Tema 1. Teoría celular.
•Construcción de la teoría celular, sus principales aportaciones y postulados.
Cuando los primeros talladores de lentes idearon la mejor manera de hacer su trabajo para facilitar a los comerciantes de telas y tejidos la elección durante sus compras, no sabían que iban a ejercer una influencia determinante en el desarrollo tanto de la astronomía, como de la microscopía. En efecto, la disposición en serie de las lentes, dieron como resultado el telescopio por una parte y el microscopio por otra, permitiendo la observación tanto del macro universo (planetas, estrellas y galaxias), como del micro universo (células y tejidos).
Así, durante casi doscientos años, la curiosidad humana, liderada por una pléyade de naturalistas, acumuló evidencias y conocimientos que desembocaron en la Teoría Celular, impulsando al Naturalismo a convertirse en la Ciencia de la Biología. En efecto, hacia 1590 Hans y Zacharías Janssen (padre e hijo, respectivamente), originarios de los Países Bajos, fabricaron uno de los primeros microscopios compuestos (ver figura 1), lo que llevó a diversos personajes a realizar observaciones del micro mundo, y tratar de interpretar lo que veían a través de las lentes. Uno de tales personajes fue el británico Robert Hooke, quien en 1665 detalló sus observaciones en el libro Micrographia, donde describe la estructura de la corteza del alcornoque (ver figura 2), conocida como corcho y que está compuesta por múltiples poros en forma de celdillas de panal de abeja. Fue por esta similitud que a esos huecos les llamó células. Como podemos observar en la figura 1.2, el delgado corte de corcho revela una estructura con múltiples huecos que ahora interpretamos como el espacio dejado por las células al morir, así como su envoltura o cápsula de secreción de lignina.
Sin embargo, Hooke no fue el único que hizo observaciones de este tipo, pues tanto Marcelo Malpighi como Nehmiah Grew hicieron descripciones semejantes hacia 1671, aunque ellos les llamaron utrículos y vesículas respectivamente. Pero no es sino hasta 1838 (173 años después de las observaciones de Hooke), que el concepto actual de célula es establecido por el botánico Matthias J. Schleiden y el fisiólogo Theodor Schwann mediante una generalización que establece que todos los seres vivos están constituidos por células y productos celulares. Esto concluye toda una línea de pensamiento seguida por generaciones de investigadores que buscaban una unidad común que relacionara todas las formas de vida del planeta.
Una segunda vertiente del pensamiento unificador mediado por el uso del microscopio, tiene que ver con la función. En efecto, las ideas iniciales en esta tendencia son propuestas por Carolus Linneo, precursor de la clasificación del mundo viviente, quien en su libro Voyage en vestrogothie de 1749 pone el asunto sobre la mesa al mencionar: “Cuando las plantas y los animales se pudren pasan a ser humus, el humus acto seguido deviene en alimento de las plantas que están sembradas y arraigadas. De esta manera, la encina más poderosa y la más vil ortiga están hechas por los mismos elementos, es decir, de las partículas más finas del humus… para cambiar y transformar el humus según la especie propia de cada planta.”
Después de múltiples contribuciones de diversos naturalistas, es Schwann quien concluye: “Hemos visto que todos los organismos están compuestos de partes esencialmente iguales, a saber, de células; que estas células se forman y crecen de acuerdo con las mismas leyes en esencia; que, por tanto, estos procesos deben ser producidos por las mismas fuerzas. Ahora encontramos que cada una de estas partes elementales, que no se diferencian de las restantes, pueden crecer separadas y autónomamente, por lo que podemos concluir que también cada una de las restantes partes elementales, cada célula, posee ya en sí la fuerza para atraer nuevas moléculas y para crecer; que, por consiguiente, cada parte elemental tiene una fuerza peculiar, una vida independiente en virtud de la cual estaría en condiciones de desarrollarse autónomamente cuando le son ofrecidas las condiciones externas bajo las que se encuentra el organismo.” De lo anterior se desprende el segundo postulado de la Teoría Celular: “Toda célula cumple con sus funciones vitales”
Otra vertiente de pensamiento surgida de las observaciones del micro mundo, surge de observaciones de investigadores como el holandés Anton Van Leewenhoeck (1632-1723), quien era tallador de lentes y diseñó un ingenioso microscopio de mano, cuyo uso aunado a una infatigable curiosidad le llevó a descubrir el mundo microbiano, del que hizo infinidad de observaciones y que incluso le llevó al descubrimiento de los espermatozoides. Pero más importante, debido al desconocimiento de técnicas de asepsia (desarrolladas siglos después), no tenía control sobre las fuentes de inoculación de los diversos cultivos (caldos o infusiones) que elaboraba, y por lo tanto se preguntó sobre el origen de esos microbios o anilmáculos, como él los denominó. De este modo, se preguntó si dichas formas de vida se originaban espontáneamente. Surge así la idea del origen de los microorganismos por Abiogénesis.
