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¿Qué es una célula?

Árboles en un bosque, peces en un río, tábanos en una granja, lémures en la selva, juncos en un estanque, lombrices en el suelo - todas estas plantas y animales están hechos de los bloques de construcción que llamamos células. Al igual que estos ejemplos, muchos seres vivos consisten en un vasto número de células trabajando en concierto entre sí. Otras formas de vida, sin embargo, están hechas de una sola célula, como las muchas especies de bacterias y protozoos. Las células, ya sea que vivan por sí solas o como parte de un organismo multicelular, generalmente son demasiado pequeñas para ser vistas sin un microscopio de luz.

Las células comparten muchas características comunes, pero pueden parecer muy diferentes. De hecho, las células se han adaptado durante miles de millones de años a una amplia gama de entornos y roles funcionales. Las células nerviosas, por ejemplo, tienen extensiones largas y delgadas que pueden alcanzar los medidores y servir para transmitir señales rápidamente. Las células vegetales con forma de ladrillo, que se adaptan muy bien, tienen una capa exterior rígida que ayuda a proporcionar el apoyo estructural que los árboles y otras plantas requieren. Las células musculares largas y cónicas tienen una elasticidad intrínseca que les permite cambiar de longitud al contraer y relajar los bíceps.

Sin embargo, por muy diferentes que sean estas células, todas ellas dependen de las mismas estrategias básicas para mantener el exterior fuera, permitir que entren las sustancias necesarias y permitir que otros se vayan, mantener su salud y replicarse. De hecho, estos rasgos son precisamente lo que hace de una célula una célula una célula.

¿Qué define una célula?

Una ilustración muestra una sección transversal de una membrana plasmática con tres proteínas de transporte diferentes dispuestas a lo largo de la capa fosfolípida. Cada proteína actúa como un poro, como lo muestra una flecha a través del centro de la misma.  Pequeños granos que representan moléculas se encuentran cerca de las proteínas, mostrando una mayor concentración ya sea fuera de la membrana o dentro de ella. Por lo tanto, las proteínas de transporte regulan las concentraciones de moléculas dentro de la célula, controlando el paso de las moléculas a través de los poros.

Figura 1: Transporte de proteínas en la membrana celular

Una membrana de plasma es permeable a moléculas específicas que una célula necesita. Las proteínas de transporte en la membrana celular permiten el paso selectivo de moléculas específicas del ambiente externo. Cada proteína de transporte es específica de una molécula de certiano (indicada por colores iguales).

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Las células son consideradas las unidades básicas de la vida en parte porque vienen en paquetes discretos y fácilmente reconocibles. Esto se debe a que todas las células están rodeadas por una estructura llamada membrana celular - que, al igual que las paredes de una casa, sirve como un límite claro entre los ambientes internos y externos de la célula. La membrana celular a veces también se conoce como la membrana plasmática.

Las membranas celulares se basan en un marco de moléculas grasas llamadas fosfolípidos, que impiden físicamente la entrada o salida de sustancias hidrofílicas o hidrófilos amantes del agua. Estas membranas también están tachonadas con proteínas que cumplen varias funciones. Algunas de estas proteínas actúan como guardianes, determinando qué sustancias pueden y no pueden cruzar la membrana. Otros funcionan como marcadores, identificando la célula como parte del mismo organismo o como extraña. Otras funcionan como sujetadores, uniendo las células juntas para que puedan funcionar como una unidad. Sin embargo, otras proteínas de la membrana sirven como comunicadores, enviando y recibiendo señales de las células vecinas y del medio ambiente, ya sean amistosas o alarmantes (Figura 1).

Dentro de esta membrana, el ambiente interior de una célula está basado en agua. Llamado citoplasma, este ambiente líquido está lleno de maquinaria celular y elementos estructurales. De hecho, las concentraciones de proteínas en el interior de una célula superan con creces las del exterior, tanto si el exterior es agua de mar (como en el caso de las algas unicelulares) como si es suero sanguíneo (como en el caso de los glóbulos rojos). Aunque las membranas celulares forman barreras naturales en ambientes acuosos, una célula debe gastar un poco de energía para mantener las altas concentraciones de componentes intracelulares necesarias para su supervivencia. De hecho, las células pueden usar hasta el 30 por ciento de su energía sólo para mantener la composición de su citoplasma. 

¿Qué otros componentes tienen las células?

