Biología - Teoría y evolución celular

teoría y evolución celular

TEORÍA CELULAR

-Existen alrededor de cuatro millones de especies de seres vivos diferentes con un comportamiento, una morfología y una función distintas. Sin embargo, la práctica totalidad (excepción de virus) están constituidos, al menos, por una célula.

-La teoría celular está ligada a la invención de las lentes y a la construcción de los microscopios que permitieron tener una visión muy ampliada de estas estructuras, pudiendo observar características totalmente imperceptibles al ojo humano.

1590 (Janssen) > primer microscopio (aumenta 30 veces el tamaño).

1665 (Hooke) > descubre en el corcho pequeñas celdillas a las que llamó células.

1674 (Leuwenhoek) > observó hematías, espermatozoides, protozoos e incluso describió una bacteria.

1825 (Schleiden y Schwann) > enuncian la primera teoría celular según la cual, la célula es la unidad estructural y funcional de los seres vivos, capaz de mantener una existencia propia e independiente.

1858 (Virchow) > completa el postulado anterior afirmando que todas las células se originan a partir de una preexistente.

-Actualmente, la teoría celular postula los siguientes principios:

1)Todos los seres vivos están compuestos por una o varias células vivas.

2)Las células son capaces de mantenerse de forma independiente.

3)Cada célula procede de otra ya existente, lo que permite la transmisión de caracteres de una generación a la siguiente.

4)La célula es la unidad de vida más pequeña que existe.

EVOLUCIÓN CELULAR

-A continuación exponemos las hipotéticas etapas de este proceso:

1) Formación de moléculas orgánicas sencillas:

-Se admite la idea, según la cual, al enfriarse la Tierra, se formó una atmósfera reductora en la que abundaban compuestos inorgánicos como el CO₂, NH₃, NH₄⁺y H₂.

-Estos compuestos, mediante descargas eléctricas procedentes de relámpagos, tormentas y otros fenómenos geodinámicos que afectaran a la atmósfera primitiva, formarían moléculas orgánicas simples tales como azúcares, ác.grasos, aminoácidos y nucleótidos.

2) Polimerización de las moléculas orgánicas sencillas:

-Estas moléculas orgánicas simples debieron asociarse formando macromoléculas como las conocidas actualmente, o precursoras de las mismas.

-Las macromoléculas formadas podrían haber actuado como molde para que, sucesivamente, se produjeran otras; en este largo proceso se producirían "errores" que serían la causa de la diversidad de tipos de macromoléculas.

-Entre dichas macromoléculas se formarían polímeros de ARN que actuarían de molde para la síntesis de otros polímeros idénticos que, más tarde, servirían también de molde para la síntesis proteica.

3) Formación de las primeras células procariotas:

-Para que surgiera la primera célula viva debió ser necesario el aislamiento del medio externo (caldo prebiótico), es decir, que apareciera una membrana mediante el ensamblaje espontáneo de fosfolípidos alrededor de las moléculas replicantes (ARN y ADN).

-Esa primera estructura viva es a la que Carl Woese (1980) llamó progenote, y a partir de ella se constituirían los procariotas.

-Los procariotas más sencilos actuales son los micoplasmas (organismos PPLO), caracterizados por no poseer una pared celular y por contener su material genético ya en forma de ADN.

Hoy se admite que las primeras células procariotas serían anaerobias y heterótrofas; a continuación vendrían por este orden:

· anaerobias autótrofas quimiosintéticas.

· anaerobias autótrofas fotosintéticas anoxigénicas.

· anaerobias autótrofas fotosintéticas oxigénicas.

· aerobias.

4) Aparición de las células eucariotas:

-Se ha establecido en, aproximadamente, más de 3.000 millones de años, el salto evolutivo entre la células procariota y la eucariota, (aunque todas tengan como antecesor común el progenote).

A lo largo de 1.000 millones de años se produjo la transformación que condujo a la aparición o formación de la primera célula eucariota.

