La célula II: La estructura de las células

A pesar de su diversidad, todas las células están constituidas por un conjunto de elementos comunes, que pueden considerarse imprescindibles para que estas estructuras puedan desarrollar sus actividades. 

De fuera hacia adentro, el primero de esos elementos que aparecen en todas las células es la membrana. Se trata de una capa muy fina, formada fundamentalmente por lípidos y, en menor proporción, proteínas, que regula el intercambio de sustancias entre el interior de la célula y el medio que la rodea. Esto significa que la membrana no es propiamente una barrera, sino más bien un orgánulo especializado, que permite a la célula absorber solo aquellas moléculas que necesita y dejar salir las que debe enviar a otras partes del organismo o quiere eliminar.

La membrana determina la existencia de un "medio interno" de la célula, que recibe el nombre de citoplasma. Es una masa con consistencia gelatinosa, formada fundamentalmente por agua y una gran cantidad de sustancias disueltas en ella, incluyendo minerales, glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos, es decir, todas aquellas que la célula necesita para su funcionamiento.

En el citoplasma de todas las células pueden observarse unas partículas llamadas ribosomas y que se encargan de fabricar las proteínas que las células utilizan.

Finalmente, todas las células contienen en su interior al menos una molécula de ADN.

Modelos de organización celular

Todas las células conocidas incluyen, al menos, los elementos citados, y cualquier tipo celular puede considerarse derivado de esta estructura básica. Existen dos modelos básicos de organización celular, que se diferencian, fundamentalmente, por su complejidad: las células procariotas y las eucariotas.

Las células procariotas coinciden casi totalmente con la organización de una célula básica, aunque la mayoría de ellas poseen, además, una estructura externa, la pared celular, que les proporciona resistencia física y química. Asimismo, muchas células procariotas tienen también cilios o flagelos que facilitan su movimiento.

En cuanto a su estructura interna, las células procariotas son muy sencillas, ya que su citoplasma no presenta más elementos diferenciados que los ribosomas y una única molécula de ADN.Este modelo de organización celular se presenta en las bacterias y en las arqueas.

Las células eucariotas, por su parte, tienen en su interior, además de las estructuras básicas de todas las células, un sistema de membrana, idéntica a la que rodea la célula, que toma diferentes formas y se especializa en realizar los distintos procesos que lleva a cabo la célula. Cada una de las estructuras especializadas es un orgánulo celular, y el conjunto de todos ellos se denomina sistema endomembranoso. Entre los orgánulos que forman parte de este sistema se incluyen diferentes tipos de vesículas membranosas, el aparato de Golgi, el retículo endoplásmico liso, el retículo endoplásmico rugoso y el núcleo, en cuyo interior se encuentra el material genético, que siempre incluye varias moléculas de ADN.

Un orgánulo que se encuentra prácticamente en todas las células eucariotas es la mitocondria. Está rodeada por dos membranas separadas entre sí y se encarga de producir la mayor parte de la energía que necesita la célula.

Las células eucariotas se presentan en el resto de los grupos de organismos: protistas, hongos, vegetales y animales. En cada uno de estos grupos las células tienen características especiales, que las hacen diferentes entre sí.

Las células de los hongos, que reciben el nombre de hifas, son bastante sencillas, con los orgánulos comunes a todas las células eucariotas. Tienen en su citoplasma una gran vacuola (una bolsa de membrana aproximadamente esférica, rellena de líquido) y en el exterior una pared celular. Por el contrario, las células de los protistas suelen ser complejas, porque sus orgánulos presentan altos grados de especialización, en relación con las funciones específicas que realizan como organismos unicelulares que son.

Las células animales poseen en su citoplasma un citoesqueleto, una estructura compleja formada por "tirantes" de proteína que mantiene la forma celular y permite el movimiento de vesículas de membrana de una zona de la célula a otra. También presentan otro orgánulo exclusivo, el centrosoma, cuya función está relacionada con la división celular, con la organización y funcionamiento del citoesqueleto y con el movimiento celular.

Las células vegetales no tienen centrosomas y presentan tres estructuras características, que no están presentes en las células animales: una gran vacuola (bolsa de membrana) que se sitúa en el centro de la célula y ocupa la mayor parte de su volumen, una pared celular que se sitúa por fuera de la membrana y cloroplastos, orgánulos de gran tamaño, formados por dos membranas separadas entre sí y que se especializan en realizar la fotosíntesis.

Tamaños celulares

En general, el tamaño de las células es demasiado pequeño como para poder observarlas directamente, y las representaciones que utilizamos normalmente para visualizar el interior de la célula no respetan el tamaño real de los orgánulos, sacrificando la exactitud para mejorar visibilidad de los distintos orgánulos. Además, la mayor parte de las representaciones celulares son planas, lo que también impide hacerse una idea adecuada del tamaño real y de las proporciones de las estructuras subcelulares.

