Histología vegetal y animal

Introducción de la célula

Célula: unidad anatómica y funcional de los seres vivos.

Compartimento: conjunto de moléculas en un espacio celular que realiza una función celular.

Orgánulos: compartimentos celulares delimitados por membranas.

Grandes compartimentos de la célula eucariota: núcleo, membrana plasmática y citoplasma.

Citoplasma: citosol + orgánulos. 

Esta parte del atlas está dedicada a la citología (más comúnmente denominada biología celular), y en ella vamos a estudiar la organización de la célula. Pero,¿A qué llamamos célula? La siguiente es una buena definición: una célula es la unidad anatómica y funcional de los seres vivos. Las células pueden aparecer aisladas o agrupadas formando organismos pluricelulares. En ambos casos la célula es la estructura más simple a la que consideramos viva. Hoy se reconocen tres linajes celulares presentes en la Tierra: las arqueas y las bacterias, que son procariotas unicelulares, y las células eucariotas, que pueden ser unicelulares o formar organismos pluricelulares. Las procariotas (anterior al núcleo) no poseen compartimentos internos rodeados por membranas, salvo excepciones, mientras que las eucariotas (núcleo verdadero) contienen orgánulos membranosos internos. Uno de los compartimentos membranosos de las eucariotas es el núcleo.

Esquema de los principales componentes de una célula animal.

Esquema de los principales componentes de una célula vegetal.

Toda célula, procariota o eucariota, es un conjunto de moléculas altamente organizado. De hecho, posee numerosos compartimentos con funciones definidas. Vamos a considerar a un compartimento celular como un espacio, delimitado o no por membranas, donde se lleva a cabo una actividad necesaria o importante para la célula. Uno de los compartimentos presentes en todas las células es la membrana plasmática o plasmalema, que engloba a todos los demás compartimentos celulares y permite delimitar el espacio celular interno del externo.

La célula eucariota posee compartimentos internos delimitados por membranas. Entre éstos se encuentra el núcleo, delimitado por una doble unidad de membrana, en cuyo interior se encuentra el material genético o ADN que contiene la información necesaria para que la célula pueda llevar a cabo las tareas que permiten su supervivencia y reproducción. Entre el núcleo y la membrana plasmática se encuentra el citosol, un gel acuoso que contiene numerosas moléculas que intervienen en funciones estructurales, metabólicas, en la homeostasis, en la señalización, etcétera. Cabe destacar a los ribosomas en la producción de proteínas, al citoesqueleto para la organización interna de la célula y para su movilidad, a numerosos enzimas y cofactores para el metabolismo y a muchas otras moléculas más. Entre la membrana celular y el núcleo se encuentran también los orgánulos, que son compartimentos rodeados por membrana que llevan a cabo funciones como la digestión, respiración, fotosíntesis, metabolismo, transporte intracelular, secreción, producción de energía, almacenamiento, etcétera. Las mitocondrias, los cloroplastos, los peroxisomas, los lisosomas, el retículo endoplasmático, o las vacuolas, entre otros, son orgánulos. El citoplasma es el citosol más el conjunto de orgánulos.

Las células procariotas, bacterias y arqueas, se definen habitualmente como células que carecen de orgánulos, al contrario que las células eucariotas. Aunque esto es cierto en la mayoría de los casos existen procariotas que poseen orgánulos, considerando un orgánulo como un compartimento rodeado por membrana. Sin embargo, no son compartimentos aislados sino que sus membranas se continúan con la membrana plasmática, es decir, se producen por invaginación de ésta. Se han descrito al menos 4 tipos de estos orgánulos: tilacoides, clorosomas, magnetosomas y carboxisomas.

En las siguientes páginas vamos a hacer un recorrido por el interior de la célula eucariota, pero también por sus alrededores. Algunos aspectos del funcionamiento celular no los podremos tratar con tanta profundidad como nos gustaría, como por ejemplo la expresión génica o el metabolismo celular. Ambos, por sí solos, necesitan un espacio enorme que desvirtuaría la idea que queremos dar de la célula. Existen multitud de sitios en Internet especializados en estos aspectos. Los distintos elementos que vamos a "visitar" y el orden en el que lo haremos están indicados en el panel lateral izquierdo.

