ESTRUCTURA, DESARROLLO Y REPRODUCCIÓN CELULAR

La UNED tiene muchas luces y sombras (seguramente más sombras que luces), el Curso cero de Fundamentos de Biología para Psicólogos es una de esas luces. En esta entrada reproducimos textualmente la Unidad didáctica II de dicho curso, que corresponde con el excelente manual “Abril Alonso, A. (2005). Fundamentos biológicos de la conducta (2ª ed., 2ª reimp. ed.). Madrid: Sanz y Torres”.

La célula es la unidad básica de la vida, entendiendo por vida la capacidad que poseen determinados seres (los llamados seres vivos) de crecer y producir por sus propios medios nuevos seres semejantes a sí mismos. Las células pueden vivir independientemente, como unidades individuales, o agrupadas formando parte de organismos pluricelulares más o menos complejos, donde grupos especializados de ellas desempeñan funciones específicas, con cuya interacción ordenada se logra el mantenimiento de las características vitales de dicho organismo. En ambos casos, cada célula crece y se reproduce individualmente. La teoría de la evolución por selección natural postula que todas las células proceden de un antecesor común. La existencia de variedades celulares es fruto, según esta teoría, de dos procesos:

  • La variación al azar que sufren los elementos heredables de las células.
  • La selección natural que determina que sólo algunas de las células logren llegar a reproducirse.

Esta selección no se hace al azar, sino que depende del grado en que cada variedad celular es capaz de adaptarse en función del ambiente en que tenga que sobrevivir y reproducirse: en tanto en cuanto esa especial capacidad de adaptación dependa o esté influida por factores heredables, la selección natural será la responsable de que las células que sobreviven tengan unos rasgos característicos.

DESCRIPCIÓN ESTRUCTURAL DE LAS CÉLULAS EUCARIOTAS

En la naturaleza existen dos tipos de células, las eucariotas o de núcleo diferenciado (son los elementos constituyentes de las plantas, los hongos y los animales) y las procariotas (bacterias), que se diferencian de las anteriores porque no cuentan con una estructura nuclear diferenciada del citoplasma. Puesto que estos fundamentos básicos de biología celular sólo tienen por objeto sentar las bases biológicas necesarias para el estudio del comportamiento y, más específicamente, del funcionamiento del sistema nervioso y sus células más características, las neuronas, nos centraremos en la descripción de las células eucariotas.

Las células eucariotas pueden ser de diferentes tamaños, pero, para hacernos una idea, tal vez sea bueno saber que una de tamaño medio mide alrededor de 25 micras (1 μm = 0.000001 de metro: la millonésima parte de un metro) de diámetro (el rango oscila entre 10 y 50 veces la longitud del diámetro de las procariotas). Esto significa que en un cubo de 2.5 cm de arista cabrían bastantes más de mil millones (las bacterias tienen como promedio 1μm de diámetro: dentro de una célula eucariota cabrían hasta 10000
bacterias).

Un elemento característico y esencial de toda célula es la membrana plasmática, estructura que permite a cada célula mantener con su entorno una relación ordenada y retener en su interior (el citoplasma) los líquidos (fundamentalmente agua), sustancias disueltas y diversos orgánulos responsables cada uno de ellos de funciones específicas, necesarios para crecer y reproducirse. Aunque no todas las células contienen todos los orgánulos de los que vamos a hablar, sí puede decirse que todos ellos son en mayor o menor medida característicos de las células eucariotas. Muchos de estos orgánulos están delimitados por membranas internas similares estructuralmente a la membrana plasmática. Algunas de estas estructuras membranales forman dentro de la célula un laberinto compartimentalizado que recibe el nombre de retículo endoplasmático que si contiene ribosomas asociados recibe el nombre de rugoso y si no, el de liso. Otras de estas membranas forman especies de sacos cuyo conjunto recibe el nombre de aparato de Golgi.

Por supuesto, el núcleo, donde se encuentra almacenada toda la información genética de la célula o genoma, está separado del citosol o citoplasma por otra membrana, la membrana nuclear. Existen otras estructuras membranales que encierran dentro de sí sustancias, llamadas enzimas, que si estuvieran libres por el citosol podrían degradar las membranas celulares: son los lisosomas. Junto a este conjunto de orgánulos, las células eucariotas cuentan con lo que se conoce como citoesqueleto, que es lo que da a cada célula su forma y consistencia características y cuya función es, entre otras cosas, fijar los orgánulos enumerados. Está formado por filamentos proteínicos, de los que los más importantes son los microtúbulos, que son críticos para el movimiento de los cromosomas durante la división celular, los microfilamentos y los filamentos intermedios. Finalmente, hay que nombrar las mitocondrias, que son estructuras muy parecidas a bacterias en forma y tamaño (las células de las plantas poseen además cloroplastos).

Arquitectura de la Membrana Plasmática

La membrana plasmática es la estructura celular que delimita la célula y la separa de su entorno. No es, sin embargo, completamente impermeable: la membrana plasmática tiene como característica esencial regular selectivamente el tráfico de sustancias de dentro hacia fuera y de fuera hacia dentro del citoplasma, además de ser la principal responsable de que se mantenga la diferencia entre el contenido celular y el exterior (algo similar hacen las membranas de los orgánulos intracelulares).