-Suponemos que, en ese largo período de transformación, la membrana plasmática fue capaz de invaginarse y plegarse, con la posibilidad de formar compartimentos internos que dieran lugar al sistema de endomembranas. Así, por ejemplo, el núcleo se originó de un plegamiento interno de la membrana plasmática que arrastró al ADN.

-La hipótesis de la simbiosis mutualista apunta otra idea, según la cual:

a)las células eucariotas animales procederían de la interrelación entre procariotas heterótrofos y células ya nucleadas.

b)las células eucariotas vegetales surgirían de la interrelación entre procariotas autótrofos y células también nucleadas.

-Los organismos procariotas (bacterias) son siempre unicelulares, y los eucariotas pueden estar formados por una sola célula (por ejejmplo, protozoos) o por muchas (pluricelulares). En este último caso, las células se agrupan, se especializan y realizan las distintas funciones del organismo, es decir, las células constituyen los tejidos y éstos, los órganos.

MÉTODOS DE ESTUDIO DE LA CÉLULA

El microscopio óptico:

-Permite la visualización de detalles separados entre sí 0´2 milimicras (esta separación se llama límite de resolución del microscopio).

-Las estructuras que deseen observarse han de ser tratadas químicamente con un fijador que las inmovilice y las preserve en el tiempo. El fijador las prepara para ser teñidas por colorantes para conseguir el contraste necesario para la observación.

-Actualmente hay microscopios que permiten estudiar los movimientos celulares, así como los procesos de división.

El microscopio electrónico:

-Alcanza un límite de resolución de 0´002 nm. Los hay que ofrecen imágenes tridimensionales de las estructuras a observar.

La resonancia magnética nuclear:

-Es una técnica que se usa para medir las concentraciones relativas de muchas moléculas pequeñas en solución.

Los microelectrodos de vidrio:

-Es otra técnica que consiste en la introducción de los mismos en células vivas para estudiar los potenciales eléctricos a través de la membrana plasmática, así como las concentraciones intracelulares de iones como el Na, Cl, H, etc.

El cultivo celular:

-Es una técnica que se utiliza para conseguir separar dentro de un tejido los distintos tipos celulares y hacerlos crecer o proliferar sobre una placa de cultivo con un medio ambiente adecuado.

La centrifugación:

-Permite el fraccionamiento de las células, aislando sus orgánulos y sus macromoléculas funcionales.

TEORÍA CELULAR.

1.-HISTORIA DE LA TEORÍA CELULAR.

      En la actualidad se considera a la célula como la unidad morfológica y funcional de todos los seres vivos. Morfológica, en la medida en que todos los seres vivos están formados por una o más células, y funcional, en cuanto que las funciones que caracterizan al ser vivo (nutrición, relación y reproducción) también tienen lugar a nivel celular. También se suele decir que la célula es la porción más pequeña de materia viva que está dotada de vida propia: de una célula es lícito decir que "vive", mientras que no lo es decirlo de una proteína o de un ácido nucleico.

El poder realizar afirmaciones de carácter tan general como las anteriores es el fruto de muchos años de investigación acerca de la estructura y función celular, aspectos estos que constituyen el campo de estudio de la Citología, área de la Biología que en la actualidad posee claras imbricaciones con la Bioquímica, la Genética y otras muchas áreas del conocimiento biológico.

