FUNDAMENTOS DE BIOLOGÍA Y FISIOLOGÍA CELULAR

Introducción a la Fisiología

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Contenido de la Unidad

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  • Actividades de aprendizaje

FUNDAMENTOS DE 

BIOLOGÍA Y FISIOLOGÍA CELULAR

PARTE 1

FISIOLOGÍA CELULAR GENERALIDADES

INTRODUCCIÓN

 

La presente unidad presenta un panorama general desde el punto de vista histológico de la manera en como se organizan los tejidos corporales, especialmente el referente al sistema nervioso. La fisiología se ocupa de describir las funciones que dan origen a las actividades de todas las células y de los sistemas vivientes. Por su parte la anatomía explica las estructuras que lo conforman. Se conocerá como está conformada una célula, el proceso evolutivo y los factores genéticos que intervienen en el funcionamiento de la misma. Es importante que el alumno se apropie de los conceptos y definiciones encontradas en este capítulo, ya que le servirán de base para los siguientes capítulos. Aunque existen diferencias marcadas entre las diversas células corporales, todas poseen algunas características básicas parecidas. La evolución del ser humano ha dado como consecuencia una serie de transformaciones que le permiten actuar de manera consciente y precisa ante diversas situaciones. Si bien es cierto, este proceso inicia a nivel celular, teniendo en consideración que la célula es la unidad viva, estructural y funcional de todo organismo. Los cambios que ocurren se presentan de forma paulatina, desarrollando funciones, creando nuevas estructuras y atrofiándose las que no son necesarias para el funcionamiento del órgano o sistema en general. Afortunadamente la información va pasando de generación en generación gracias a los cromosomas que, bajo condiciones normales, guardan todos estos cambios en una secuencia de ácido desoxirribonucleico (DNA).

OBJETIVOS DE APRENDIZAJE:

  • Conocer los conceptos fundamentales de la biología básica

  • Conocer la conformación estructural y funcional de la célula

Antes de comenzar a adentrarnos en la conformación estructural y funcional de la célula es importante recordar algunos conceptos básicos que nos permitirán comprender de mejor manera el contexto biológico del tema a tratar.

Iniciaremos recordando ¿que es un átomo?

El átomo es la parte más pequeña en la que puedes dividir un elemento.

El concepto de átomo de forma estricta es la partícula más pequeña en la que se puede dividir un elemento sin perder sus propiedades químicas. Inicialmente la palabra átomo, de origen griego, quiere decir “indivisible”. Hoy en día ya se conocen las partículas subatómicas de las que se compone un átomo y se sabe cómo un átomo puede ser fisionado.

Un átomo se compone de tres partículas subatómicas (electrones, protones y neutrones). Estructuralmente se compone de un núcleo, y de una corteza. En el núcleo es donde se encuentra toda la masa del átomo.

ELECTRONES: Los electrones son partículas sin prácticamente masa, y con carga negativa. Se mueven alrededor del núcleo.


PROTONES: Los protones si tienen masa y se encuentran en el núcleo del átomo, junto a los neutrones. Los protones tienen carga positiva.


NEUTRONES: Los neutrones se encuentran en el núcleo del átomo, tienen la misma masa que los protones y no tienen carga.

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Los protones, neutrones y electrones son las partículas subatómicas que forman la estructura del átomo. Lo que diferencia a un átomo de otro es la relación que se establecen entre ellas.

 

ISÓTOPOS

El átomo de un mismo elemento puede variar en su número de neutrones en el núcleo. En este caso estamos hablando de un isótopo. La mayoría de los elementos tienen diferentes isótopos, que le dan diferentes características a los átomos. En isótopo más estable es el del átomo que tiene el mismo numero de neutrones que de protones. En el momento que aparece un isótopo donde hay 2 o más neutrones que protones, el  átomo es inestable, y emite radiaciones, conocidas como radiactividad. Un isótopo muy conocido sería el del Carbono – 14, utilizado para poder poner fecha de antigüedad en elementos orgánicos (huesos encontrados).

MODELO DE BOHR. NIVELES DE ENERGÍA. ELECTRONES POR CAPA

Según el modelo atómico de Bohr, los electrones se mueven en diferentes órbitas específicas y cada órbita con un nivel de energía específico. Cada electrón puede saltar de una órbita a otra, liberando energía en caso de que baje a una órbita de nivel de energía inferior y absorbiéndola en caso de que suba a una órbita de un nivel de energía superior.

Cada órbita, o cada nivel puede albergar diferentes niveles pueden albergar diferente número de electrones . Según la cantidad de electrones que tenga cada átomo va completando los diferentes niveles. En el primer nivel 2 electrones, en el nivel 2 hasta 8 electrones, y así sucesivamente según la siguiente tabla:

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Los átomos pierden o ganan electrones al reaccionar con otras sustancias, en base a lo que les falta o sobra para completar una capa. Un ejemplo, el hidrógeno que tiene 1 electrón, tiende a perderlo, quedándose con carga 1+. Esto es lo que se conoce como número de oxidación. Los elementos, como el Helio, que tiene sólo 2 electrones y tienen una capa estable completa, suelen ser muy poco reactivos y de ahí que se conozcan como gases nobles, por su poca o nula reactividad.

