibles para el desarrollo del organismo. Ejemplos: Zn, I, Mn, Se, F, Fe.

Biomoléculas

Los bioelementos se combinan entre sí para construir las biomoléculas que forman parte de los seres vivos.

• Orgánicas: Glúcidos o hidratos de carbono (monosacáridos), lípidos (ácidos grasos), proteínas (aminoácidos), ácidos nucleicos (nucleótido).
• Inorgánicas: Agua y sales minerales.

Hidratos de Carbono, Carbohidratos o Glúcidos

Son biomoléculas orgánicas constituidas por carbono, hidrógeno y oxígeno. Los glúcidos más simples son los monosacáridos. Destaca la glucosa, que aporta la mayor parte de la energía que necesitan las células. También tenemos la galactosa, la fructosa, la ribosa y la desoxirribosa (componentes de los ácidos nucleicos).

Clasificación de los Glúcidos

Se clasifican según su complejidad:

• Ósidos: Son glúcidos formados por varios monosacáridos unidos por enlace o-glucosídico.
  • Monosacáridos: Son los componentes más simples (no pueden descomponerse en otros más pequeños) y están formados por de 3 a 7 átomos de carbono. Ej: glucosa, fructosa, galactosa, desoxirribosa y ribosa (componentes de a. nucleicos).
  • Disacáridos: Unión de dos monosacáridos mediante enlace o-glucosídico, liberando una molécula de agua. Ej: lactosa (glu+gal), sacarosa (glu+fru) y maltosa (glu+glu).
  • Polisacáridos: Son los glúcidos más complejos. Formados por la unión de miles de moléculas de monosacáridos. Hay 2 tipos: Homopolisacáridos (todos los monosacáridos son iguales. Ej: almidón y glucógeno) y Heteropolisacáridos (formados por monosacáridos distintos. Ej: Agar Agar).
• Heterósidos: Ósidos formados por monosacáridos y otras moléculas distintas a los glúcidos.

Enlace o-glucosídico: Es un enlace covalente que se establece entre grupos alcohol de dos monosacáridos, liberando una molécula de agua. Los monosacáridos quedan unidos por un átomo de oxígeno.

Lípidos

Grupo heterogéneo de biomoléculas insolubles en agua, aunque solubles en disolventes orgánicos como éter, gasolina o cloroformo. Están formadas por carbono, hidrógeno y oxígeno, y, también por fósforo y nitrógeno. Desempeñan funciones muy diversas:

• Función energética. Los ácidos grasos proporcionan la mayor cantidad energía, y las grasas o triglicéridos actúan como almacén de reserva energética y se acumulan en el tejido adiposo de los animales, o en las células vegetales de las plantas oleaginosas.
• Función estructural. Los fosfolípidos y el colesterol son componentes de las membranas celulares.
• Función protectora. Las ceras actúan como impermeabilizantes en las superficies vegetales (hojas, frutos,…) y animales (pelos, plumas, etc.).

Proteínas

Son macromoléculas de gran tamaño compuestas por carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno, aunque la mayoría llevan también azufre. Se forman por la unión de aminoácidos, de los cuales hay 20 tipos distintos que se unen formando largas cadenas (cientos de proteínas distintas).

Las proteínas desempeñan funciones importantes y muy diversas en los seres vivos, dependiendo del número, tipo y orden en que están dispuestos sus aminoácidos.

Funciones de las Proteínas

• Forman la mayoría de las estructuras del cuerpo (músculos, pelo, cornamenta, pezuñas,…).
• Transportan sustancias como la hemoglobina que conduce el oxígeno por la sangre.
• Regulan y coordinan las funciones de diferentes órganos (hormonas proteicas).
• Defienden al organismo de las infecciones (anticuerpos).
• Catalizan las reacciones del metabolismo celular (enzimas).