La discusión entre biogenistas (que aseguraban que la vida solo puede surgir de la misma), y abiogenistas (que pensaban que la vida podía originarse espontáneamente), se prolongó durante años, a través de experimentos con parámetros más o menos controlados. Rudolph Virchow en su libro Cellular pathologie (1858) escribe: “Donde nace una célula debe haber nacido otra célula, de la misma manera que un animal no puede proceder sino de otro animal, y una planta no puede proceder sino de otra planta…” Y plasma su idea concluyente: omnis cellula e cellula. Estos resultados permitieron hacer la tercera gran generalización de la Teoría Celular: Toda célula proviene de otra célula semejante y preexistente.
Pero fue Louis Pasteur (1822-1895), quien mediante un experimento simple y elegante demostró terminantemente la falacia de la generación espontánea y que toda célula proviene de otra semejante y preexistente. El experimento de Pasteur (publicado en 1864, unos 188 años después de las observaciones de Leewenhoeck), consistió en introducir caldo de carne en matraces de cuello largo a los que curvó, dándoles forma de cuello de cisne y luego puso a hervir. Aunque los recipientes no estaban sellados y permiten el paso de aire, las partículas y esporas suspendidos en el aire, se depositan en el cuello y no llegan al líquido, por lo que los matraces no se contaminaron. Aún en la actualidad, en el Instituto Louis Pasteur de París se tienen en exhibición algunos de los matraces originales que aún permanecen puros.
De este modo, tenemos los tres postulados de la Teoría Celular:
Unidad Anatómica. Todos los seres vivos están constituidos por células y productos celulares.
Unidad Fisiológica: Toda célula cumple con sus funciones vitales
Unidad de Origen. Toda célula proviene de otra célula semejante y preexistente.
•Moléculas presentes en las células: carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos.
Carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos son moléculas relativamente grandes conocidas como macromoléculas, que junto con el agua, sales minerales y vitaminas constituyen los compuestos básicos de los que están formadas todas las células y por ende, todos los seres vivos.
Dentro de los organismos, el agua, las sales minerales y las vitaminas pueden formar moléculas más complejas al unirse a las macromoléculas o pueden permanecer libres. La cantidad de cada tipo de estos compuestos varía de acuerdo al tipo de célula de que se trate e incluso del tipo de organismo. El agua es la molécula más común en todos los seres vivos, mientras que los carbohidratos y las proteínas son las macromoléculas orgánicas más abundantes en los cinco reinos: Monera, Protoctista, Fungi, Plantae y Animalia.
El agua se encuentra formando parte de los seres vivos aproximadamente en unas tres cuartas partes de su peso corporal, aunque existen organismos que llegan a estar constituidos por agua hasta en un 99% (en el caso de las medusas) o en el otro extremo, algunos insectos que llegan a tener un 40%.