Esto, que puede parecer poco importante, puede dar lugar a errores bastante graves. Es frecuente que mucha gente, incluso los medios de comunicación, confundan bacterias y virus, cuando las primeras son miles de veces más grandes que los virus, los cuales, de hecho, se pueden introducir en ellas y se replican en su interior miles de veces para luego salir y continuar infectando otras células.

Los ribosomas son un buen punto de referencia para poder comparar los tamaños de los elementos celulares. Su diámetro es aproximadamente de unos 20 nm, lo que hace posible observarlos por medio del microscopio electrónico, pero no con el óptico. Por comparación con este tamaño, una bacteria típica, como puede ser Escherichia coli, que forma parte de nuestra flora intestinal, mide unos 0,5 μm en su eje menor por unos 2 μm en el mayor o, utilizando las mismas unidades que se han empleado para el ribosoma, unos 500 x 2000 nm, tamaño suficiente como para poder ser vistas a través de un microscopio óptico. En cuanto a los virus, uno de los fagos (virus que infectan bacterias) de mayor tamaño es el fago T4, que llega a medir unos 200 nm de largo por 100 nm de alto.

Las bacterias son de pequeño tamaño cuando se las compara con las células eucariotas. De hecho son, incluso, más pequeñas que algunos de sus orgánulos característicos: frente a los 2 μm de longitud de E. coli, una mitocondria de tamaño medio viene a medir unos 3 μm, mientras que un cloroplasto alcanza unos 5 μm de longitud en su eje mayor. El núcleo de la célula, por su parte, suele medir unos 6 μm de diámetro.



Todos los orgánulos celulares están dispersos en el citoplasma, ocupando aproximadamente una cuarta parte de su volumen. Las células animales pueden tener un tamaño muy variable (un huevo de ave es una única célula antes de la fecundación), pero su diámetro medio oscila entre los 10 μm y los 30 μm. Las células vegetales son de mayor tamaño, y su dimensión media va desde los 10 μm hasta los 100 μm.

La célula: introducción

El problema de las cosas sencillas es que hay que comprenderlas muy bien.

Posiblemente el tema de la estructura y el funcionamiento de las células sea el más estudiado de toda la Biología. Y seguramente parece sencillo, así que tanta repetición puede resultar hasta aburrida, pero el estudio de la célula es realmente fundamental para la Biología, lo que justifica toda esta insistencia.

¿Por qué resulta tan importante la célula en Biología? Una primera respuesta podría ser que hay un gran número de organismos que existen como células individuales, y por tanto conocer la célula es equivalente a comprender a estos organismos. Sin embargo, pueden encontrarse otras razones, que tienen aún más peso.

Para empezar, no solo los organismos unicelulares, sino todos los organismos, incluyendo desde los más sencillos hasta los más complejos, estamos formados por células, por lo que decimos que los organismos tenemos siempre estructura celular, o que la célula es la unidad estructural de los seres vivos.

Por otra parte, todas las células que existen tienen todas las características funcionales que identifican a los seres vivos (capacidad de nutrirse, de relacionarse con su entorno, de funcionar coordinadamente, de reproducirse), lo que nos lleva a decir que la célula es la unidad funcional de los seres vivos.

Por último, las células que conocemos presentan, a pesar de sus diferencias, características comunes que nos indican que todas ellas han evolucionado a partir de antepasados comunes, por lo que las células nos muestran también las relaciones evolutivas entre todos los organismos vivos en la actualidad o que han vivido a lo largo de la historia de la Tierra..

La célula como unidad estructural de los seres vivos

La citología, el estudio de la célula, es una larga tradición en la historia de la Biología. La primera observación (indirecta) de estas estructuras se debe a Robert Hooke durante el siglo XVI. Este investigador estaba observando, a través del recientemente inventado microscopio, un trozo de corcho, y descubrió que este material tiene una estructura "reticular", que deja en su interior un conjunto de pequeños espacios a los que Hooke denominó "celdillas" pero utilizando el término latino cellullae. De ahí procede el nombre que todos conocemos. 

En realidad, el corcho no está vivo y lo que Hooke observó fue el espacio dejado al morir por las células de la planta. Los tabiques que separaban esas células son la pared celular, tan resistente que permanece intacta muchos años después de la muerte del propio organismo.

El avance en el conocimiento de las células está muy relacionado con los avances tecnológicos, especialmente con la microscopía. Los primeros microscopios eran instrumentos toscos, con muy poca capacidad de aumento pero, lo que era aún peor, con graves defectos en las lentes que provocaban efectos visuales no controlables (como la aberración esférica) que hacían muy difícil percibir los detalles de la estructura celular. Además, las células son prácticamente transparentes, a excepción de los cloroplastos y algunas otras estructuras menos frecuentes, por lo que para ver su interior fue necesario también desarrollar técnicas de "tinción". Así, lentamente, se fue acumulando la evidencia de que las células aparecían por todas partes cuando se observaban los organismos vivos, hasta que en el siglo XIX los alemanes Matthias Schleiden y Theodor Schwann llegaron a la conclusión de que las plantas y los animales están formados por células. Esta afirmación es lo que se conoce como Teoría Celular.