Introducción:

Es unidad mínima de un organismo capaz de actuar de autoperpetuarce. Todos los organismos vivos están formados por células, y en general se acepta que ningún organismo es un ser vivo si no consta al menos de una célula. Algunos organismos microscópicos, como bacterias y protozoos, son células únicas, mientras que los animales y plantas están formados por muchos millones de células organizadas en tejidos y órganos. Aunque los virus y los extractos acelulares (priones) realizan muchas de las funciones propias de la célula viva, carecen de vida independiente, capacidad de crecimiento y reproducción propios de las células y, por tanto, no se consideran seres vivos. La biología estudia las células en función de su constitución molecular (morfología) y la forma en que cooperan entre sí para constituir organismos muy complejos (metabolismo), como el ser humano. Para poder comprender cómo funciona cualquier organismo vivo sano, cómo crece y se desarrolla y qué falla en caso de algún contratiempo, es imprescindible conocer las células que lo constituyen.

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Características generales de las células

Hay células de formas y tamaños muy variados. Algunas de las células bacterianas más pequeñas tienen forma cilíndrica de menos de una micra o µm (1 µm es igual a una millonésima de metro) de longitud. En el extremo opuesto se encuentran las células nerviosas, corpúsculos de forma compleja con numerosas prolongaciones delgadas que pueden alcanzar varios metros de longitud (las del cuello de la jirafa constituyen un ejemplo espectacular). Casi todas las células vegetales tienen entre 20 y 90 µm de longitud, forma poligonal y pared celular rígida. Las células de los tejidos animales suelen ser compactas, entre 10 y 60 µm de diámetro y con una membrana superficial deformable y casi siempre muy plegada.

Ejemplos: - Acetabularia (alga unicelular) .................. entre 80 y 100 mm. - Óvulo de Avestruz .................................... 75 mm. - Óvulo humano ...........................................100 µm.

 ¿Por qué son tan pequeñas las células?

La mayor parte de las células son microscópicas, pero su tamaño varía en un rango muy amplio. Algunas células bacterianas pueden apreciarse en un buen microscopio óptico, y ciertas células animales tienen un tamaño que permite apreciarlas a simple vista. Por ejemplo, las células del huevo o zigota humano tienen el tamaño del punto final de esta oración. Las células más grandes corresponden a células del huevo de los pájaros (como se ve en el cuadro anterior), pero su tamaño es atípico porque casi toda su masa está ocupada por nutrientes que forman la yema, que no es una parte funcional de la célula.

El tamaño y la forma de una célula se relaciona con las funciones que ésta realiza (ver fotos). Algunas células como la ameba y los leucocitos pueden variar su forma a medida que se trasladan, los espermatozoides tienen una cola larga en forma de látigo que ayuda en la locomoción y las células nerviosas poseen extremos delgados y largos que les permiten transmitir mensajes a través de grandes distancias a los sitios más alejados del organismo. Otras células, como las epiteliales, son casi rectangulares y se unen a otras como si fueran ladrillos de una construcción, hasta formar estructuras laminares.

Si se considera lo que una célula tiene que hacer para mantenerse y crecer podrán entenderse las razones por las que una célula es tan pequeña. En principio, debe incorporar nutrientes y otros materiales a través de su límite más externo; una vez incorporadas, estas sustancias deben transportarse al sitio donde serán utilizadas. Por otra parte, los productos orgánicos de desecho originados en diversas reacciones metabólicas deben trasladarse fuera de la célula antes de que se acumulen en concentraciones tóxicas. En los organismos multicelulares, algunas células deben además exportar sustancias que utilizarán otras células.

Debido a que las células son pequeñas, son relativamente cortas las distancias que las moléculas deben recorrer dentro de ellas, lo cual permite acelerar diversas reacciones químicas. Además, debido a que las moléculas esenciales y los productos de desecho deben pasar a través de su límite más externo, cuanto más superficie tenga una célula más rápido pasará a través de ella una cantidad determinada de moléculas. Esto significa que la relación entre el área superficial de una célula y su volumen es un factor crítico en la determinación de su tamaño.

