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Tipo: Tesis de Bachillerato
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Las células son capaces de responder a los estímulos Algunas células responden a los estímulos de formas obvias; un protista unicelular, por ejemplo, se aleja de un objeto en su camino o se mueve hacia una fuente de nutrientes. Las células dentro de una planta o animal pluricelular responden a los estímulos de forma menos obvia. La mayoría de las células están cubiertas con receptores que interactúan con sustancias en el medio ambiente de maneras muy específicas. Las células poseen receptores de hormonas, factores de crecimiento y materiales extracelulares, así como también sustancias en las superficies de otras células. Los receptores de una célula proporcionan vías a través de las cuales los estímulos externos pueden provocar respuestas específicas en las células blanco. Las células pueden responder a estímulos específicos alterando sus actividades metabólicas, moviéndose de un lugar a otro, o incluso autodestruyéndose. Las células son capaces de autorregularse En los últimos años se ha utilizado un nuevo término para describir las células: robustez. Las células son robustas, es decir, vigorosas o duraderas, porque están protegidas de fluctuaciones peligrosas en la composición y el comportamiento. Si ocurren tales fluctuaciones, se activan circuitos de retroalimentación específicos que sirven para devolver la célula al estado apropiado. Además de demandar energía, mantener un estado complejo y ordenado requiere una regulación constante. La importancia de los mecanismos regulatorios de una célula se vuelve más evidente cuando se descomponen. Por ejemplo, la falla de una célula para corregir un error cuando duplica su DNA puede resultar en una mutación debilitante, o una ruptura en las protecciones de control del crecimiento de una célula puede transformarla en una célula cancerosa con la capacidad de destruir todo el organismo. De modo gradual, estamos aprendiendo cómo una célula controla sus actividades, pero aún queda mucho más por descubrir. Considere el siguiente experimento realizado en 1891 por Hans Driesch, un embriólogo alemán. Driesch descubrió que podía separar por completo las primeras dos o cuatro células de un embrión de erizo de mar, y que cada una de las células aisladas se desarrollaría en un embrión normalde una célula, que normalmente solo está destinada a formar par- 7 te de un embrión, regular sus propias actividades y formar un embrión completo? ¿Cómo reconoce la célula aislada la ausencia de sus vecinos, y cómo este reconocimiento redirige el curso completo del desarrollo de esta célula? ¿Cómo puede una parte de un embrión tener un sentido del todo? Actualmente no somos capaces de responder a estas preguntas mucho mejor que hace más de 100 años, cuando se realizó el experimento. A lo largo de este libro, discutiremos los procesos que requieren una serie de pasos ordenados muy similar al ensamblaje en línea para la construcción de un automóvil, en el que los trabajadores
agregan, eliminan o hacen ajustes específicos a medida que el automóvil avanza. En la célula, la información para el diseño del producto reside en los ácidos nucleicos, y los trabajadores de la construcción son principalmente las proteínas. Es la presencia de estos dos tipos de macromoléculas lo que, más que cualquier otro factor, diferencia la química celular de la química del mundo no vivo. En la célula, los trabajadores deben actuar sin el beneficio de una dirección consciente. Cada paso de un proceso debe ocurrir espontáneamente, de tal manera que el siguiente paso se active de modo automático Las células evolucionan ¿Cómo surgieron las células? De todas las preguntas principales planteadas por los biólogos, esta puede ser la que, probablemente, haya sido menos respondida. Se presume que las células evolucionaron a partir de algún tipo de forma de vida precelular, que a su vez evolucionó a partir de materiales orgánicos no vivos que estaban presentes en los mares primordiales. Mientras que el origen de las células está envuelto en un misterio casi total, su evolución puede estudiarse examinando organismos que están vivos en la actualidad. Si observara las características de una célula bacteriana que vive en el tracto intestinal humano (véase FIGURA 1-18a) y una célula que es parte del revestimiento de ese tracto (figura 1-3), se sorprendería por las diferencias entre ambas. Sin embargo, estas dos células, así como todas las otras células que están presentes en los organismos vivos, comparten muchas características, incluyendo un código genético común, una membrana plasmática y ribosomas. Según uno de los principios de la biología moderna, todos los organismos vivos han evolucionado a partir de una única célula ancestral común que vivió hace más de tres mil millones de años. Debido a que dio origen a todos los organismos vivos que conocemos, a esta antigua célula a menudo se le conoce como el último ancestro común universal (o LUCA, last universal common ancestor). Examinaremos algunos de los eventos que ocurrieron durante la evolución de las células en “Vías experimentales”, al final del capítulo. Los capítulos futuros explorarán los aspectos bioquímicos del origen de la vida. Tenga en cuenta que la evolución no es simplemente un evento del pasado, sino un proceso en desarollo que continúa modificando las propiedades de las células que estarán presentes en los organismos que aún deben aparecer. Por ejemplo, la evolución de la resistencia a los medicamentos en las bacterias es una preocupación importante para la salud y se discutirá en la sección 3.8. Características que distinguen a las células procariotas y eucariotas Una vez que el microscopio electrónico estuvo disponible de manera considerable, los biólogos pudieron examinar la estructura interna de