Sin embargo, la teoría celular parecía tener una excepción: el sistema nervioso. Los elementos del sistema nervioso no parecían tener estructura celular. En vez de cuerpos más o menos redondeados el microscopio mostraba que tenían aspecto de hilos (todavía hoy las llamamos "fibras" nerviosas) y parecía que se trataba de estructuras continuas, que se extendían desde los órganos de coordinación como el encéfalo hasta todos los puntos del cuerpo sin ningún tipo de interrupción.

El problema se debía a que resultaba prácticamente imposible, con las técnicas conocidas en la época, teñir la membrana o las estructuras internas de las células nerviosas. Camilo Golgi, muy conocido actualmente por el orgánulo celular que lleva su nombre, tuvo una idea brillante: en vez de teñir las estructuras internas, trató de "recubrir" con un material que se pudiera ver bien al microscopio (sales de plata o de oro) la parte externa de la célula. Sin embargo, no logró tener éxito con esa estrategia y fue Santiago Ramón y Cajal quien observó por primera vez que el sistema nervioso también está formado por células separadas entre sí, con lo que completó la teoría celular expuesta antes por Schleiden y Schwann.

El resultado final de estos tres siglos de investigación fue, por lo tanto, la afirmación de que todos los organismos están formados por células, y que la célula es la unidad estructural (el elemento más sencillo) de todos los seres vivos.

¿Y los virus? Etimológicamente, la palabra virus significa "veneno" y hace referencia a que los virus son capaces de atravesar los filtros que impiden el paso de bacterias, como si se tratara de sustancias disueltas. En realidad, los virus son mucho más pequeños que cualquier célula, y no comparten ninguna de sus caracteristicas. De hecho, son incapaces de realizar por si mismos los procesos de nutrición, relación y reproducción que conocemos normalmente como "funciones vitales". Esa es la razón por la cual los virus no se consideran seres vivos, al menos en un sentido estricto, sino entidades o estructuras "acelulares".

La célula como unidad funcional de los seres vivos

Todos los seres vivos se caracterizan por su capacidad para mantenerse en el tiempo y dar lugar a otros organismos similares a ellos. Para lograrlo, los seres vivos necesitan llevar a cabo un conjunto de procesos que conocemos como "funciones vitales":

1. Conseguir la materia y la energía necesarias para mantener y reparar sus estructuras, realizar los procesos que necesitan llevar a cabo, crecer y dar lugar a otros organismos. Es lo que conocemos como funciones de nutrición.
2. Obtener información de su entorno y de su propio interior para ajustar su funcionamiento a las condiciones existentes en cada momento. Son las funciones de relación.
3. Generar organismos semejantes a ellos, que conserven sus características básicas y sus capacidades. Funciones de reproducción.

En cuanto a la nutrición, todas las células  necesitan tomar nutrientes de su entorno y eliminar los residuos que producen como consecuencia de su funcionamiento, que en muchas ocasiones pueden resultar tóxicos para ellas. Los organismos unicelulares lo hacen intercambiando esas sustancias directametne con el exterior, a través de sus membranas. En los organismos pluricelulares, en cambio, la situación es un poco más compleja: las células no están en contacto con el exterior, sino con un líquido que las baña y que, a su vez, se mezcla con la savia en los vegetales o con la sangre en los animales. Ese líquido que rodea las células recibe el nombre de medio interno, y es el entorno inmediato de las células de organismos pluricelulares. Es con él con quien se producen los intercambios, es decir, las células obtienen sus nutrientes del medio interno del organismo y expulsan hacia él los residuos que producen.

Estos procesos de intercambio, y la utilización de todos los nutrientes y de la energía química que emplean los seres vivos, tienen lugar en todas y cada una de las células de un ser vivo, por lo que podemos afirmar que son las células las que se nutren, o dicho de otra forma, que las células son la unidad de nutrición de los seres vivos.

Las células también constituyen la unidad de relación de los seres vivos. Los organismos unicelulares reciben información del exterior captando diferentes tipos de estímulos, que pueden ser sustancias químicas, luz o campos electromagnéticos, por poner algunos ejemplos. En los organismos pluricelulares la información del exterior de la célula procede, en general, de otras células del propio organismo, que pueden estar cerca de ellas o en zonas alejadas del cuerpo. Los estímulos captados por las células son prácticamente siempre (incluso cuando el impulso nervioso pasa de una neurona a otra) ciertas sustancias químicas que tienen "significados" específicos y que las células pueden captar. Asimismo, cada una de las células de un organismo tiene capacidad para producir sustancias químicas que sirven para transmitir mensajes al resto del organismo.