Si se considera una célula de forma cúbica se comprueba fácilmente que al aumentar de tamaño el volumen crece más rápidamente que la superficie: un cubo de 1 cm de lado tiene una superficie de 6 cm² y un volumen de 1 cm³, pero si el lado es de 2 cm, la superficie pasa a ser de 24 cm² y el volumen de 8 cm³. El hecho de que el volumen de una célula aumente más rápidamente que el área superficial cuando esta célula crece, es una limitante del crecimiento celular. Por encima del tamaño celular límite, las moléculas requeridas para mantener una célula no pueden transportarse dentro de ésta con la rapidez suficiente como para satisfacer sus requerimientos.

El cubo de 4 centímetros, los ocho cubos de 2 centímetros y los sesenta y cuatro cubos de 1 centímetro tienen el mismo volumen total. Sin embargo, a medida que el volumen se divide en unidades más pequeñas, la cantidad total de superficie se incrementa, al igual que la relación superficie a volumen. Por ejemplo, la superficie total de los sesenta y cuatro cubos de 1 centímetro es 4 veces mayor que la superficie del cubo de 4 centímetros y la relación superficie a volumen en cada cubo de 1 centímetro es 4 veces mayor que la del cubo de 4 centímetros. De modo similar, las células más pequeñas tienen una mayor relación de superficie a volumen que las células más grandes. Esto significa no sólo más superficie de membrana a través de la cual los materiales pueden entrar en la célula o salir de ella, sino también menos materia viva para atender y distancias más cortas a recorrer por los materiales en el interior de la célula.

Pese a las muchas diferencias de aspecto y función, todas las células están envueltas en una membrana —llamada membrana plasmática— que encierra una sustancia rica en agua llamada citoplasma. En el interior de las células tienen lugar numerosas reacciones químicas que les permiten crecer, producir energía y eliminar residuos. El conjunto de estas reacciones se llama metabolismo (término que proviene de una palabra griega que significa cambio). Todas las células contienen información hereditaria codificada en moléculas de ácido desoxirribonucleico (ADN); esta información dirige la actividad de la célula y asegura la reproducción y el paso de los caracteres a la descendencia. Estas y otras numerosas similitudes (entre ellas muchas moléculas idénticas o casi idénticas) demuestran que hay una relación evolutiva entre las células actuales y las primeras que aparecieron sobre la Tierra.

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Composición química

En los organismos vivos no hay nada que contradiga las leyes de la química y la física. La química de los seres vivos, objeto de estudio de la bioquímica, está dominada por compuestos de carbono y se caracteriza por reacciones acaecidas en solución acuosa y en un intervalo de temperaturas pequeño. La química de los organismos vivientes es muy compleja, más que la de cualquier otro sistema químico conocido. Está dominada y coordinada por polímeros de gran tamaño, moléculas formadas por encadenamiento de subunidades químicas; las propiedades únicas de estos compuestos permiten a células y organismos crecer y reproducirse. Los tipos principales de macromoléculas son las proteínas, formadas por cadenas lineales de aminoácidos; los ácidos nucleicos, ADN y ARN, formados por bases nucleotídicas, los polisacáridos, formados por subunidades de azúcares y los lípidos, formado por ácidos grasos, grupos funcionales (como el fosfato).

http://www.botanica.cnba.uba.ar/Pakete/3er/LaCelula/LaCelula.htm

Uno de los temas de mayor interés para los seres humanos sin duda, es saber cómo funcionan las células. Como unidades de los seres vivos que son, su conocimiento resulta esencial para entender cómo trabajan los tejidos, los órganos y los sistemas. La agregación de células les confiere propiedades adicionales, que no modifican la mayoría de sus propiedades originales, pues sus funciones básicas siguen siendo las mismas. Un organismo multicelular, no importa lo complejo que sea, continúa basando su funcionamiento en el de cada una de sus células, agregando funciones a las ya existentes en ellas.

Los estudios sobre el comportamiento celular se iniciaron gracias a la acción de varias actividades paralelas, que poco a poco han ido convergiendo en un solo camino que tiende a integrar todos los conocimientos al respecto.