Funciones biológicas del agua
1. El agua está considerada como el solvente universal. Su molécula polar permite la disolución de prácticamente todos los compuestos polares, tanto inorgánicos como orgánicos. 2. También tiene funciones metabólicas, ya que ofrece un medio fluido y ágil que favorece la realización de reacciones bioquímicas (fotosíntesis y parte de la respiración) 3. Cumple funciones de transporte. Relacionada con su elevada capacidad disolvente, el agua facilita la formación de torrentes líquidos o semilíquidos que distribuyen sustancias disueltas en los organismos (sangre, savia bruta y elaborada). También permite segregar productos elaborados o eliminar desechos o (néctar, orina). 4. Estructura volumétrica. Debido a la gran cohesión que brinda la polaridad de las moléculas de agua y a la solubilidad de algunas sales que le provocan la posibilidad de generar presiones osmóticas, el agua permite dar volumen y turgencia a las células. 5. El agua es un gran termorregulador, ya que al tener un elevado calor específico, permite mantener constante la temperatura de los seres vivos (que en los humanos es de 36.5° C. 6. Debido a su gran resistencia a ser comprimida, el agua cumple con funciones amortiguadoras; tal es el caso del líquido sinovial, que evita la fricción entre los huesos, o el líquido cefalorraquídeo, que amortigua el sistema nervioso central de los impactos producidos por la locomoción animal. 7. Amortigua la temperatura planetaria. En efecto, al cubrir tres cuartas partes de la superficie terrestre, mantiene una temperatura adecuada para la vida, tanto en tierra como en las masas acuáticas, ya que la polaridad molecular del agua genera un mayor volumen al estado sólido, lo que provoca que el hielo flote y mantiene condiciones de vida bajo la costra de hielo polar.
Sales Minerales
Las sales minerales pueden encontrarse en los organismos de dos maneras principales: i) sólidas en forma de precipitado e ii) disueltas en agua, formando iones (Aniones el ion negativo como los fosfatos y los cloruros; y Cationes la parte positiva de la sal como K+, Na+ o Ca+). Cumplen diversas funciones celulares como el mantenimiento de los procesos de presión osmótica y de homeostasis, auxilian en la formación y mantenimiento de los huesos, regulan la actividad enzimática y el volumen celular a través de la presión osmótica, generan potenciales eléctricos importantes para las actividades nerviosa y muscular entre otras funciones.
Vitaminas
Las vitaminas son sustancias que no tienen una estructura química homogénea, lo que tienen en común es que les son necesarias a los seres vivientes en cantidades muy bajas del orden de miligramos o microgramos por día. Tienen funciones fisiológicas importantes por actuar como, o ser precursores de coenzima, que son factores imprescindibles para que las enzimas cumplan su función de síntesis o catálisis.
Por su afinidad de solubilidad, las vitaminas pueden ser hidro o liposolubles como se puede ver en el siguiente cuadro, que además presenta los daños provocados por su carencia:
Carbohidratos
Los carbohidratos, también llamados hidratos de carbono o glúcidos son macromoléculas formadas casi exclusivamente de carbono, hidrógeno y oxígeno, por lo que se les llama compuestos terciarios, (ya que tienen tres de los cuatro elementos biogenéticos: CHON) en donde el hidrógeno y el oxígeno se encuentran generalmente en la misma proporción que el agua por cada carbono presente (CH2O)n, de ahí que se les denominara carbohidratos (de carbo, carbono e hidro, agua) aunque hoy en día se sabe que existen carbohidratos como la desoxirribosa (C5H10O4) en los que el hidrógeno y el oxígeno no guardan esa proporción.
Para su estudio, los carbohidratos se clasifican en tres grupos: monosacáridos (una cadena sencilla de entre tres y siete carbonos), disacáridos (dos cadenas unidas) y polisacáridos (más de diez cadenas unidas). Cabe aclarar que el término sacárido que en griego significa sabor dulce, se les asigna porque entre estos compuestos se encuentran la glucosa y la sacarosa, que son dulces.
Los monosacáridos son las unidades mínimas que presentan las características de un carbohidrato. Los monosacáridos o azúcares simples son moléculas que se componen de cadenas formadas de tres a siete átomos de carbono y su principal característica estructural es la presencia de grupos hidroxilo (−OH). Además, contiene un grupo aldehído o bien un grupo cetona, siendo su fórmula general (CH2O)n, donde n representa el número de carbonos presentes en la molécula.