Ácidos Nucleicos

Contienen carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y fósforo y están formadas por la unión de nucleótidos. Cada nucleótido está compuesto por tres tipos de componentes químicos: un monosacárido (ribosa o desoxirribosa), una base nitrogenada (adenina, guanina, citosina, timina y uracilo) y una molécula de ácido fosfórico, que sirve de enlace entre un nucleótido y el siguiente.

El ATP es un nucleótido de gran importancia biológica. Está formado por adenina, ribosa y tres moléculas de ácido fosfórico. En sus enlaces almacena la energía y la libera para ser utilizada por las células cuando una o dos de las moléculas de ácido fosfórico se separan, y se convierte en ADP o AMP.

Comparativa de ADN y ARN

4. La Célula Viva

Forma

Los seres vivos tienen células de formas muy variadas. Las células no especializadas y libres tienden a adoptar la forma esférica. Las células animales tienden a ser redondeadas, mientras que las células vegetales suelen tener forma poliédrica. La apariencia de las células depende de la función que desempeñan.

Ejemplos: Neurona-estrellada, fibra muscular-fusiforme, glóbulos rojos-bicóncava, célula vegetal-poligonal, óvulo-esférica.

Tamaño

La mayoría son microscópicas, solo se pueden observar por medio de un microscopio. El tamaño puede oscilar entre amplios límites. Hay algunas bacterias que miden 1 micrómetro. Las células nerviosas de las ballenas miden varios metros.

Seres Unicelulares y Seres Pluricelulares

Hay organismos formados por una sola célula: los seres unicelulares, como las bacterias y los protozoos. En ocasiones se agrupan formando colonias en la que todos los individuos son iguales. Los organismos que están constituidos por muchas células son los seres pluricelulares.

La Estructura Celular Básica

Todas las células presentan tres componentes básicos:

• La membrana, que delimita la célula.
• El citoplasma, un fluido gelatinoso con orgánulos.
• El ADN, que puede estar disperso en el citoplasma o bien en el interior del núcleo.

El desarrollo de los métodos de observación microscópica y, sobre todo, la invención del microscopio electrónico, han permitido determinar que existen distintos tipos de modelos de organización celular.

5. Modelos de Organización

Existen dos grandes modelos de organización celular: el modelo procariota y el modelo eucariota. En los límites de la vida se encuentran los virus, unas estructuras con organización acelular.

Modelo de Organización Acelular: Los Virus

Los virus son estructuras muy sencillas que no llegan a alcanzar el nivel celular y, debido a su pequeño tamaño, solo pueden ser observados al microscopio electrónico. Los virus están constituidos por un solo tipo de ácido nucleico, ADN o ARN, que contiene la información necesaria para sintetizar proteínas, y está rodeado por una cubierta de naturaleza proteica llamada cápsida. Algunos virus están envueltos por una membrana que adquieren al salir de las células a las que han infectado.

La Célula Procariota

Las células procariotas, como las cianobacterias y bacterias actuales, no tienen un verdadero núcleo y su tamaño es muy reducido. Consta de una membrana plasmática que delimita el citoplasma. Hacia fuera puede presentar una pared celular rígida. Al carecer de membrana nuclear, el ADN (una molécula circular con estructura de doble hélice) está libre en el citoplasma formando el nucleoide. Presentan unidades de replicación autónomas, los plásmidos, pequeñas moléculas circulares de doble cadena de ADN. Contienen abundantes ribosomas, que son pequeños orgánulos encargados de la fabricación de proteínas. Algunas poseen flagelos, que son prolongaciones largas y finas en la superficie celular que les permiten desplazarse.

La Célula Eucariota

Las células eucariotas tienen un verdadero núcleo, en su citoplasma presentan diferentes orgánulos y cavidades, y su tamaño es mucho mayor. Pueden ser animales o vegetales.

Célula Eucariota Animal

Se distingue el citoplasma, rodeado de la membrana plasmática, y el núcleo. El citoplasma contiene el citosol y orgánulos y estructuras celulares que realizan numerosas funciones.