El tamaño de la mayoría de las células está por debajo del poder de resolución del ojo humano, por lo que su existencia pasó inadvertida hasta que se desarrollaron instrumentos ópticos como el microscopio compuesto, capaces de aumentar considerablemente el tamaño de las imágenes de los objetos observados. Las primeras observaciones de lo que hoy conocemos como células datan del siglo XVII, cuando el comerciante holandés Anton Van Leewenhoek (Figura 10.1) construyó artesanalmente el primer microscopio conocido y pudo observar en una gota de agua procedente de una charca gran cantidad de "animálculos" que, basándonos en sus propias descripciones, se pueden identificar hoy como microorganismos unicelulares. En la misma época el microscopista inglés Robert Hooke, analizando con su microscopio láminas muy finas de corcho (Figura 10.2), observó que éste estaba formado por un retículo de pequeñas celdas , acuñando así el término célula (del latín cellulla = celdilla). A pesar de que se habían dado los primeros pasos en el estudio de las células, el siglo XVIII no deparó ningún avance significativo en este campo. Fue en la primera mitad del siglo XIX cuando el perfeccionamiento de los microscopios, la puesta a punto de técnicas de tinción para aumentar el contraste de las preparaciones, y la invención de aparatos, denominados microtomos, que permiten cortar láminas muy finas de materiales biológicos, condujeron a una serie de descubrimientos que desembocaron en la formulación de la teoría celular. La constatación de que las células se encontraban presentes en todos los tejidos vivos sometidos a observación llevó al botánico M. Schleiden y al zoólogo T. Schwann a formular en 1837 dicha teoría de manera clara y precisa, afirmando que la célula es la unidad estructural y funcional de todos los seres vivos, con capacidad para mantener de manera independiente el estado vital. Pocos años más tarde, en 1855, se zanjó definitivamente una dura polémica acerca del origen de las células, descartándose la "generación espontánea" y aceptándose de manera generalizada que toda célula procede, por división, de otra célula preexistente, lo que quedó plasmado en el célebre aforismo de Virchow: "Omnis cellulla ex cellulla". Esta afirmación fue inmediatamente incorporada a la teoría celular, que en la actualidad es considerada la más amplia de las generalizaciones que se han hecho en Biología.

 

Existe una excepción a la teoría celular constituida por los virus, parásitos intracelulares obligados, que, si bien son organismos vivos, tienen un grado de organización inferior al celular. De todos modos, se acepta que los virus descienden evolutivamente de organismos que sí poseían tal grado de organización.

2.-TIPOS DE ORGANIZACIÓN CELULAR. 

Característica	Procariotas	Eucariotas
Tamaño de la célula	Diámetro típico de 1 a 10 µm	Diámetro típico de 10 a 100 µm
Núcleo	No hay membrana nuclear ni nucléolos	Verdadero núcleo, con membrana nuclear y nucléolos
Orgánulos rodeados de membranas	Ausentes	Presentes, como lisosomas, complejo de Golgí, retículo endoplásmico, mitocondrias y cloroplastos
Flagelos	Formados por dos tipos de componentes proteicos	Complejos, formados por múltiples microtúbulos
Glucocálix	Cápsula de polímeros extracelulares o capa de mucílago	Ausente
Pared celular	Suele estar presente; químicamente compleja	Cuando existe es de composición sencilla
Membrana citoplasmática	No hay hidratos de carbono y suelen faltar los esteroles	Hay esteroles e hidratos de carbono que sirven de receptores
Citoplasma	No hay citoesqueleto ni corrientes citoplásmicas	Hay citoesqueleto y corrientes citoplásmicas
Ribosomas	Pequeños (70S)	Grandes (80S), pequeños (70S) en los orgánulos
Disposición del DNA en cromosomas	Un solo cromosoma circular sin histonas	Varios o muchos cromosomas lineales con histonas
División celular	Fisión binaria	Mitosis
Reproducción sexual	No hay meiosis; sólo intercambio de fragmentos de DNA	Implica la meiosis

      Tabla 10.1

Todas las células están delimitadas con respecto a su entorno por una membrana, la membrana plasmática, que encierra en su interior un contenido celular, el protoplasma, que comprende las diferentes estructuras celulares.

Existen en la actualidad dos tipos diferenciados de organización celular que están representados en dos grandes estirpes celulares: las células procariotas (del griego pro = antes, y carión = núcleo) y las células eucariotas (del griego eu = verdadero, y carión = núcleo). La diferencia más patente entre ambas reside en que el material genético de la célula eucariota está delimitado del resto del contenido celular por una envoltura membranosa, dando lugar a una estructura conocida como núcleo; por el contrario, el material genético de la célula procariota se encuentra disperso, sin ninguna envoltura que lo delimite claramente, dando lugar a una estructura difusa denominada nucleoide.