A partir del descubrimiento del microscopio por Van Leeuwenhoek, se inició el estudio de las funciones celulares que podían ser observadas con este instrumento, la división de las células por ejemplo. El descubrimiento del microscopio abrió la posibilidad de observar objetos muy pequeños y tuvo a la vez el mérito enorme de haber estimulado la curiosidad de los humanos por conocer más sobre las propiedades y características de tejidos y células.

De manera tanto independiente, a partir de los primeros años del siglo pasado, comenzó el estudio de la composición química de los organismos vivos. Con cierta rapidez, se llegó a definir un enorme número de compuestos de todos tipos y complejidades que se podían aislar de los organismos vivos; se generó así una vasta área del conocimiento humano, la llamada química orgánica.

Uno de los organismos que, desde antes del principio de los siglos que nuestro calendario cuenta, atrajo la atención de los humanos, a causa de su utilidad en la fabricación del pan y el vino fue la levadura. Pero sólo a principios del siglo XIX| se iniciaron los estudios encaminados a conocer su funcionamiento, en principio dentro del marco de numerosas consideraciones religiosas y filosóficas. Schwann, científico alemán, definió que la levadura era un organismo vivo, responsable de la fermentación, e inició violenta polémica en contra de las críticas de otro científico, Liebig, quien no sólo se opuso a las ideas de Schwann sino que hizo cruel burla de ellas. Muchos años después, Pasteur realizó los interesantes experimentos que confirmaron las ideas de Schwann y que fueron, en cierta forma, los precursores de la actual biotecnología. Gracias a ellas se demostró que los problemas de la mala calidad de la cerveza francesa frente a la alemana provenían precisamente de la presencia de bacterias en los inóculos de levadura que se utilizaban para la producción de la bebida, y surgió la posibilidad de resolver el problema. La levadura es capaz de realizar la siguiente transformación:

Glucosa ®2C0₂ + 2 moléculas de alcohol etílico

El interés por las levaduras se debe a que el C0₂ (bióxido de carbono) es el que produce las burbujas en la masa de harina, que al hornearla, le dan suavidad al pan, ya que el alcohol es el principio activo de cientos y quizá miles de bebidas espirituosas en todo el mundo, además de una sustancia de gran importancia industrial.

Hacia finales del siglo pasado, Büchner describió la capacidad de las células rotas de levadura, que podrían ser consideradas muertas, de fermentar el azúcar. Este descubrimiento abrió la puerta para que muchos otros científicos se lanzaran al estudio de tal transformación. Desde de un principio se puso de manifiesto la enorme dificultad que implicaba aclarar la naturaleza del proceso. Se necesitaron muchos años de trabajo y la labor de numerosos y brillantes investigadores para caracterizar el gran número de compuestos que intervenían. Quedó claro que había sustancias complejas, a las que se dio el nombre de enzimas (del griego zymos levadura) que eran responsables de producir las transformaciones de unos intermediarios en otros. Se fueron encontrando muchas otras sustancias que intervenían en el proceso y luego se descubrió que en los músculos de los organismos vivos se daban transformaciones semejantes. Más tarde se vio que el mismo proceso, como tal, o con algunas variaciones, también lo realizaban miles de organismos y prácticamente todos los tejidos vivos conocidos. Hacia los primeros años de este siglo, a partir de esos descubrimientos, nació la bioquímica.

A continuación se desarrollaron también los estudios sobre las transformaciones de otras sustancias, como las grasas y las proteínas. El trabajo de decenas de años de miles de investigadores de todo el mundo ha llevado al estado actual de conocimiento que tenemos sobre el metabolismo, esa enorme y complicada serie de transformaciones que experimentan constantemente las sustancias que ingerimos o que producimos en nuestro organismo.

Al mismo tiempo, y con el desarrollo de mejores microscopios, se avanzó en la descripción de la estructura de los microorganismos, los tejidos animales y vegetales y su componente unitario, la célula. Aunque en un principio fue un proceso difícil y estuvo combinado con gran cantidad de imaginación y especulación, el conocimiento del interior de la célula aportó hechos reales y teorías; con gran lentitud se fue descubriendo la imagen de los componentes, pero sólo recientemente se le asignó alguna función a cada uno. Uno de los grandes avances modernos fue el invento del microscopio electrónico, que aclaró conceptos, amplió conocimientos, y cada día, aun en la época actual, nos ofrece nueva información sobre la fina estructura de nuestras células.