Entre los monosacáridos más conocidos se encuentran la glucosa y la fructosa que son los más abundantes en la naturaleza y cuyo origen está en la fotosíntesis de los vegetales; está también la galactosa, así como la ribosa y la desoxirribosa presentes en los ácidos nucléicos RNA y DNA respectivamente. La glucosa, de donde se deriva el término glúcido, tiene gran importancia fisiológica en los mamíferos, ya que se requiere determinada concentración de este monosacárido en la sangre (72-145 miligramos por decilitro), de otro modo se presentan diversos problemas. Una concentración más baja (hipoglucemia), puede provocar visión doble, irritabilidad, confusión, e incluso desmayos y convulsiones; esta situación puede presentarse en personas privadas de alimentos, con dietas rigurosas o en personas con problemas de diabetes. Por lo contrario, una concentración elevada (hiperglucemia o diabetes), puede generar sed, visión borrosa, piel seca y necesidad de orinar con frecuencia. De hecho el organismo fabrica una hormona, la insulina, para controlar los niveles de glucosa en la sangre.
Los disacáridos son carbohidratos formados por la unión de dos monosacáridos, los enlaces que unen a los dos monosacáridos se llaman enlaces glucosídicos que se forman por el desprendimiento de una molécula de agua de los dos grupos hidroxilo (−OH) contiguos, quedando como puente un oxígeno que une a dos carbonos de los monosacáridos vecinos.
Entre los disacáridos más conocidos se encuentra la sacarosa o azúcar de mesa, que se extrae de la caña de azúcar y de la remolacha; otro disacárido común es la lactosa que se encuentra presente en la leche, además de la maltosa que es empleada para la elaboración de cerveza.
Los polisacáridos son largas cadenas formadas por la unión de muchos monosacáridos mediante enlaces glucosídicos y que además pueden formar ramificaciones de las cadenas, dando origen a moléculas extremadamente grandes y de un elevado peso molecular. Ejemplos de estos compuestos son: el almidón, la celulosa y la quitina.
Los glúcidos tienen gran importancia biológica: energética, ya que su oxidación en el proceso respiratorio brinda a la célula la energía necesaria para cumplir sus funciones: de hecho, los niveles constantes de la glucosa en la sangre son un indicativo de su importancia. También tienen importancia estructural, ya que algunos como la celulosa forma la cápsula de secreción rígida que cubre y protege a las células vegetales.
Práctica: *Identificación de carbohidratos
Lípidos
A los lípidos también se les conoce comúnmente con el nombre de grasas. Los lípidos no son solubles en agua, sino en los llamados solventes orgánicos como el alcohol y la acetona. Constan principalmente de átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno (aunque a diferencia de los carbohidratos, tienen mayor cantidad de átomos de hidrógeno y menor cantidad de oxígeno) por lo que hay mayor cantidad de enlaces C−H que son muy ricos en energía. Por eso las grasas proporcionan más del doble de calorías por gramo que los carbohidratos. Los lípidos o grasas están constituidos por dos componentes fundamentales: glicerol y ácidos grasos.
El glicerol está formado por tres carbonos hidroxilados a manera de los azúcares, mientras que los ácidos grasos son cadenas de 16 a 18 átomos de carbono a los que se encuentran unidos los átomos de hidrógeno y en el extremo de la cadena un grupo carboxilo (−COOH). Una molécula de glicerol se combina con tres moléculas de ácidos grasos para formar una grasa (de ahí el término más técnico de triglicéridos o grasas neutras). Se tienen identificados cerca de 40 ácidos grasos.
Los ácidos grasos se clasifican comúnmente como saturados e insaturados, dependiendo del número de hidrógenos que puedan aceptar en una prueba de laboratorio. Los que no aceptan más de un átomo de hidrógeno se denominan saturados (normalmente las grasa animales) y los ácidos grasos que si pueden ser hidrogenados (normalmente las grasa vegetales) se denominan insaturados o poliinsaturados. Generalmente las grasas animales con ácidos grasos de cadenas largas son sólidas (como la manteca) mientras que las grasas vegetales (aceites de semillas) son líquidas a temperatura ambiente.