La célula procariota es organizativamente más simple y evolutivamente más antigua que la célula eucariota, la cual desciende de ella. Carece de un sistema interno de membranas que la divida en diferentes compartimentos; se trata, pues, de un recipiente único rodeado de una única membrana; en realidad, la ausencia de núcleo no es más que una consecuencia de la falta de este sistema membranoso interno. Por el contrario, la célula eucariota está compartimentalizada por un extenso sistema de membranas del que la envoltura nuclear no es más que una parte especializada; este sistema membranoso da lugar a diferentes estructuras denominadas orgánulos celulares. Los organismos procariontes (formados por células procariotas) son siempre unicelulares, mientras que los eucariontes (formados por células eucariotas) pueden ser unicelulares o pluricelulares. En la Tabla 10.1 se resumen las principales diferencias entre los dos principales tipos celulares.

Por otra parte, las células eucariotas se dividen a su vez en dos grandes tipos: las células animales y las células vegetales, que se distinguen por la posesión exclusiva de determinados orgánulos o estructuras, como los centriolos, exclusivos de la célula animal, o los cloroplastos y la pared celular, exclusivos de la célula vegetal.

La moderna taxonomía clasifica a los seres vivos en cinco Reinos: Moneras, Protistas, Hongos, Animales y Vegetales. Los organismos procariontes pertenecen en su totalidad al Reino Moneras mientras que los otros cuatro Reinos están integrados por organismos eucariontes.

3.-FORMA Y TAMAÑO DE LAS CÉLULAS.

       En medio acuoso las células tienden espontáneamente a adoptar una forma aproximadamente esférica. Sin embargo, la forma de las células vivas puede ser muy variada y viene determinada por su función o por la proximidad de células vecinas. Así existen células de forma poligonal, poliédrica, prismática, cilíndrica y otras muchas. Algunas células presentan formas muy sofisticadas, de aspecto estrellado o arborescente, como es el caso de las neuronas, y otras presentan incluso la capacidad de cambiar de forma en el transcurso del tiempo.

La mayor parte de las células son de tamaño microscópico. Generalmente, las células procariotas tienen dimensiones que oscilan entre 1 y 2 μm  mientras que en las células eucariotas, animales y vegetales, lo hacen entre 10 y 30 μm. En los organismos pluricelulares el tamaño global del organismo no está en función del tamaño de sus células constituyentes sino del número de éstas: un elefante tiene muchas más células que una hormiga pero éstas son de tamaño similar en ambas especies; el organismo humano tiene unas 10¹⁴ células.

 

Cabe preguntarse por qué en el curso de la evolución se ha favorecido este tipo de tamaños celulares, es decir, por qué las células no son en general más grandes o por qué no son más pequeñas. Probablemente, el límite inferior en tamaño viene marcado por el número mínimo de biomoléculas y estructuras supramoleculares que la célula necesita para mantener el estado vital. Las células más pequeñas, ciertas bacterias denominadas micoplasmas, miden unos 0,3μm (300 nm) y no parece que células más pequeñas pudieran albergar la maquinaria bioquímica imprescindible para realizar sus funciones esenciales. Por otro lado, el límite superior del tamaño celular puede venir dado por la velocidad de difusión de las moléculas disueltas en un medio acuoso: las células pequeñas tienen una mayor relación superficie/volumen, y su interior es por lo tanto más accesible a las sustancias que difunden hacia él a partir de su entorno.

4.-TÉCNICAS DE ESTUDIO DE LA CÉLULA: EL MICROSCOPIO.

      El ojo humano no puede apreciar objetos de tamaño inferior, en el mejor de los casos a 0,2 mm. Resulta pues evidente que, estando el tamaño de la mayoría de las células muy por debajo de este límite, el estudio de la estructura celular requerirá el uso de dispositivos capaces de generar imágenes considerablemente aumentadas de los objetos que se desea observar. Estos dispositivos se denominan microscopios (del griego micros=pequeño y scopein=mirar). Existen dos tipos de microscopio: el microscopio óptico y el microscopio electrónico.