El número de electrones de cada átomo lo puedes conocer a través de la tabla periódica. La tabla periódica está ordenada por el número de protones de cada elemento. Es decir el número atómico de la tabla periódica es el número de protones. Cada átomo tiene el mismo número de electrones que de protones.

TABLA PERIÓDICA

La tabla periódica ordena a los átomos tanto por su número atómico (número de protones) como por su masa atómica y nos da gran información sobre cada uno de los elementos, según el grupo al que pertenecen.

ENLACES QUÍMICOS

Los enlaces químicos que se producen entre los átomos es la base de toda la comprensión de las propiedades de la materia, desde el punto de ebullición, de fusión, densidad, dureza, conductividad, reacciones… Aquí puedes leer todo sobre enlaces químicosenlace iónicoenlace covalente y enlace metálico

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PROPIEDADES QUE DA LA ESTRUCTURA ATÓMICA

Casi todas las propiedades físico-químicas de los elementos nos la da su átomo: la densidadconductividad, puntos de fusión y de ebullición,… También hay algunas características como la radioactividad o fluorescencia que viene definida por la estructura atómica de los elementos.

RADIOACTIVIDAD

La radioactividad es una de las propiedades de los átomos que más atrae y asusta a la vez. Se conocen los daños que causan los elementos radiactivos, y por otro lado se conoce la gran fuerza del núcleo atómico, a través de la fisión de su núcleo.

La radioactividad, en forma de radiaciones α, β y γ se produce cuando el núcleo no tiene el número de protones y neutrones equilibrado. Puedes ver más información sobre la radioactividad aquí: radioactividad.

FLUORESCENCIA

 

La fluorescencia es la capacidad que tienen determinados átomos para emitir luz visible cuando son irradiados con luz ultravioleta. Es un fenómeno realmente interesante, vistoso y además útil en muchas aplicaciones. 

 

Continuando con el orden de conceptos importantes, es preciso ahora recordar lo que es una molécula.

 

MOLÉCULA

 

Es la partícula más pequeña que incorpora todas las propiedades físicas y químicas de una sustancia.

Una molécula se encuentra formada por dos o más átomos. Los átomos que forman las moléculas pueden ser iguales (por ejemplo, la molécula de oxígeno (dioxígeno), que cuenta con dos átomos del elemento), o distintos (la molécula de agua, que tiene dos átomos de hidrógeno  y uno de oxígeno). Cada molécula de una sustancia compuesta constituye la porción más pequeña de materia que conserva las propiedades químicas de dicha sustancia.

 

​Por ejemplo, si vemos una bolsa de sal  de cocina como un todo, podremos apreciar que ese todo es un polvillo de color blanco. Ahora, si observamos más de cerca, vemos que ese polvillo está conformado por gránulos diminutos de configuración espacial, como si fueran pequeñas cajitas. Estas cajitas, a su vez, están formadas por agrupamientos de varias unidades, las cuales se denominan moléculas. En el caso de la sal, las moléculas serían de cloruro de sodio.

 

Las moléculas sólo se hallan perfectamente individualizadas en los gases en estado de movimiento rectilíneo desordenado, en cuyo caso su interacción se limita a choques muy breves. En los líquidos, si bien las moléculas se desplazan libremente, existe un mayor contacto intermolecular. En los sólidos, las moléculas ocupan por lo general posiciones fijas en los nudos de redes cristalinas. Los agregados atómicos moleculares pueden ser polares o no polares. En el primer caso, las moléculas forman pequeños dipolos y es la atracción que se manifiesta entre éstos lo que causa la unión intermolecular. En las moléculas no polares, la unión es debida únicamente a las fuerzas de Vander Waals, que, por ser más débiles, corresponden a compuestos de bajo punto de fusión.

 

​DIMENSIONES

 

Las dimensiones de la molécula dependen de las características y del número de los átomos que la forman, y pueden ir desde 2,4 ångström (molécula de hidrógeno) hasta longitudes perceptibles a simple vista (moléculas orgánicas o macromoléculas). La masa de las moléculas es extremadamente pequeña, ya que guarda relación con sus dimensiones, lo que hace evidente la necesidad de recurrir a unidades de masa especiales, tales como la molécula gramo o mol, que equivale a la masa de un cuerpo que en estado gaseoso ocupa el mismo volumen que 32 g de oxígeno (dado que la molécula de este elemento consta de dos átomos).

 

​Por su parte, el volumen molecular, volumen ocupado por una molécula gramo de gas a 0 °C y a la presión atmosférica (760 mm de mercurio), es de 22,4 litros. Así, el número de moléculas de que consta una molécula gramo es una constante universal (conocida como «número de Avogadro»), cuyo valor es 0,023 . 1023. Las moléculas se encuentran en constante movimiento, lo que se conoce como vibraciones moleculares (que pueden ser de tensión o de flexión). Sus átomos se mantienen unidos gracias a que comparten o intercambian electrones.