Las funciones de relación, además, también incluyen la coordinación entre los distintos componentes que forman cada una de las células. En este caso, la información también se transmite mediante algunas sustancias químicas cuya presencia o ausencia influye sobre el funcionamiento de otras partes de la célula.

La tercera de las "funciones vitales" es la capacidad de reproducción. Los organismos unicelulares son capaces de reproducirse mediante la división de la propia célula. Eso necesita, por una parte, que su "material genético", las moléculas de ADN que contienen toda la información que la célula utiliza a lo largo de su vida, se hayan duplicado para posteriormente repartirse. Los elementos que forman parte de la célula, sus orgánulos y sus moléculas grandes o pequeñas, también se distribuyen entre las dos nuevas células que surgen de la división.

En los organismos pluricelulares la situación es un tanto más compleja. En general, las células tienen la capacidad de dividirse, lo que ocurre para regenerar otras células que han muerto o en el caso de los organismos que presentan reproducción asexual. Sin embargo, esta capacidad suele estar muy controlada por el organismo en su conjunto, de modo que, a lo largo de la vida del individuo, solo unas cuantas células se dividen, y lo hacen solo como respuesta a una "orden" dada por el organismo. En realidad, la reproducción no controlada de una o varias células puede llegar a suponer graves problemas para el organismo: se trata de un "tumor".

Los organismos que presentan reproducción sexual poseen un tipo de células especializadas en esta función. Son los gametos.

Como todas las células de un organismo son potencialmente capaces de dividirse, aunque en general no lo hagan salvo excepciones, se dice también que la célula es la unidad reproductiva de los seres vivos.

Las células y la información genética

Para que una célula pueda vivir debe desarrollar una serie de actividades de modo organizado y regulado: conseguir nutrientes cuando los necesita, eliminar los residuos antes de que le causen problemas, construir estructuras cuando tiene que crecer... Para que todas esas actividades ocurran de modo correcto es necesario que estén controladas, que respondan a una "programación" y que "sigan unas instrucciones". En las células, que son sistemas químicos altamente complejos, esas instrucciones están "escritas" en un tipo muy especial de molécula: el ADN.

Evidentemente, los organismos unicelulares contienen en su ADN toda la información necesaria para su funcionamiento, ya sea en una sola molécula (procariotas) o en varias (eucariotas). Todos los organismos pluricelulares son eucariotas, y poseen varias moléculas de ADN en cada célula. Aunque parezca extraño, todas las células de un organismo pluricelular poseen en su núcleo una copia de toda la información genética que necesita todo el organismo, aunque no la utilicen a lo largo de su vida. Por lo tanto, las células son también la unidad de información de los seres vivos.

Diversidad de células y organismos

A pesar de todas las características comunes que presentan las células de todos los organismos, existen también grandes diferencias entre ellas. Esto permite clasificar a los seres vivos utilizando como criterio los tipos de células que poseen.

En primer lugar se pueden distinguir dos grandes tipos celulares, muy diferentes entre sí en cuanto a complejidad y tamaño. Las células más sencillas se denominan "procariotas" y se caracterizan porque apenas contienen estructuras complejas (orgánulos) en su interior. En particular, su nombre se debe a que no poseen núcleo rodeado por membrana. Este tipo celular incluye dos "dominios" de seres vivos, que se diferencian entre sí por características químicas poco visibles pero muy importantes: las arqueas y las bacterias.

El segundo tipo de organización celular se denomina "eucariota" y presenta un grado de complejidad mucho mayor, que se aprecia por la presencia en el interior de las células de estructuras bien diferenciadas que se denominan orgánulos. El núcleo, que da nombre al tipo celular (eucariota significa verdadero núcleo), es una estructura esférica que contiene el ADN. Las células eucariotas también son muy diferentes entre sí, a pesar de sus características comunes, y esto da lugar a distinguir entre distintos tipos: los protistas, los hongos, las plantas y los animales. Cada uno de estos grupos posee un tipo celular característico.

En realidad, los dos criterios de clasificación biológica no se utilizan conjuntamente, sino que constituyen dos sistemas de referencia. La clasificación de los "tres dominios" distingue bacterias, arqueas y eucariotas, y dentro de ellos protistas, hongos, plantas y animales, es decir, seis grandes grupos. La clasificación de los "cinco reinos" sigue agrupando bacterias y arqueas en el reino Moneras, distinguiendo solo cinco grandes grupos. Este sistema es un tanto más antiguo, anterior al descubrimiento, en los años 80 del siglo XX, de las características peculiares de las arqueas, y probablemente irá dejando de usarse con el paso del tiempo.