Como se mencionó anteriormente, el citoplasma de una célula contiene numerosos elementos funcionales y estructurales. Estos elementos existen en la forma de moléculas y orgánulos - los retratan como las herramientas, aparatos y cuartos interiores de la célula. Las principales clases de moléculas orgánicas intracelulares incluyen ácidos nucleicos, proteínas, carbohidratos y lípidos, todos los cuales son esenciales para las funciones de la célula.

Los ácidos nucleicos son las moléculas que contienen y ayudan a expresar el código genético de una célula. Existen dos clases principales de ácidos nucleicos: el ácido desoxirribonucleico (ADN) y el ácido ribonucleico (ARN). El ADN es la molécula que contiene toda la información necesaria para construir y mantener la célula; el ARN tiene varias funciones asociadas con la expresión de la información almacenada en el ADN. Por supuesto, los ácidos nucleicos por sí solos no son responsables de la preservación y expresión del material genético: las células también utilizan proteínas para ayudar a replicar el genoma y lograr los profundos cambios estructurales que subyacen a la división celular.

Las proteínas son un segundo tipo de molécula orgánica intracelular. Estas sustancias están hechas de cadenas de moléculas más pequeñas llamadas aminoácidos, y sirven una variedad de funciones en la célula, tanto catalíticas como estructurales. Por ejemplo, las proteínas llamadas enzimas convierten las moléculas celulares (ya sean proteínas, carbohidratos, lípidos o ácidos nucleicos) en otras formas que podrían ayudar a una célula a satisfacer sus necesidades energéticas, construir estructuras de apoyo o bombear los desechos.

Los carbohidratos, los almidones y azúcares en las células, son otro tipo importante de molécula orgánica. Los carbohidratos simples se utilizan para las demandas energéticas inmediatas de la célula, mientras que los carbohidratos complejos sirven como reservas energéticas intracelulares. Los carbohidratos complejos también se encuentran en la superficie de una célula, donde juegan un papel crucial en el reconocimiento celular.

Finalmente, los lípidos o moléculas grasas son componentes de las membranas celulares, tanto la membrana plasmática como varias membranas intracelulares. También están involucrados en el almacenamiento de energía, así como en la transmisión de señales dentro de las células y desde el torrente sanguíneo al interior de las células (Figura 2).

Algunas células también presentan arreglos ordenados de moléculas llamadas orgánulos. Al igual que las habitaciones de una casa, estas estructuras se separan del resto del interior de una célula por su propia membrana intracelular. Los orgánulos contienen equipo altamente técnico requerido para trabajos específicos dentro de la célula. Un ejemplo es la mitocondria - comúnmente conocida como "planta de energía" de la célula - que es el órgano que sostiene y mantiene la maquinaria involucrada en las reacciones químicas que producen energía (Figura 3).

Un diagrama de rebanada de pastel muestra la proporción de agua con los componentes químicos típicos en una célula bacteriana. Cada componente químico tiene un código de colores y está etiquetado por nombre y porcentaje.

Figura 2: Composición de una célula bacteriana

La mayor parte de una célula es agua (70%). El 30% restante contiene proporciones variables de moléculas estructurales y funcionales.

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Un diagrama de escala muestra cómo las diferentes características biológicas caen a lo largo de un gradiente de tamaño. Los átomos están representados en el extremo izquierdo de la escala, mientras que los vasos sanguíneos mucho más grandes están representados en el extremo derecho; las moléculas, los orgánulos y las células están dispuestas en el centro en orden creciente de tamaño, entre estos dos extremos.

Figura 3: Escala relativa de moléculas y estructuras biológicas

Las celdas pueden variar entre 1 micrómetro (? m) y cientos de micrómetros de diámetro. Dentro de una célula, una doble hélice de ADN tiene aproximadamente 10 nanómetros (nm) de ancho, mientras que el organillo celular llamado núcleo que encierra este ADN puede ser aproximadamente 1000 veces más grande (aproximadamente 10? m). Vea cómo las células se comparan a lo largo de un eje de escala relativa con otras moléculas, tejidos y estructuras biológicas (flecha azul en la parte inferior). Tenga en cuenta que un micrómetro (? m) también se conoce como micrón.

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¿Cuáles son las diferentes categorías de células?

En lugar de agrupar las células por su tamaño o forma, los científicos típicamente las categorizan por la forma en que se empaqueta su material genético. Si el ADN dentro de una célula no se separa del citoplasma, entonces esa célula es un procarionte. Todos los procariotas conocidos, como bacterias y archaea, son células individuales. En contraste, si el ADN se particiona en su propia sala unida a la membrana llamada núcleo, entonces esa célula es un eucarionte. Algunos eucariontes, como las amebas, son entidades de vida libre, unicelulares. Otras células eucarióticas forman parte de organismos multicelulares. Por ejemplo, todas las plantas y animales están hechos de células eucarióticas, a veces incluso trillones de ellas (Figura 4).