a) Microscopio óptico.- Es un dispositivo cuyo funcionamiento se basa en las leyes de la óptica física y geométrica (Figura 10.4). En él se combina la acción de dos lentes, llamadas objetivo y ocular, para producir una imagen virtual considerablemente aumentada del objeto observado. Una simple lente de aumento montada en un soporte adecuado para su uso se denomina tradicionalmente microscopio simple, mientras que se denominamicroscopio compuesto a un dispositivo que combina dos o más lentes para generar aumentos mayores. Lo cierto es que estos términos han caído en desuso y todo el mundo llama sencillamente lupa al microscopio simple y al microscopio compuesto sencillamente microscopio. Para el estudio de la célula y de las estructuras subcelulares es preciso recurrir a los aumentos que sólo un microscopio compuesto puede producir.

La observación de estructuras biológicas al microscopio presenta algunos problemas. En primer lugar, la observación se realiza por transparencia (la luz atraviesa el objeto observado) y no por reflexión que es como estamos acostumbrados a ver los objetos corrientes. Debido a ello, las muestras del material biológico a observar deben ser láminas lo suficientemente finas (10 μm como máximo) como para que la luz pueda atravesarlas. Para obtener estas láminas se utilizan unos aparatos denominados microtomos. En segundo lugar, la materia viva es en general muy transparente a la luz visible, por lo que las imágenes obtenidas ofrecen muy poco contraste. Con el objeto de aumentar el contraste de las preparaciones microscópicas se utilizan técnicas de tinción, que consisten en el uso de diferentes colorantesque se fijan de manera selectiva a las diferentes estructuras celulares.

El poder de resolución, es decir, la capacidad de discernir objetos muy pequeños, del microscopio óptico es en el mejor de los casos de unas 0,2 μm. Para observar objetos más pequeños se hace necesario el uso del microscopio electrónico.

b) Microscopio electrónico.- Las leyes físicas imponen una limitación al tamaño de los objetos que pueden ser observados utilizando luz del espectro visible: no se pueden obtener imágenes de un objeto cuyo tamaño sea inferior a la longitud de onda de la radiación electromagnética utilizada para generar dichas imágenes. Por lo tanto, dado que el microscopio óptico utiliza la luz del espectro visible, no cabe esperar que los avances tecnológicos permitan en el futuro diseñar microscopios ópticos con un poder de resolución mayor que el más arriba indicado. Estas consideraciones condujeron, en la década de los años 30 del siglo XX, a la invención de un dispositivo, el microscopio electrónico, que en lugar de luz visible utiliza haces de electrones acelerados. Los electrones llevan asociada una longitud de onda considerablemente más pequeña que la de la luz visible, lo que permite obtener imágenes con un poder de resolución mucho mayor y discernir por lo tanto objetos mucho más pequeños (del orden de unos pocos nanometros). 

Básicamente la estructura de un microscopio electrónico  (Figura 10.5) es muy semejante a la de un microscopio óptico. En lugar de utilizar lentes de vidrio se utilizan lentes electromagnéticas (bobinas por las que circula electricidad) que focalizan los haces de electrones generando la imagen deseada que es recogida en una pantalla fluorescente o en una placa fotográfica (la retina humana está adaptada sólo a la luz del espectro visible y además resultaría dañada por los electrones acelerados).

La Teoría Celular, tal como se la considera hoy, puede resumirse en cuatro proposiciones:

   1. En principio, todos los organismos están compuestos de células.

   2. En las células tienen lugar las reacciones metabólicas de organismo.

   3. Las células provienen tan solo de otras células preexistentes.

   4. Las células contienen el material hereditario.





   Vamos a ver un poco de la historia hasta llegar a esta teoría.

   Descubrimiento de la Célula

   La mayoría de los descubrimientos biológicos tuvieron que esperar a la aparición de los primeros microscopios. Las células fueron vistas por primera vez por los microscópica del siglo XVII . A. van Leeuwenhoek (1632-1723), naturalista holandés, investigó en sus horas de ocio los más variados objetos, con ayuda de los cristales de aumento que él mismo construyera.