 

Cabe destacar que las moléculas pueden ser neutras o presentar carga eléctrica. En este último caso, se las denomina Ion-molécula o Ion poliatómico. Cuando dos o más átomos iguales o diferentes se unen entre sí formando una agrupación estable, dan lugar a una molécula. Así, los gases hidrógeno (H2) y oxígeno (O2) están constituidos por moléculas diatómicas, en las cuales los dos átomos componentes son esencialmente iguales. Cuando dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno se unen forman el agua (H2O). Y cuando cuatro átomos de hidrógeno se enlazan con uno de carbono forman el gas metano (CH4).

​FORMACIÓN

 

Ante la diversidad de elementos químicos existentes en la naturaleza, cabe preguntarse cuál es la razón por la que unos átomos se reúnen formando una molécula y otros no. Una primera respuesta puede hallarse en la tendencia observada en todo sistema físico a alcanzar una condición de mínima energía. Aquella agrupación de átomos que consiga reducir la energía del conjunto dará lugar a una molécula, definiendo una forma de enlace químico que recibe el nombre de enlace covalente. Esta unión química permite que dicho enlace no se disocie con facilidad y de esta manera se forma una molécula.

 

FORMULAS QUÍMICAS

 

Las sustancias compuestas se representan mediante una combinación de símbolos químicos de los elementos que las constituyen. Esta forma de representación, introducida por el químico sueco Jöhn J. Berzelius, posee un doble significado, pues no solo indica qué elementos están presentes en un compuesto dado, sino también en qué proporción los átomos respectivos participan en la formación de su molécula. 

 

Cada símbolo en una fórmula química equivale a un átomo de la sustancia simple correspondiente. Los subíndices que pueden aparecer en una fórmula hacen referencia al número de átomos de cada molécula. Si se toma en consideración la masa de los átomos, la fórmula de una combinación química expresa, además, la proporción en masa en la que los elementos intervienen formando una sustancia compuesta dada.

 

Así, la fórmula del amoníaco, NH3, indica que esta sustancia resulta de la combinación de hidrógeno y nitrógeno a razón de tres átomos de hidrógeno por cada uno de nitrógeno, o, en otros términos, en la proporción de 3 x 1,008 gramos de hidrógeno por cada 1 x 14,007 gramos de nitrógeno. Este tipo de fórmula, llamada también fórmula empírica o molecular, no indica, sin embargo, nada sobre la estructura de la molécula; es decir, sobre la forma en que sus átomos componentes y los enlaces entre ellos se distribuyen en la molécula.

 

COMPUESTOS QUÍMICOS

 

Las sustancias que resultan de la unión química de dos o más elementos se denominan compuestos químicos. De esto se infiere que un compuesto va a estar formado por dos o más átomos diferentes. Y que para que un determinado compuesto se pueda formar, los átomos que lo constituyen deben unirse en proporciones fijas y exactas. 


Los compuestos se representan a través de una fórmula química. Por ejemplo, la sal común se denomina cloruro de sodio y se forma al unirse un átomo de sodio con un átomo de cloro y por lo tanto, la fórmula química de este compuesto es NaCl.


Otro ejemplo es el caso de la glucosa, cuya fórmula química es C6H12O6. Esto significa que participan seis átomos de carbono, doce átomos de hidrógeno y seis átomos de oxígeno. Si se varía la proporción de átomos se formará un compuesto distinto.

 

CLASIFICACIÓN

 

Dependiendo de su composición química, específicamente, de si contienen átomos de carbono (C) o no, los compuestos químicos se pueden clasificar en dos grupos.


Así, existen los compuestos orgánicos, que son todos aquellos en los cuales el componente más importante es el carbono. Este se une con otros elementos, como pueden ser el oxígeno, hidrógeno u otros. La gran mayoría de los compuestos que existen en la naturaleza son orgánicos. Algunos de ellos son:

 

 

Otro grupo lo constituyen los Compuestos inorgánicos, que son todos los compuestos formados por distintos elementos, pero cuyo componente principal no es el carbono. Por ejemplo, el agua es igual a H2O, y eso es igual a 2 átomos de hidrógeno más 1 átomo de oxígeno. Otros compuestos inorgánicos son:

 

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CONFORMACIÓN ESTRUCTURAL Y FUNCIONAL DE LA CÉLULA

La célula es  la unidad anatómica, fisiológica y de origen de todo ser vivo. Cada célula es una porción de materia constituida y organizada capaz de desarrollar todas las actividades asociadas a la vida: nutrición, relación y reproducción, de tal modo que se puede considerar un ser con vida propia.

En el interior de las células tienen lugar numerosas reacciones químicas que les permiten crecer, producir energía y eliminar residuos. La célula obtiene energía a partir de sus alimentos y elimina las sustancias que no necesita. Responde a los cambios que ocurren en el ambiente y puede reproducirse dividiéndose y formando células hijas.

Todos los organismos vivos están formados por células, y según tengan una o mas células, pueden ser clasificados en unicelulares (las bacterias, la euglena, la amiba, etc.) y pluricelulares (el hombre, la flora y la fauna).