Una ilustración muestra una célula eucariótica junto a una célula procariótica, y se muestran las principales diferencias estructurales. La célula eucariótica mucho más grande contiene redes membranosas elaboradas y organelos en forma de frijol. Su ADN está dentro de una membrana nuclear. La célula procariótica tiene un interior relativamente vacío que contiene material de ADN suelto simbolizado por un hilo de rosca enmarañado, junto con sólo ribosomas y sin organelos unidos por membranas.

Una célula eucariótica (izquierda) tiene ADN encerrado en membrana, que forma una estructura llamada núcleo (localizado en el centro de la célula eucariótica; note el ADN morado encerrado en el núcleo rosa). Una célula eucariótica típica también tiene organelos con membranas adicionales de diferentes formas y tamaños. En contraste, una célula procariótica (derecha) no tiene ADN ligado a la membrana y también carece de otros orgánulos ligados a la membrana.

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¿Cómo se originaron las células?

Los investigadores plantean la hipótesis de que todos los organismos en la Tierra hoy en día se originaron a partir de una sola célula que existía hace unos 3,5 a 3,8 mil millones de años. Esta célula original era probablemente poco más que un saco de moléculas orgánicas pequeñas y material similar al ARN que tenía funciones informativas y catalíticas. Con el tiempo, la molécula de ADN más estable evolucionó para asumir la función de almacenamiento de información, mientras que las proteínas, con una mayor variedad de estructuras que los ácidos nucleicos, asumieron las funciones catalíticas.

Como se describió en la sección anterior, la ausencia o presencia de un núcleo - y de hecho, de todos los organelos ligados a membranas - es lo suficientemente importante como para ser una característica definitoria por la cual las células son categorizadas como procariotas o eucariontes. Los científicos creen que la aparición de núcleos autocontenidos y otros orgánulos representa un gran avance en la evolución de las células. ¿Pero de dónde vienen estas estructuras? Hace más de mil millones de años, algunas células "comían" engullendo objetos que flotaban en el ambiente líquido en el que existían. Entonces, de acuerdo con algunas teorías de la evolución celular, una de las primeras células eucarióticas engulló a un procarionte, y juntas las dos células formaron una relación simbiótica. En particular, la célula engullida comenzó a funcionar como una organela dentro de la célula eucariótica más grande que la consumía. Se cree que tanto los cloroplastos como las mitocondrias, que existen en las células eucarióticas modernas y que aún conservan sus propios genomas, han surgido de esta manera (Figura 5).

Un esquema representa la asimilación gradual de organismos procarióticos independientes por células eucarióticas, en organelos funcionales, en cinco etapas evolutivas simplificadas.

Figura 5: Origen de las mitocondrias y cloroplastos

Las mitocondrias y los cloroplastos probablemente evolucionaron a partir de procariotas engullidos que una vez vivieron como organismos independientes. En algún momento, una célula eucariótica engulló a un procarionte aeróbico, que luego formó una relación endosimbiótica con el eucarionte anfitrión, desarrollándose gradualmente en una mitocondria. Las células eucarióticas que contenían mitocondrias engulleron entonces procariotas fotosintéticos, que evolucionaron para convertirse en orgánulos cloroplastos especializados.

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Por supuesto, las células procarióticas también han seguido evolucionando. Diferentes especies de bacterias y archaea se han adaptado a entornos específicos, y estos procariotas no sólo sobreviven sino que prosperan sin tener su material genético en su propio compartimento. Por ejemplo, ciertas especies bacterianas que viven en respiraderos térmicos a lo largo del suelo oceánico pueden soportar temperaturas más altas que cualquier otro organismo en la Tierra.

Conclusión

Las células son el mínimo común denominador de la vida. Algunas células son organismos para ellos mismos; otras son parte de organismos multicelulares. Todas las células están hechas de las mismas clases principales de moléculas orgánicas: ácidos nucleicos, proteínas, carbohidratos y lípidos. Además, las células pueden clasificarse en dos categorías principales como resultado de antiguos acontecimientos evolutivos: los procariotas, con sus genomas citoplasmáticos, y los eucariontes, con sus genomas nuclearmente encapsulados y otros orgánulos con membranas. Aunque son pequeñas, las células han evolucionado hacia una gran variedad de formas y tamaños. Juntos forman tejidos que forman órganos y eventualmente organismos enteros.


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