Unidad Didáctica 2: La célula, unidad de estructura y función

Grado en Nutrición Humana y Dietética

Biología

Unidad didáctica 2. La célula, unidad de estructura y función

UD 2. La célula, unidad de estructura y función

3

2.1. Concepto de célula y tipos celulares

6

2.2. Organización procariota: morfoestructura

8

2.2.1. Dominio Bacteria o bacterias verdaderas

8

2.2.2. Dominio Archaea o bacterias primitivas

11

2.2.3. Fisiología bacteriana

13

2.2.4. Biotecnología microbiana (3)

15

2.3. Organización eucariota

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2.3.1. Morfoestructura de la célula eucariota

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2.3.2. Alteraciones de la organización celular: envejecimiento

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2.3.3. Alteraciones de la organización celular: muerte celular

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Resumen

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Mapa de contenidos

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Recursos bibliográficos

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UD 2. La célula, unidad de estructura y función

La biología celular y molecular es una parte de la biología que fue reconocida como tal a finales del siglo XIX (1-4). Su nacimiento como disciplina estuvo ligado al extraordinario desarrollo de las técnicas de microscopia y bioquímica y ha venido a sustituir a los antiguos estudios de citología.

Tuvieron que transcurrir dos siglos desde que en 1665 Robert Hooke utilizara el termino célula (del latín, cella, espacio vacío) para explicar la estructura de la figura 1 (en forma de panal de abejas) de una fina lámina de corcho visualizada en el microscopio hasta que el botánico Shleiden (1838) y el zoólogo Schwann (1839) enunciaran los dos primeros principios de la teoría celular, según la cual la célula es la unidad morfológica y funcional del ser vivo (1-4).

De este modo, la teoría celular pasa a constituir una de las bases fundamentales de la biología. Investigadores como Virchow, Purkinje, Dujardin, Strasburger y Fleming, entre otros, también contribuyeron a la teoría celular, y quedó aceptado universalmente lo siguiente (1-4):

• Todos los seres vivos están formados por células (unidad morfológica).
• La célula es la unidad básica de organización de los procesos de la vida (unidad fisiológica).
• Toda célula procede de otra ya existente (omnis cellula ex cellula).
• La célula contiene y transmite a las células hijas toda la información necesaria para la síntesis de sus estructuras y el control de su funcionamiento (unidad genética de los seres vivos).
• Si por algún mecanismo se alterara la estructura celular, también se alterarían sus funciones, ya que perdería su significado como unidad organizadora y moriría. Así pues, las células son sistemas dinámicos abiertos que están en perpetuo intercambio con el medio.
• Estudios más profundos de ultraestructura y bioquímica nos revelan que no todas las células presentan el mismo grado de organización y complejidad; no obstante, morfológicamente contienen una serie de estructuras, algunas de las cuales se encuentran en todas las células y presentan unas características químicas comunes que nos hacen pensar que descienden de un antepasado común llamado célula primordial o LUCA (last universal common ancestor).
• El contenido de la unidad se centrará en el estudio de la organización celular procariota y eucariota. Se describirán las diferentes estructuras celulares desde el punto de vista morfológico (1,2,3), molecular (4) y funcional (1-4). Aunque se hablará de las características generales de los grandes grupos de procariotas, no se abordará su estudio filogenético.

Ilustraciones de la célula

Figura 1. Ilustración de laminilla de corcho (5).

Figura 2. Robert Hooke (1635-1703) fue el primero en utilizar el término célula. La observación se hizo sobre células muertas del tejido suberoso del corcho en 1665 (6).

Figura 3. Anton van Leeuwenhoek (1632-1723) puede ser considerado el padre de la microbiología. En 1667, gracias a sus microscopios de una lente (de fabricación propia) consiguió observar células libres: bacterias, protozoos, glóbulos rojos, etcétera (7).

Figura 4. Robert Brown (1773-1857) en 1831 descubrió el núcleo celular y los movimientos citoplasmáticos (8).

Figura 5. Johannes Evangelista Purkinje (1787-1869) describió el protoplasma celular y en 1837 descubrió las células neuronales del cerebro que llevan su nombre (9).

Figura 6. Matthias Jakob Schleiden (1804-1881), botánico. En 1838 participó en el enunciado de los dos primeros principios de la teoría celular (10).

Teoría celular

Figura 7. Friedrich Theodor Schwann (1810-1882), zoólogo. En 1839 participó en el enunciado de los dos primeros principios de la teoría celular (11).

Figura 8. Rudolf Virchow (1821-1902) en 1856 reconoció a la célula como la forma más simple de manifestación de la vida (12).

2.1. Concepto de célula y tipos celulares

Una vez establecida la teoría celular, se considera la célula como la unidad morfológica y funcional organizada a partir de la materia viviente en la que, de modo universal, se pueden diferenciar las siguientes estructuras:

• Membrana plasmática que la aísla del medio.
• Masa protoplasmática llamada citoplasma.
• Material genético constituido por ADN.

Si atendemos al tipo de organización celular podemos distinguir, a escala microscópica, dos tipos básicos de arquitectura celular (1,3): organización procariota y organización eucariota.

Organización procariota

Se caracteriza por una organización más sencilla de la estructura celular. Las células procariotas tienen el material genético disperso en el citoplasma celular y, por tanto, no presentan núcleo diferenciado. Tampoco presentan orgánulos membranosos en su citoplasma.