Es importante conocer el cuerpo a nivel de organización celular debido a que las diversas actividades vitales se llevan a cabo en las células y, por consiguiente, en ellas se gestan los procesos tanto fisiológicos como los patológicos del organismo. El metabolismo hace referencia a todas las reacciones químicas del organismo. Las reacciones químicas involucran formar o romper los enlaces entre los átomos, según requiera el gasto celular. Cuando dos a más átomos se combinan para formar moléculas nuevas y más grandes el proceso recibe el nombre de reacción de síntesis (anabolismo). Este proceso se puede expresar de la siguiente forma: A + B A B Donde A y B son los reactivos y AB el producto final. Un ejemplo de reacción de síntesis es: 2H + O H2O Átomo de hidrógeno átomo de oxígeno molécula de agua - Por otra parte, las reacciones de descomposición (catabolismo) desdoblan o rompen los compuestos orgánicos complejos en compuestos orgánicos más simples. Una reacción de descomposición se representa de la siguiente forma: A B A + B Tomando el ejemplo anterior, donde el anabolismo del hidrógeno y oxígeno da como resultado la formación de una molécula de agua, para el caso del catabolismo tenemos: H2O 2H + O molécula de agua átomo de hidrógeno átomo de oxígeno - En tanto que casi la totalidad de las reacciones de anabolismo necesitan energía, las reacciones catabólicas proporcionan la energía requerida para que puedan llevarse acabo las primeras. Todas estas importantes y necesarias para el buen funcionamiento celular. Aproximadamente el 60 % del peso corporal de un adulto esta constituido de agua. Este líquido se encuentra distribuido en los espacios intracelular y extracelular, este ultimo se divide a su vez en dos compartimentos: espacio intersticial (entre las células) y espacio intravascular (dentro de los vasos sanguíneos). Este líquido se encuentra en constante movimiento tratando de mantener la homeostasis, sirviendo como medio de transporte de oxígeno, nutrientes, sustancias tóxicas, entre otras. Ahora bien, para que se pueda comprender como se lleva a cabo la función de las diversas estructuras orgánicas, es menester conocer la organización celular y los componentes de ella. Una célula se define como la unidad básica, anatómica y funcional del organismo. La rama de la ciencia encargada del estudio de la célula se llama citología (cit = célula; logos = tratado). Analizaremos estructuralmente una célula animal. Desde el punto de vista general, a la célula la podemos dividir en cuatro partes principales: la membrana celular, el citoplasma, los organelos y, las inclusiones plasmáticas (Figura 1).

 

Para que las células de un organismo funcionen, el interior de la célula (citoplasma) tiene que estar separado del exterior. La membrana de la célula está formada por una doble capa de fosfolípidos, (Los fosfolípidos son los principales componentes de la membrana celular, así como también lo son de la estructura liposomal. Forman parte de los llamados lípidos estructurales, y, como molécula, su característica principal es su caracter anfifílico, es decir una parte de la molécula tiene afinidad por el agua, hidrófila, y la otra por la grasa, lipófila. Estos fosfolípidos pueden tener distintos orígenes o fuentes; naturales, sintéticos o semisintéticos.) que comprende cabezas de fosfolípidos hidrofílicos y colas de ácidos grasos hidrofóbicos; de este modo, el agua y los solutos están en contacto con ambos lados de la doble capa de fosfolípidos pero no pueden atraversarla. Las proteínas integrales de la membrana abarcan la doble capa de fosfolípidos, permitiendo el paso de moléculas cargadas e hidrofílicas hacia el exterior o el interior de la célula. Las membranas fosfolípidas tienen que ser lo suficientemente fluidas para permitir que las proteínas encerradas por las membranas entren y salgan de la membrana misma, al tiempo que retienenh la solidez necesaria para evitar fugaz, las proteínas y los lípidos son sensibles a la temperatura, así que la función de la membrana cambia cuando la temperatura corporal del animal varía. Algunos animales sustituyen sus lípidos y proteínas al aclimatarse a temperaturas ambientales cambiantes. Los animales que se acercan a su límite térmico, corren el riesgo de aumentos de temperatura corporal capaces de alterar de forma irreversible la estructura y la función de proteínas y lípidos.

De la célula procariota a la eucariota

Células procariotas

Un hito importante en la historia de la evolución fue la aparición de las primeras células procariotas, células relativamente espontánea y evolucione para adaptarse a un nuevo azúcar como fuente de carbohidratos, o bien, que se haga resistente a determinado antibiótico. Las bacterias se clasifican en dos grandes grupos de acuerdo con su hábitat.

  • Las eubacterias, que viven en los ambientes normales (suelo, agua, plantas y otros organismos superiores)

  • Las archaebacterias, que se han adaptado a vivir en condiciones sumamente adversas (fondo del mar, fuentes termales, zonas ricas en gases sulfurosos, etc.

A pesar de su relativa simplicidad (o quizás por ello), las bacterias se alimentan con todo tipo de sustancias: azúcares sencillos o complejos, grasas, proteínas, hidrocarburos, polisacáridos, etc. Algunas incluso pueden aprovechar el CO2 como fuente de carbono y el N2 como fuente de nitrógeno.

En la actualidad son, sin duda alguna, los habitantes más abundantes del planeta Tierra, han sobrevivido durante más tiempo y probablemente son los que sobrevivirán más.