  Construyó microscopios y en lugar de venderlos los regaló a entidades científicas; aunque carecía de preparación científica era un agudo observador y comunicaba sus observaciones a la Real Sociedad de Londres. En 1675, por medio del microscopio, un alumno de Leeuwenhoek descubrió que en el esperma humano existían innumerables corpúsculos, sumamente pequeños y móviles, supuestos animalitos que actualmente se conocen como espermatozoides.

    El naturalista Buffon (1707-1788), contemporáneo y rival de Linneo (sistemático sueco y padre de la taxonomía), pensaba que los seres microscópicos representaban moléculas vivientes, de las cuales por aglomeración, según ciertas leyes, resulta el animal visible. Las ideas filosóficas fueron la fuente, junto con la experiencia y la observación a través del microscopio, de donde provino la teoría de que en el cuerpo animal y en el vegetal aparecen pequeños “poros”, ahora conocidos como células.

   La palabra “célula” fue utilizada por primera vez por el botánico inglés Robert Hooke para designar las primeras cámaras o alveolos que había observado al estudiar al microscopio delgadas láminas de tejidos vegetales. El libro “Micrografía” (1665) de Robert Hooke contiene algunos de los primeros dibujos nítidos de células vegetales, basados en las observaciones de algunas secciones finas de “corcho” (corteza o cubierta exterior de cualquier planta leñosa). Pero Hooke nunca llegó a imaginar el verdadero significado de aquellas células; solamente había percibido su estructura, su esqueleto. No sería hasta mediados del siglo XIX que dos científicos alemanes, Schleiden y Schwann, descubrirían la naturaleza celular de la materia viva.



   Teorías Celulares Anteriores

   En 1833, el botánico inglés R. Brown descubrió en diferentes células vegetales un “granito” (el núcleo). Schleiden se esforzó por demostrar que las células se forman de este núcleo; que del plasma viviente al principio, se separa el núcleo y que a su alrededor se forman células que van creciendo, hasta que sus paredes se tocan y por una especie de cristalización nace el tejido celular.

   La teoría de Schleiden de la evolución del tejido partiendo de células fue ampliada a los animales por Schwann, discípulo de Johannes Müller, destacado fisiólogo alemán.

   Schwann y Schleiden eran grandes amigos, y el mismo Schwann cuenta como una conversación con Schleiden, en Berlín, le sugirió la idea que daría origen a la teoría celular: “Un día que cenaba con el señor Schleiden, este ilustre botánico me indicó la importante función que desempeña el núcleo en el desarrollo de las células vegetales. Me acordé enseguida de haber visto un órgano semejante en las células de la cuerda dorsal del renacuajo, y en aquel momento comprendí la importancia que tendría mi descubrimiento si llegaba a demostrar que en las células de la cuerda dorsal este núcleo desempeñaba el mismo papel que el núcleo de las plantas en el desarrollo de los vegetales”.

   Esto ocurría en 1838, año en que Schleiden había publicado una breve memoria en la que se describía el desarrollo del bolso embrionario de diversas plantas y en la que se explicaba la independencia de las células que componen el organismo y la función directora del núcleo. A raíz de esta observación, Schwann se dedicó a descubrir la composición celular de los tejidos animales y a localizar los núcleos de las diferentes células. Al año siguiente, Schwann publicó una memoria en la que se exponían todas las bases de la teoría celular.

   La teoría celular de Schwann exponía dos cosas:

1) El reconocimiento de que el organismo compuesto se desarrolla de células;

2) Una nueva filosofía inductiva, genética y mecánica.

   Tanto Schleiden como Schwann afirmaban que el organismo era un agregado (según ciertas leyes) de otros seres de orden inferior; contra la opinión vitalista de la unidad de la vida en el cuerpo orgánico y contra la fuerza vital unitaria. Schleiden aducía que la vida es el resultado de la colaboración de muchas células. Schleiden, botánico, y Schwann, zoólogo, estudiaron muchos tipos de tejidos en sus campos respectivos. Ambos llegaron a la conclusión de que la célula es la unidad estructural básica de todos los organismos. La célula constituye la unidad fundamental de los seres vivos. Todo organismo vivo está constituido por una o por multitud de células. Este es el enunciado básico de la teoría celular.