Aunque las paredes celulares de procariotas y eucariotas pueden tener funciones semejantes, sus composiciones químicas son muy diferentes. Internamente, las células eucariotas son mucho más complejas, tanto desde el punto de vista estructural como funcional, que las células procariotas (figura 1-8). La diferencia en la complejidad estructural es evidente en las micrografías electrónicas de una célula bacteriana y de una célula animal que se muestran en las figuras 1-18a) y 1-10, respectivamente. Ambas contienen una región nuclear que alberga el material genético de la célula, rodeada de citoplasma. El material genético de una célula procariota está presente en un nucleoide: una región mal demarcada de la célula, que carece de una membrana límite para separarla del citoplasma circundante. Por el contrario, las células eucariotas poseen un núcleo: una región delimitada por una estructura membranosa compleja llamada envoltura nuclear. Esta diferencia en la estructura nuclear es la base de los términos procariota (pro = antes, karyon = núcleo) y eucariota (eu = verdadero, karyon = núcleo). Las células procariotas contienen cantidades relativamente pequeñas de DNA; el contenido de DNA de las bacterias varía desde alrededor de 600 000 pares de bases a casi 8 millones de pares de bases, y codifica entre unas 500 y varios miles de proteínas.2 Aunque una célula de levadura de panadero “simple” tiene solo un poco más de DNA (12 millones de pares de bases que codifican cerca de 6 200 proteínas) que las procariotas más complejas, la mayoría de las células eucariotas contienen mucha más información genética. Tanto las células procariotas como las eucariotas tienen cromosomas que contienen DNA. Las células eucariotas poseen una cantidad de cromosomas separados, cada uno con una sola molécula lineal de DNA. En cambio, casi todas las procariotas que se han estudiado contienen un único cromosoma circular. Más importante aún, el DNA cromosómico de las eucariotas, a diferencia de las procariotas, está estrechamente asociado con las proteínas para formar un complejo material de nucleoproteínas conocido como cromatina. El citoplasma de ambos tipos de células también es muy diferente. El citoplasma de una célula eucariota está lleno de una gran diversidad de estructuras, como se puede ver con facilidad si se examina una micrografía electrónica de casi cualquier planta o célula animal (FIGURA 1-10). Incluso la levadura, la eucariota más simple, es mucho más compleja estructuralmente que una bacteria promedio, a pesar de que estos dos organismos tienen un número similar de genes. Las células eucariotas contienen una matriz de organelos unidos a la membrana. Los organelos eucarióticos incluyen las mitocondrias, en las que se encuentra disponible la energía química para alimentar las actividades celulares; un retículo endoplasmático, en el que se fabrican muchas de las proteínas y lípidos de una célula; complejos de Golgi, donde los materiales se clasifican, modifican y transportan a
destinos celulares específicos, y una variedad de vesículas simples de dimensión variable unidas a la membrana. Las células vegetales contienen organelos membranosos adicionales, incluidos los cloroplastos, que son los sitios de la fotosíntesis, y, a menudo, una sola vacuola grande que puede ocupar la mayor parte del volumen de la célula. Tomadas en conjunto, las membranas de la célula eucariota sirven para dividir el citoplasma en compartimentos dentro de los cuales pueden tener lugar actividades especializadas. Por el contrario, el citoplasma de las células procariotas está esencialmente desprovisto de estructuras membranosas. Se exceptúan de esta generalización, las membranas fotosintéticas complejas de las cianobacterias (véase figura 1-15). Las membranas citoplasmáticas de las células eucariotas forman un sistema de canales y vesículas interconectados que funcionan en el transporte de sustancias desde una parte a otra de una célula, así como entre el interior de la célula y su entorno. Debido a su pequeño tamaño, la comunicación intracitoplasmática dirigida es menos importante en las células procariotas, en las que el movimiento necesario de los materiales se puede lograr por difusión simple. Las células eucariotas también contienen numerosas estructuras que no poseen una membrana circundante. Se incluyen en este grupo los túbulos y filamentos alargados del citoesqueleto, que participan en la contractilidad, el movimiento y el soporte celular. Durante muchos años se pensó que las células procariotas carecían de cualquier rastro de un citoesqueleto, pero se han encontrado filamentos primitivos de citoesqueleto en las bacterias (véase capítulo 9). Todavía es justo decir que el citoesqueleto procariótico es mucho más simple en su estructura y función, que el de las eucariotas. Tanto las células eucariotas como las procariotas poseen ribosomas, partículas no membranosas que funcionan como “mesas de trabajo” en los que se fabrican las proteínas de la célula. Aunque los ribosomas de células procariotas y eucariotas tienen dimensiones considerablemente diferentes (los de las procariotas son más pequeños y contienen menos componentes), estas estructuras participan en el ensamblaje de proteínas mediante un mecanismo similar en ambos tipos de células. La FIGURA 1-11 es una micrografía electrónica coloreada de una porción del citoplasma cerca del borde delgado de un organismo eucariota unicelular. Esta es una región de la célula donde los organelos unidos a la membrana tienden a estar ausentes. La micrografía muestra filamentos individuales del citoesqueleto (naranja) y otros grandes complejos macromoleculares del citoplasma (turquesa). La mayoría de estos complejos son ribosomas. Es evidente, a partir de este tipo de imagen, que el citoplasma de una célula eucariota está extremadamente lleno, dejando muy poco espacio para la fase soluble del citoplasma, la cual se denomina citosol. Se pueden observar otras diferencias importantes entre