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LA CÉLULA EUCARIOTA

La célula eucariota tiene en la actualidad una estructura organizada. A medida que la atmósfera se enriquecía con oxígeno, pereció una parte de las células primitivas que no pudieron adaptarse a estas nuevas condiciones. Otras desarrollaron una capacidad para respirar, o bien, tuvieron que ocultarse en lugares donde el oxígeno estaba ausente para conservar su condición de anaerobias. Sin embargo, una tercera clase descubrió que si se unía en simbiosis con una célula aerobia podía sobrevivir y desarrollarse de un forma mucho más rica.

Ésta es la hipótesis más viable para la organización metabólica de las células eucariotas de hoy día que se estudia en detalle más adelante (cuadro 1-1).

Por definición y en contraste con las células procariotas, las células eucariotas tienen una estructura organizada y disponen de un cierto número de organelos. En particular, tienen un núcleo, separado del resto de la célula mediante una membrana nuclear, que es casi por completo de DNA.

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El resto de la célula está constituido por el citoplasma, lugar donde se realiza la mayor parte de las reacciones metabólicas y donde se encuentra un cierto número de organelos. Éstos se tratan con mayor detalle más adelante; entre ellos destacan:

  • Mitocondrias y cloroplastos:

  • Retículo endoplásmico liso (fino) y retículo endoplásmico rugoso (grueso);

  • Aparato de Golgi;

  • Ribosomas;

  • Lisosomas y peroxisomas;

  • Citoesqueleto;

  • Vacuolas;

  • Flagelos.

Una membrana más o menos organizada rodea la célula eucariota, como las procariotas; dicha membrana está constituida fundamentalmente por fosfolípidos y proteínas específicas que tienen diferentes funciones.

Al parecer, las mitocondrias evolucionaron a partir de algún organismo procariota que se unió en simbiosis con algún otro organismo primitivo anaerobio. En efecto, en muchos aspectos, las mitocondrias se parecen a los organismos procariotas:

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  • Tienen un tamaño y forma parecidos;

  • Se multiplican por división:

  • Contienen su propio DNA;

  • El proceso de respiración se efectúa exclusivamente en ellas;

  • Muchas bacterias actuales respiran igual que las mitocondrias.

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Mediante esta simbiosis, primitivos eucariotas anaerobios podrían haber sobrevivido en un ambiente cada vez más rico en oxígeno, utilizando la capacidad del procariota asociado para producir energía mediante el consumo de oxígeno atmosférico.

La adquisición de mitocondrias tuvo, sin duda, importantes repercusiones. Al ocuparse sólo de la respiración, permitió que la membrana se especializara en otras funciones, a diferencia de lo que ocurre en los procariotas; en éstos se debe conservar un gradiente importante de H+ en la membrana plasmática para producir ATP.  Por consiguiente, la membrana eucariota pudo crear canales iónicos y otros organelos —receptores— especializados en el intercambio de señales.

Los cloroplastos llevan a cabo la fotosíntesis de la misma manera que las cianobacterias: absorben la luz solar con la clorofila que existe en sus membranas. También los cloroplastos manifiestan similitudes notables con las cianobacterias:

  • Son similares en forma y tamaño;

  • Las membranas en las que se encuentra la clorofila están dispuestas en capas;

  • Se reproducen por división;

  • Contienen DNA con secuencias muy parecidas al DNA bacteriano.

Todo ello apunta a que los cloroplastos evolucionaron a partir de las cianobacterias que se unieron en simbiosis a alguna célula eucariota primitiva. Este tipo de simbiosis es relativamente frecuente y,en la actualidad, se conocen células eucariotas que tienen auténticas cianobacterias en su interior.

La teoría de la evolución de los eucariotas a partir de la hipótesis simbiótica se ilustra en la siguiente figura:

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TEORÍA ACTUAL DE LA ENDOSIMBIOSIS COMO ORIGEN DE LA CÉLULA EUCARIOTA

La célula eucariota se distingue también por una red proteica, el citoesqueleto, que sitúa y desplaza los organelos en la célula. Todos los vegetales, los hongos y los animales son eucariotas. Su DNA está en uno de los organelos, el núcleo.

Además del retículo endoplásmico y el complejo de Golgi, que intervienen en la síntesis de ciertas proteínas, los otros dos compartimientos que desempeñan un papel sustancial ya que suministran energía a la célula son las mitocondrias (del griego mitos, filamento, y khondros, grano), las cuales se ocupan de la respiración celular, y los plastos de los vegetales, donde tiene lugar la fotosíntesis o conversión de la energía luminosa en energía química.

Algunos organelos pueden desaparecer y volverse a formar. Es el caso del núcleo durante la división celular, del aparato de Golgi y del retículo. Pero las mitocondrias y los plastos proceden siempre de la división de mitocondrias y plastos preexistentes. A finales del siglo XIX, esta particularidad hacía pensar ya en bacterias que se dividían por bipartición en el citoplasma. Las mitocondrias y los plastos eran organismos vivos, instalados en simbiosis en la célula.

En 1883, el investigador alemán A. Schimper observó: “Si se establece definitivamente que los plastos nunca se forman de novo en la célula huevo, entonces su situación en la célula donde se encuentran recuerda la de los simbiontes. Es posible que una planta verde no sea otra cosa que la unión entre un organismo incoloro y un microbio que posee los pigmentos clorofílicos.” Otros autores le pisaron los talones a principios del siglo XX, pero toparon, lamentablemente, con la incredulidad de sus colegas. Ocurrió como con la deriva de los continentes de Alfred Wegener: los argumentos propuestos no bastaron para afianzar la intuición.