Organización eucariota

Las células eucariotas presentan su material genético protegido por una doble membrana nuclear que lo aísla del citoplasma. También poseen un sistema de membranas intercomunicado que se diferencia en diversos orgánulos con funciones diferentes.

Las células tienen gran diversidad de formas, las que no tienen paredes celulares o membranas rígidas presentan vida libre o viven en colonias que se mueven en medios líquidos, suelen tener forma esférica o globosa. Entre las procariotas podemos encontrar formas circulares (cocos), de espiral (espirilos), de bastón (bacilo), de coma (vibrios), y dentro de las eucariotas, pueden ser, planas, poligonales, estrelladas, fibrilares, etc.

Figura 9. Tipos de bacterias atendiendo a su forma.

El tamaño celular está directamente relacionado con dos factores: la captación de nutrientes del medio (superficie celular expuesta) y el tamaño del núcleo, que ha de ser capaz de mantener todas las estructuras celulares y los recambios.

Origen de la vida y clasificaciones biológicas

El origen de la vida en la Tierra ... ¿ O fuera de ella? (13).

En el año 2017 se cumplieron cincuenta años del artículo «Sobre el origen de las células eucariotas>> de Lynn Margulis (14).

Aristóteles (384-322 a. C.) fue uno de los primeros pensadores que realizó un intento de clasificación de la materia y los seres vivos, agrupando estos últimos en dos grupos, animales y plantas. No fue hasta 1667 cuando Leeuwenhoek observó las primeras células libres (bacterias, protozoos, glóbulos rojos ... ), a las que denominó animáculos. Desde ese momento, fue necesario incluir a los microorganismos en las clasificaciones biológicas.

Carl Linneo (1707-1778) mantuvo dos grandes reinos, Animalia y Vegetalia, e incluyó a todos los microorganismos en una única especie, Chaos infusorium, con características y posición indefinidas.

En el siglo XIX Darwin y otros evolucionistas defendieron que todos los seres vivos descienden de un antepasado común. A partir de aquí, las relaciones evolutivas entre todas las especies comienzan a representarse en forma de árbol. El primer árbol filogenético se elaboró atendiendo a criterios morfológicos. Fue publicado en 1866 por Ernst Haeckel y se organizó en tres reinos: Plantae, Animalia y Protista (microorganismos y esponjas).

El estudio cada vez más profundo y detallado de los microorganismos llevó a la identificación de dos grandes tipos celulares: procariota y eucariota, que animo a los estudiosos al establecimiento de dos superreinos, Prokaryota y Eukaryota.

Los estudios posteriores mostraron la dificultad de inferir relaciones filogenéticas entre los procariotas; no obstante, se llegó a la aceptación de que, probablemente, los procariotas precedieron a los eucariotas en la historia de la vida y los eucariotas unicelulares precedieron a los pluricelulares. Todo ello llevó a la elaboración de esquemas evolutivos globales entre los que destacó la clasificación de «Los cinco reinos» de Robert Whittaker (1969): Monera, Protista, Fungi, Plantae y Animalia.

Clasificación de los dominios

En la segunda mitad del siglo XX, los estudios genéticos moleculares y, especialmente, los estudios del ARN ribosómico 16S supusieron una revolución para la reconstrucción de la filogenia. Las primeras filogenias globales basadas en ARN ribosomico 16S/18S fueron publicadas por el grupo de Carl Woese (1977 y 1990), mostraban una división profunda en tres grandes bloques; de este modo, se establecieron tres grandes grupos a los que se les atribuyó el nombre de dominios («Los tres dominios») y que se mantienen hasta la actualidad. Son los siguientes: Bacteria, Archaea y Eukarya (15).

2.2. Organización procariota: morfoestructura

Células procariotas (del griego pro, 'antes', y karyon, `núcleo').

El término procariota se refiere al tipo de organización celular. No es una categoría taxonómica válida, como se indicó con anterioridad, pero agrupa dos líneas de desarrollo independiente que determinan dos dominios: Bacteria y Archaea (1).

Representan un grupo de organismos que no tienen un nucleo diferenciado. El ADN está disperso en el citoplasma celular y presentan una organización más sencilla que la de las células eucariotas.

Tienen tamaño microscópico que oscila desde los más pequeños, como el Mycoplasma (125 nm), a las más grandes, como las cianofíceas (500 veces el tamaño del micoplasma).

Los procariotas llevan 3500 millones de años en el planeta y representan el grupo de organismos unicelulares más abundantes de la biosfera (su biomasa sería equivalente a la de todos los vegetales); se estima que existen aproximadamente diez millones de especies y colonizan todos los nichos ecológicos. Su presencia es fundamental para el mantenimiento de la biosfera.

Estudios de características genéticas relevantes y de análisis y composición de genes esenciales como el que codifica para la síntesis de ARN ribosomico 16S han llevado a la conclusión de que Archaea y Eukarya comparten un antepasado común.

Se clasifican, como hemos dicho al principio, en dos dominios:

• Dominio Archaea
• Dominio Bacteria

2.2.1. Dominio Bacteria o bacterias verdaderas

Bacteria es el dominio más amplio y el que contiene el mayor número de especies y géneros conocidos. Presenta muy diversos metabolismos, genética y ecología (1,2).

A este grupo pertenecen los micoplasmas (bacterias más simples), las bacterias en sentido estricto y las cianobacterias o algas cianoficeas con metabolismo fotosintético semejante al de las plantas verdes con pigmentos, como clorofila (verde), ficocianina (azul) y ficoeritrina (rojo).