Hay lípidos que no contienen ácidos grasos como componentes, como son los terpenos y los esteroides, ambos de gran importancia para los organismos animales, incluido el hombre. Los terpenos incluyen ciertas vitaminas liposolubles como las vitaminas A, E y K y algunos carotenoides, que son pigmentos de las células vegetales que participan en la fotosíntesis. Los terpenos son los componentes que determinan los aromas y sabores de las plantas, como el mentol, el eucaliptol, el olor de los limones y de los geranios.
Los esteroides son un grupo especialmente importante de lípidos, ya que tiene propiedades fisiológicas determinantes para los humanos, a este grupo pertenecen la hormona masculina (testosterona), y las hormonas femeninas (estrógeno y progesterona), también la vitamina D y el colesterol, este último a pesar de su mala fama por estar ligado a la acumulación de lípidos en las arterias, lo que constituye la arteriosclerosis, es importante por formar parte de todas las membranas celulares y por ser precursor de la formación de varias hormonas.
La importancia biológica de los lípidos va in crescendo en comparación a los glúcidos, ya que además de ser altamente energéticos, con importancia estructural al formar parte de las membranas celulares, tiene importancia funcional, al constituir algunas vitaminas y hormonas.
Proteínas
Dentro de las macromoléculas, las proteínas son las moléculas más grandes, diversas y complejas, y son los compuestos orgánicos más abundantes en los animales, al igual que en las plantas las moléculas más abundantes son los carbohidratos.
Químicamente las proteínas están constituidas por átomos de carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno (CHON) por lo que reciben el nombre de elementos cuaternarios, aunque las hay que pueden también contener azufre o fósforo. Estos elementos se organizan en unidades denominadas péptidos o aminoácidos, de los cuales existen 20 diferentes. Los aminoácidos varían en cuanto a su tamaño molecular, pero todos contienen uno o más grupos amino (−NH2) y uno o más grupos carboxilo (−COOH), unidos en una cadena de átomos de carbono mediante enlaces llamados peptídicos que se forman al perderse una molécula de agua entre dos aminoácidos contiguos.
Las proteínas existentes en la naturaleza, son largas cadenas de aminoácidos enlazados que contienen entre 50 y 150 000 unidades peptídicas, y cada uno de estos aminoácidos ocupa en la cadena un lugar exacto, de acuerdo con la fórmula que cada proteína tiene, un solo, cambio en la posición de un aminoácido puede inactivar a la proteína. La secuencia de los aminoácidos en la proteína es la que determina la función de la misma: si es una proteína estructural, una enzima o una hormona.
La principal función de las proteínas en el cuerpo de los animales es de tipo estructural, ya que forman los músculos, el pelo, la piel, las uñas, los cartílagos y los huesos, constituyendo más de la mitad del peso seco de las células. También son fuente de energía pues contienen una cantidad importante de átomos de hidrógeno.
Un grupo muy especial de proteínas son las enzimas, que funcionan como biocatalizadores de las reacciones químicas que se producen en las células. La variedad de enzimas es impresionante ya que cada una de ellas es específica para una determinada reacción y en nuestro organismo se efectúan más de 100,000 reacciones químicas diferentes. Otro grupo de proteínas da origen a las hormonas y un tercer grupo constituye los anticuerpos para la defensa del organismo frente a infecciones de virus y bacterias.
Aunque la dieta animal incluye normalmente proteínas, estas son rotas en sus aminoácidos constituyentes durante el proceso digestivo. Dichos aminoácidos son asimilados en el intestino y llevados a cada célula, donde bajo las órdenes del DNA son reorganizados en nuevas proteínas específicas de cada especie e individuo.
Las proteínas son de máxima importancia: en caso de emergencia, pueden ser metabolizadas para extraerles energía; forman gran cantidad de estructuras, por ejemplo, en las membranas celulares; pero funcionalmente, llegan a los niveles más altos, ya que constituyen gran cantidad de enzimas (agentes catalizadores), hormonas y anticuerpos. Se ha llegado a decir que la parte viva de los organismos son las proteínas.