A finales de los cuarenta se inició el camino para integrar los conocimientos sobre las formas o estructuras de las células y sus funciones. Por estas fechas se logró aislar los organelos celulares y se inició el difícil trabajo de aclarar sus funciones. Fue a partir de entonces que se inició un trabajo más integrado, para conocer y relacionar las funciones y las estructuras; lo cual dio pie a que en la época actual, la adquisición de nuevos conocimientos gire alrededor de un esquema general que reúne los conocimientos sobre la composición y el funcionamiento de las moléculas, las estructuras celulares, las células mismas, los tejidos, los órganos y los individuos.

Las características estructurales de los componentes celulares se pueden estudiar en las células íntegras. También, en ocasiones, es posible inferir conceptos fisiológicos de las imágenes que se observan, como sucede en el curso de la división celular, de donde se ha obtenido mucha información sobre los cromosomas y su división, su papel en la transmisión de las características hereditarias de unas células a otras, y otras propiedades de las células durante su división.

Por el contrario, en el caso de algunos organelos, es difícil obtener información sólo con observar diferentes estados de la célula. Para conocerlos ha sido necesario obtenerlos en forma más o menos pura, a partir de homogeneizados celulares hechos con ciertas precauciones. El caso del fraccionamiento de las células hepáticas nos da idea de lo sencillo que resulta obtener algunos de sus componentes. En la figura 1 se presenta un esquema del sistema que se emplea para fraccionar por centrifugación a velocidades variables los elementos de las células.

Figura 1. Sistema general para obtener organelos celulares. A partir de un homogeneizado de células rotas, por centrifugado a diferentes velocidades y tiempos, se obtienen los distintos organelos.

Para hacer un homogeneizado, primero se cortan con unas tijeras fragmentos pequeños de tejido. Se utiliza un medio isotónico, es decir, que contenga una concentración de sustancias semejantes a la de las células y organelos, para que los cambios de la presión osmótica conserven al máximo la estructura y la función de los componentes.

Luego se coloca el homogeneizado en un tubo de centrifugación y se pasa a través de una gasa, para eliminar los fragmentos de tejido que no se han roto y material fibroso. Si se somete a centrifugación a una velocidad que aumente 600 veces la fuerza de la gravedad, en unos diez minutos se van al fondo las células completas y los núcleos. También es factible utilizar procedimientos adicionales para purificar los núcleos, lavándolos de diferentes maneras y volviéndolos a separar por centrifugación.

El sobrenadante de esta primera centrifugación se puede someter luego a una fuerza centrífuga 15 000 veces mayor que la gravedad. Así se obtiene un paquete o pastilla de material en el fondo, que contiene en su mayor parte mitocondrias, lisosomas y otras partículas, como los centriolos. También hay procedimientos para purificar cada uno de estos componentes.

Si se toma el sobrenadante de esta segunda centrifugación y se somete ahora a una fuerza 105 000 veces mayor que la de la gravedad durante 60 minutos, se obtiene la llamada fracción microsomal (de microsomas), formada principalmente por vesículas del retículo endoplásmico, muchas de las cuales tienen adheridos los ribosomas. Por este procedimiento, utilizando sustancias que permiten liberar los ribosomas de las membranas, por ejemplo un detergente, y centrifugando de nuevo a la misma velocidad, se obtienen los ribosomas puros.

Finalmente, al sobrenadante que resulta de la centrifugación a 105 000 x g, se le llama fracción soluble o citosol, y representa solamente una dilución del material no particulado de la célula en el medio de homogeneización.

Las fracciones que se obtienen así se utilizan para muchos estudios que nos dan información sobre las funciones de cada organelo. Es claro que los métodos para romper y homogeneizar las células varían de unos tejidos o tipos celulares a otros, y el caso de las células hepáticas no es más que un ejemplo de uno de los métodos más sencillos que hay.