En particular, fracasaron todos los intentos de aislamiento y cultivo in vitro del microbio verde. Varios autores propusieron para estos organelos un origen autógeno a partir de repliegues de la membrana plasmática. Los progresos de la biología iban a brindar otros argumentos a la idea según la cual las mitocondrias y los plastos derivan de bacterias.

La microscopia electrónica demostró que los organelos de los eucariotas están limitados por una membrana lipídica simple, salvo tres de ellos: el núcleo, rodeado por membranas provistas de poros que lo ponen en continuidad con el citoplasma, y los plastos y las mitocondrias, separados del citoplasma por dos membranas continuas. Además, la organización de la estructura de estos dos últimos organelos evoca la de ciertas bacterias. Por ejemplo, las membranas fotosintéticas o tilacoides de los plastos de ciertas algas (las algas rojas) evocan en gran medida a los tilacoides de bacterias fotosintéticas, las cianobacterias. Los adelantos de la bioquímica pusieron de manifiesto otros parecidos sorprendentes. Los lípidos de las membranas que rodean a las mitocondrias existen en ciertas bacterias, pero no en otras partes de la célula eucariota. En cuanto a los lípidos característicos de las membranas de los plastos, se les encuentra en las cianobacterias. Además, las mitocondrias y los plastos desempeñan ciertas funciones metabólicas que efectúan también ciertos procariotas libres.

La fotosíntesis se consuma de manera casi idéntica en las cianobacterias y los plastos. Las reacciones de oxidorreducción ligadas a la actividad energética de las mitocondrias y de los plastos requieren la intervención de cadenas de transferencia de electrones membranosas parecidas a las de los procariotas: colaboran en ellas unas complejas proteínas homólogas, como los citocromos.

Pero el argumento principal fue el descubrimiento de un genoma en los plastos en 1962 y luego en las mitocondrias al año siguiente. Este DNA se parece al de los procariotas:

no está aislado dentro del organelo y se presenta en forma de varias copias idénticas de una molécula circular. El DNA se duplica y se transfiere durante la bipartición del organelo como en el caso de los procariotas libres. En las mitocondrias y los plastos existen ribosomas que sintetizan proteínas y son más pequeños que los del citoplasma de la célula. De hecho, tienen el tamaño y la composición del RNA de los ribosomas de los procariotas.

Por todas estas razones, la hipótesis del origen simbiótico de las mitocondrias y de los plastos halló adeptos en los años 1970, como Lynn Margulis, de la Universidad de Amherst (Massachusetts), y Sarah P. Gibbs, de la Universidad McGill en Montreal. La biología molecular subrayó todavía más el parentesco entre estos organelos y los procariotas. Es el caso, por ejemplo, de las zonas promotoras de los genes, es decir, de las secuencias reconocidas para proteínas que aseguran su transcripción en RNA. Se descubrieron actualmente genes homólogos (que tienen el mismo origen evolutivo) de genes bacterianos en el genoma de las mitocondrias y de los plastos. Sería sorprendente encontrar bacterias en el citoplasma de eucariotas. En realidad, semejante modo de vida no es raro entre los eucariotas: se le designa endosimbiosis. Este modo de vida es el de ciertos microorganismos patógenos, como la bacteria causante de la listerosis o de la fiebre tifoidea. Pero también, el de numerosos animales unicelulares, los protozoarios, que son colonizados por varias bacterias.

Kwang W. Jeon, de la Universidad de Tennessee, describió la aparición de una endosimbiosis entre las amebas, a raíz de una infección que diezmó un cultivo de laboratorio en 1966.

Algunas amebas sobrevivieron a la presencia de bacterias en su citoplasma: veinte años más tarde, todavía contienen unas 42 000 bacterias por célula. Pero hay más: esta asociación se ha vuelto forzosa. Las amebas ya no pueden sobrevivir si se da muerte a sus compañeros citoplasmáticos aumentando la temperatura. Otro ejemplo clásico: las plantas de la familia de las leguminosas (trébol, guisante) poseen en sus raíces unos nódulos cuyas células albergan bacterias del género Rhizobium. Estas bacterias, llegadas del suelo, ayudan a la planta a alimentarse fijando el nitrógeno atmosférico. Estos microorganismos unicelulares están rodeados siempre por dos membranas: la membrana interna, que es la de la bacteria, y la membrana externa procedente de la membrana plasmática del hospedero, que rodea a la bacteria durante su penetración en la célula. No obstante, el origen de la membrana externa de las mitocondrias y los plastos es objeto de controversia (en el caso de los plastos, contiene lípidos de tipo procariota y sería de origen mixto). ¿Cuántos sucesos de endosimbiosis han tenido lugar en el curso de la evolución? ¿Cuáles son los procariotas actuales más próximos a los que viven en endosimbiosis? La biología molecular actual puede empezar a responder estas preguntas gracias a la comparación de los genes de los organelos con los genes homólogos de los procariotas. Las secuencias de los genes se alinean y luego se comparan visualmente o por medio de programas de computadora que descubren parentescos en forma de árboles fiogenéticos. Se averigua así que las mitocondrias forman un grupo homogéneo: todas ellas descenderían de una bacteria ancestral única. Se supone que un solo suceso de endosimbiosis se produjo en un antepasado de la mayoría de los eucariotas actuales.