Práctica: *Desnaturalización de proteínas
Ácidos nucleicos
Los ácidos nucleicos,| presentes en todas las células son dos: el ácido desoxirribonucleico (DNA) que se localiza en el núcleo, las mitocondrias y los cloroplastos y el ácido ribonucleico (RNA) que se encuentra en el nucleolo, el citoplasma y los ribosomas. Químicamente son largas cadenas de nucleótidos, en donde cada nucleótido está constituido por un grupo fosfato, un azúcar de cinco carbonos (pentosa) y una base nitrogenada. Existen dos tipos de nucleótidos, uno, en los que el azúcar es la ribosa y forman el ácido ribonucleico (RNA) y otros en los que el azúcar es la desoxirribosa y forman el desoxirribonucleico (DNA). La otra estructura diferencial de los nucleótidos son las bases nitrogenadas, que pueden ser de dos tipos: púricas como la adenina y la guanina , y pirimídicas como la timina, la citosina y el uracilo. El DNA contiene la adenina (A), la guanina (G), la citosina (C) y la timina (T); el RNA tiene la adenina, guanina y citosina, pero la timina cambia por el uracilo (U).
La estructura de una molécula de ácido nucleico está formada por la secuencia repetida del grupo fosfato y del azúcar, y es la misma en todas las moléculas. Lo que distingue a una molécula de DNA o de RNA de otra molécula de DNA o RNA es la secuencia específica de las bases nitrogenadas.
Los grupos fosfato y las unidades de azúcar de los nucleótidos se alternan entre sí para formar dos largas cadenas que se enrollan entre sí formando la doble columna de la molécula de DNA que se conoce como doble hélice. Las dos cadenas de nucleótidos de la hélice se unen entre sí a través del eje mediante el apareamiento de las bases nitrogenadas. El apareamiento de las bases nitrogenadas sigue una regla muy simple: la adenina (A) siempre se aparea con la timina (T) y la guanina (G) con la citosina (C). Así la timina de una cadena, sólo se unirá a una adenina de la otra cadena que está formada también de unidades de azúcar y grupos fosfato. Se podría comparar al DNA con una larga escalera de forma espiral, los soportes o pasamanos de la escalera son las dos cadenas de azúcar y fosfato. Los peldaños de esta escalera están formados por los pares de bases nitrogenadas adenina − timina y guanina − citosina. Los soportes de la escalera se sitúan en el exterior de la hélice, con los grupos fosfato cargados negativamente hacia fuera, mientras que las bases nitrogenadas quedan en el interior de la hélice.
En la reproducción celular, para la replicación del DNA, primero se desenrollan las dos cadenas de la doble hélice y se separan. Cada una de las cuatro cadenas así formadas serán los moldes para formar las cadenas hijas complementarias. A los nucleótidos de las cadenas originales del DNA (por medio de las enzimas polimerasas) se les aparean los nucleótidos libres que contienen las bases nitrogenadas complementarias, formando así nuevas cadenas hijas. Cada nueva cadena de DNA formada por una original y su cadena hija complementaria se unen y vuelven a enrollarse en forma de doble hélice, dando como resultado dos dobles hélices nuevas de DNA cada una compuesta de una cadena original y de una cadena hija, que es una copia exacta de la otra cadena original.
El RNA, también es un polímero formado por una cadena de nucleótidos, aunque de una sola hebra, por lo que no forma doble hélice. Se diferencia del DNA en que el azúcar que lo forma y que se une al grupo fosfato es la ribosa y la base nitrogenada que se une a la adenina es jel uracilo en vez de la timina. Existen varios tipos de RNA, siendo los más importantes: el RNA mensajero (RNAm) cuya función es transportar la información genética desde el DNA en el núcleo celular hacia el citoplasma, este RNAm contiene la estructura primaria de las proteínas de la célula. El RNA de transferencia (RNAt) que reconoce a los aminoácidos libres y los lleva hasta los ribosomas para sintetizar la parte complementaria y el RNA ribosomal (RNAr) que forma parte de los ribosomas y participa en la síntesis de las proteínas, es decir: DNA → RNA → proteína.
La importancia biológica de los ácidos nucleicos supera la del resto de compuestos orgánicos, ya que desde el punto de vista funcional, almacena y transmite la información genética, además de dirigir y realizar la síntesis de las proteínas. Desde el punto de vista estructural, podemos decir que el DNA constituye a los cromosomas y el RNA forma parte del nucléolo y los ribosomas.