Si queremos acercarnos al conocimiento de las funciones celulares, no debemos olvidar el papel que desempeñaron los microorganismos en estas investigaciones; aunque mencionamos a la levadura, participaron muchos otros microbios, entre los que destaca el colibacilo o Escherichia coli, humilde bacteria que crece en el intestino de casi todos los humanos. De hecho, aquellos estudios que se iniciaron por simple curiosidad, permitieron saber que hay grandes variaciones en el comportamiento metabólico de los microbios y los hongos microscópicos. De los estudios básicos de los científicos surgieron productos de gran beneficio para la humanidad, como las sulfas o los antibióticos. Este trabajo de investigación llevó a desarrollar la biotecnología, el amplio campo donde se obtienen diversos productos de los seres vivos.

Otro capítulo importante, iniciado en los años cincuenta, fue la posibilidad de cultivar células de organismos superiores; posteriormente se desarrolló el conocimiento sobre sus funciones. Por ejemplo, no sólo se pudo llegar a cultivarlas, sino se demostró que una célula de un organismo es capaz de regenerarlo; también se encontró que cultivando células vegetales, en algunos casos se pueden reproducir de manera mucho más rápida que por la siembra, variedades de plantas que conservan sus características. Los cultivos celulares pueden ser invadidos por los virus, pero esto, que pudiera parecer una tragedia, ha servido para reproducir algunos de estos agentes patógenos y así elaborar algunas vacunas contra ellos.

Este libro busca acercar al lector al conocimiento de algunas de las funciones generales de las células, para que se asome al mundo maravilloso de las estructuras y el acomodo de funciones extraordinarias que tienen cabida en un espacio tan pequeño. Casi todos creemos que una neurona y una célula muscular se comportan de manera muy distinta; sin embargo, al revisar sus funciones fundamentales resulta que son muchas más las semejanzas que las diferencias, y que es posible establecer un patrón o sistema general de comportamiento, no sólo de las células, sino de sus componentes, la membrana, los organitos u organelos celulares, el núcleo, las mitocondrias, etc. Además, esto es válido no sólo en lo que se refiere a las funciones, que típicamente se describen a nivel fisiológico (como la reproducción, el movimiento u otras características) sino para la base de las funciones celulares que es en última instancia la gigantesca serie de transformaciones químicas, el gran número de interacciones de sus moléculas, en el intrincado mundo en el cual ya no es posible diferenciar entre la bioquímica, la biología molecular y la fisiología de las células. Todo el conocimiento se va integrando dentro del área que recibe el nombre de biología celular o fisiología celular.

Como consecuencia, se busca presentar una imagen integral de las funciones celulares, sin diferenciar entre las que se pueden apreciar de manera macroscópica, como la división celular, y aquellas que no podemos ver, como las transformaciones de la energía o el transporte de sustancias hacia el interior o el exterior de la célula, y que en términos generales han sido consideradas más bien del dominio de la bioquímica. En el mundo actual, y cada vez con mayor frecuencia, tienden a desaparecer las divisiones artificiales que en una época fueron más o menos claras, pero que más bien fueron reflejo de la ignorancia de los investigadores, y no una realidad biológica. Es fundamental que el lector asimile la idea de que no hay separación entre el movimiento de una célula que podemos ver en el microscopio, o incluso a simple vista, y los procesos moleculares que ocurren en él. Las células se mueven porque algunas de sus moléculas se acortan o alargan, resultado de interacciones y deslizamiento de sus componentes y la participación de otras, unas pequeñas y otras grandes, la mayor parte de ellas invisibles a nuestros ojos, pero todas relacionadas de tal forma que finalmente hacen posible el fenómeno macroscópico que podemos observar, la contracción de la fibra muscular.

Es importante también que el lector esté dispuesto a revisar otros libros que en esta misma serie tocan conocimientos o temas que aquí se verán de manera muy resumida. Al final se darán algunos títulos que servirán de consulta a quien esté interesado en ampliar ciertos conocimientos. Algunos de estos libros pertenecen a esta misma colección, La Ciencia desde México, donde los estudiantes encontrarán textos sencillos y amenos, que harán aumentar su interés por los temas que aquí presentamos. También haremos referencias a obras más complejas, las cuales llevarán al interesado por un camino que finalmente lo guiará hasta las fuentes primeras, los trabajos originales de los investigadores.

http://www.cubaeduca.cu/medias/cienciatodos/Libros_3/ciencia3/122/htm/sec_4.htm