Se conocen descendientes directos de estos eucariotas primitivos, como el parásito intestinal Giardia. Trabajos recientes indican que el ancestro de las mitocondrias es parecido a un grupo de bacterias que usa oxígeno y que engloba, entre otros, al agente de la fiebre tifoidea, Rickettsia, y a varias bacterias simbióticas de artrópodos. Las bacterias de este grupo comparten varios caracteres con las mitocondrias, como la vida intracelular obligatoria, la utilización de oxígeno y la producción de una pequeña molécula de transferencia de energía, el ATP (trifosfato de adenosina), por medio de una vía metabólica llamada ciclo de Krebs.

Tal vez, las mitocondrias se consolidaron hace 2 000 o 3000 millones de años, en el periodo precámbrico, lo cual constituye una etapa fundamental para los eucariotas. Esta etapa supone la ventaja de la respiración celular: sin mitocondrias, la célula eucariota no puede utilizar el oxígeno para oxidar los azúcares y producir su energía. Es posible incluso que los eucariotas primitivos fueran sensibles al oxígeno, como lo son en la actualidad los eucariotas carentes de mitocondrias. Las primeras mitocondrias, al consumir el oxígeno, pudieron desempeñar el papel de protector ante las células que las albergaban: el oxígeno genera derivados tóxicos para las células que no poseen las enzimas necesarias para inactivarlos.

En la actualidad, son raros los eucariotas desprovistos de estos organelos: dicha endosimbiosis parece haber sido determinante para el éxito evolutivo de los eucariotas.

Más tarde, ciertos eucariotas que originaron los diversos linajes de vegetales habrían logrado conformar los plastos, tal vez hace alrededor de 1200 o 2 000 millones de años. La diferencia entre estos linajes son los pigmentos fotosintéticos que utilizan para captar la energía luminosa. Ya se mencionaron las algas rojas. Su equipo pigmentario recuerda el de las cianobacterias (clorofila a y ficobilisomas que les dan su color rojo). Se distinguen también los vegetales verdes, que agrupan las algas verdes y sus descendientes, los vegetales terrestres: carecen de pigmentos proteicos rojos, pero están dotados de clorofila tipo a y b. La información molecular indica que los plastos verdes y rojos habrían surgido a partir de un mismo linaje. Las cianobacterias actuales son, a menudo, simbióticas y se unen a hongos, helechos o, incluso, viven en endosimbiosis en protozoos o esponjas, por ejemplo.

Lo que puede sorprender, en cambio, es que el equipo pigmentario de los plastos verdes es muy distinto al de las cianobacterias. La pérdida de los ficobilisomas y la producción de la clorofila b se produjeron varias veces en las cianobacterias durante su evolución. En 1975, Ralph A. Lewin, de la Universidad de Yale, descubrió Prochloron, un procariota carente de ficobilisomas pero que posee clorofila b. Desde entonces se han descubierto otros organismos parecidos y se ha propuesto crear para ellos el grupo de los proclorofitos. Pero la información molecular indica que, en realidad, estos organismos aparecieron en diversas ocasiones entre las cianobacterias y forman linajes diferentes, sin ninguna relación con los plastos de los vegetales verdes. Si bien los ancestros de los plastos rojos y verdes son próximos, por no decir idénticos, parece probable que en el origen de las algas rojas y las plantas verdes hubiera dos hospederos eucariotas diferentes.

En ciertas algas, los plastos presentan la impensada particularidad de estar rodeados no de dos, sino de cuatro membranas. ¿Cómo explicarlo? Estas algas pertenecen al grupo de las heterocontas: comprende las algas pardas de las costas mexicanas, como el fucus, pero también las microscópicas diatomeas. Su plasto pardo, distinto de los plastos verdes y rojos, posee las clorofilas de tipos a y c. Entre la segunda y tercera membranas, un espacio citoplasmático contiene vesículas y microtúbulos. ¿Cómo aparecieron estos plastos especiales? Un pequeño grupo de algas unicelulares, las criptofitas, atrajo la atención: estas algas también están provistas de plastos rodeados de cuatro membranas. Pero en el espacio entre la segunda y la tercera membrana hay ribosomas de tipo eucariota y un organelo curioso, el nucleomorfo, que evoca un núcleo reducido que contiene DNA. Sarah P. Gibbs planteó la hipótesis de una segunda endosimbiosis para explicar estos plastos de cuatro membranas. Entonces, el plasto comprende, del exterior al interior, una membrana de secuestro del hospedero secundario, la membrana plasmática de un alga asimilada y luego las dos membranas del plasto de esta última.

De hecho, las algas unicelulares tienen la capacidad de desarrollarse perfectamente en el citoplasma de otros eucariotas, por ejemplo, en las células de los animales que edifican los corales y las anémonas de mar de las costas mexicanas. Las algas en cuestión, ciertas dinofiageladas, existen también en forma libre y son todavía reconocibles a la perfección. Tales estados intermedios pudieron originar asociaciones más estrechas, como en las criptofitas y en las algas heterocontas.

El DNA del nucleomorfo de las criptofitas contiene genes que corresponden a los RNA de los ribosomas que lo rodean.

El genoma del nucleomorfo está formado por tres pequeños cromosomas. Estos genes son parecidos a los de las algas rojas, y los genes ribosómicos del núcleo de la célula hospedera, la criptofita, hacen que ésta esté más emparentada con los vegetales verdes.

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ESTRUCTURA CELULAR

ESTRUCTURA CELULAR

Las células son estructuras con muy buena organización en su interior; están constituidas por diferentes organelos, y cada uno de ellos cumple funciones diferentes. Sin embargo, todas las células eucariotas, que son las de todos los seres vivos con excepción de las bacterias, cuyas células son mucho más sencillas, comparten un plan general de organización:

​​

  • Una membrana que determina su individualidad;

  • Un núcleo que contiene el material genético y ejerce el control de la célula;

  • Un citoplasma lleno de organelos, dónde se ejecutan prácticamente todas las funcione.

​La célula está rodeada por una membrana, denominada “membrana plasmática”. La membrana delimita el territorio de la célula y controla el contenido químico de la misma.

Lípidos, proteínas y glúcidos forman parte de la composición química de la membrana, en proporciones aproximadas de 40, 50 y 10%, respectivamente, de acuerdo con la célula u organelo que cubra. En la membrana interna mitocondrial hay hasta 85% de proteínas, y en el sistema nervioso, sólo 15%. El tipo de lípidos también varía entre células. Los lípidos forman una capa doble y las proteínas se disponen de una manera irregular y asimétrica entre ellos. Estos componentes son móviles, lo que confiere a la membrana un elevado grado de fiuidez.

Por el aspecto y comportamiento el modelo de membrana se denomina “modelo de mosaico fluido”.

Las funciones de la membrana se resumen en:

  • Transporte, que es el intercambio de materia entre el interior de la célula y su ambiente externo;

  • Reconocimiento y comunicación, gracias a moléculas situadas en la parte externa de la membrana, las cuales actúan como receptores de sustancia.

La siguiente figura es un dibujo esquemático de una célula eucariota animal y de otra vegetal.

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La membrana celular (plasmática) es una estructura muy delgada que separa el medio interno del externo. Está constituida principalmente de fosfolípidos y proteínas. Las moléculas de fosfolípidos están dispuestas en dos líneas paralelas dando lugar a una doble capa de fosfolípidos. Esta bicapa forma el esqueleto de las membranas plasmáticas. Las proteínas están clasificadas en dos grupos: integrales y periféricas. Las proteínas integrales procuran sitios de recepción que capacitan a la célula para reconocer a otras células, unirse a hormonas, nutrientes y otros elementos necesarios para su funcionamiento y responder a las células extrañas o potencialmente nocivas. Por su parte, las proteínas periféricas han sido poco estudiadas por lo que sus funciones no están bien definidas. Se presume que algunas proteínas periféricas son empleadas como enzimas que catalizan reacciones celulares. Las funciones principales de la membrana plasmática son las siguientes:

1. Ofrecer una barrera flexible que encierra un contenido celular separándolo del medio extracelular.

2. Hace accesible el contacto entre las células o algunas sustancias extrañas.

3. Contiene receptores para diferentes moléculas como los neurotransmisores, hormonas, anticuerpos o nutrientes.

4. Media la entrada y salida de moléculas al interior de la célula. El citoplasma es la sustancia que se encuentra en el interior celular bañando a los diversos organelos celulares y las inclusiones plasmáticas. Es un líquido semitransparente, contiene alrededor de 75 a 90 por ciento de agua, el resto son partículas sólidas como proteínas, carbohidratos y lípidos. Funcionalmente en el citoplasma se realizan algunas de las reacciones químicas expuestas anteriormente. Almacena compuestos químicos para después enviarlos a otra parte de la célula o incluso a otras células del organismo.​

​Los organelos celulares son piezas especializadas que poseen características propias y funciones específicas de acuerdo a las necesidades de la misma. El número y tipo es variable,  dependiendo de que célula se trate. De manera general encontramos un núcleo generalmente oval, central y el organelo de mayor tamaño. Encierra los genes, que son los encargados de controlar la estructura y guiar las actividades de la célula; son los responsables de la herencia. Otros de los organelos encontrados en el interior de la célula son el retículo endoplásmico que, junto con los ribosomas, participan en la síntesis de proteínas; las mitocondrias, también conocidas como la “central eléctrica” celular son las responsables de la creación de la energía necesaria para el funcionamiento de la célula; el aparato de Golgi, encargado de la expulsión de diversas sustancias; los centríolos, que participan en el proceso de la mitosis o multiplicación celular. Las inclusiones celulares forman un grupo grande y variado de sustancias químicas producidas por las células, como por ejemplo, la melanina (pigmento que le da color a la piel, pelo y ojos, además de filtrar los rayos ultravioleta), el glucógeno (que tras el metabolismo produce la glucosa) y los lípidos (almacenados en adipositos que también pueden producir energía).

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