Ya a finales del siglo XIX algún investigador propuso la hipótesis de que la membrana celular encerraba dentro de sí su contenido de forma parecida a como lo hacen las pompas de jabón con el aire; según esta hipótesis, la membrana debe estar formada por una sustancia fluida que tiene la tendencia natural a envolver gotas de agua sin mezclarse con ella. En aquella época las únicas sustancias conocidas que cumplían esos requisitos era los aceites, así que se hipotetizó que la superficie plasmática debía consistir en un lípido o compuesto graso. Observaciones posteriores relativas a la permeabilidad de algunos tipos de células como los glóbulos rojos, permitieron comprobar una relación directa entre la liposolubilidad (capacidad de disolverse en aceite) de una sustancia y su facilidad para atravesar la membrana celular. Estos datos permitieron plantear hacia 1925 la teoría de la bicapa lipídica de la membrana, teoría que, hoy por hoy, se considera firmemente establecida y cuyos rasgos esenciales vamos a describir a continuación.

Mediante diversas técnicas de visualización (microscopía electrónica convencional, de criofractura, difracción de rayos X, etc.) se ha podido observar la estructura de la membrana celular (semejante en los aspectos esenciales a las membranas de los orgánulos celulares). Las apariencias morfológicas de las membranas junto con los datos obtenidos del estudio de la fisiología celular, concretamente de su permeabilidad selectiva, y junto con las investigaciones con modelos artificiales de bicapas lipídicas (a partir de 1970), permiten dar por probada la tesis de la bicapa lipídica fluida.

Las refinadas técnicas de aislamiento y purificación han permitido analizar los componentes químicos de las membranas celulares y comprobar la abundante presencia de lípidos . Los más importantes son los fosfolípidos. Todos los lípidos de membrana son anfipáticos, lo que significa que tienen un extremo polar o hidrofílico mientras que el otro extremo es apolar o hidrofóbico. Dado que las células viven en un medio acuoso y su interior también lo es, los lípidos se disponen formando la famosa bicapa con los grupos polares en contacto con el agua y los apolares en el interior de la bicapa.

El análisis experimental del comportamiento de bicapas lipídicas artificiales (liposomas y “membranas negras” (black membranes); permite ilustrar el funcionamiento fisiológico natural de las bicapas lipídicas celulares: este tipo de membranas es fluido, lo que significa que cada molécula de lípido puede cambiar de sitio dentro la propia capa, pero es muy improbable que pase de una monocapa a la otra; esto mismo se ha observado en glóbulos rojos y en bacterias. Así que el componente lipídico de las membranas biológicas se comporta como un fluido laminar cuyos componentes pueden desplazarse lateralmente. Como la síntesis de las membranas en el retículo endoplasmático se hace en una sola monocapa, la formación de la bicapa requiere que la mitad de los fosfolípidos salga de esa monocapa para formar la monocapa complementaria; esto se logra gracias a la intervención de una enzima traslocadora de fosfolípidos en el retículo endoplasmático.

La funcionalidad fisiológica de las membranas biológicas depende en parte de su fluidez, que es lo contrario de viscosidad. Se ha comprobado que ciertos procesos de trasporte y determinadas actividades enzimáticas cesan cuando la membrana supera un determinado nivel de viscosidad (pierde parte de su fluidez). La fluidez depende fundamentalmente de dos variables, la temperatura y la composición: se ha demostrado experimentalmente que cada tipo de bicapa lipídica artificial (fabricada con un sólo tipo de fosfolípido) se congela a una temperatura determinada, es decir que a esa temperatura deja de ser fluida para volverse rígida; es lo que se conoce con el nombre de transición de fase. La temperatura a la que esto ocurre es más baja cuanto más corta es la cadena hidrocarbonada de los ácidos grasos. Además, los enlaces dobles tipo cis dificultan el emparejamiento de las colas hidrocarbonadas haciendo también que la temperatura crítica de congelación tenga que ser más baja. (Ocurre que diversas bacterias, levaduras y otros organismos son capaces de ajustar la composición fosfolipídica de sus membranas a la temperatura exterior para mantener su fluidez. Las membranas de las células eucarióticas, por su parte, suelen estar constituidas por diferentes tipos de fosfolípidos que, además, se distribuyen asimétricamente en cada una de las dos capas. Así por ejemplo, mientras que la fosfatidilcolina y la esfingomielina son más abundantes en la capa externa, la fosfatidiletanolamina y la fosfatidilserina lo son en la interna. Junto a estos cuatro fosfolípidos, que constituyen más de la mitad de la masa de la mayoría de las membranas, existen otros menos abundantes, como el fosfatidilinositol, cuya importancia funcional es muy grande y estriba en su participación en el procesamiento de señales celulares). Además, las células eucarióticas insertan entre los fosfolípidos otro lípido, el colesterol, haciendo que la membrana sea menos deformable en los extremos y, consecuentemente, reduciendo su permeabilidad a las moléculas solubles en agua. En concentraciones altas, el colesterol reduce todavía más la temperatura de congelación.

Pero los fosfolípidos no son los únicos lípidos membranales: en la bicapa externa se insertan también moléculas lipídicas que llevan en su estructura diferentes tipos de azúcares: son los glucolípidos. Se trata de moléculas también anfipáticas cuyas “cabezas de azúcar” (la parte donde se encuentran los hidratos de carbono) son muy hidrofílicas. Vienen a constituir el 5 % de las moléculas lipídicas de la monocapa externa. Los más complejos son los gangliósidos, glucolípidos con carga eléctrica negativa especialmente abundantes en las membranas de las células nerviosas donde llegan a ser entre el 5 y el 10 % del total de
la masa lipídica. También son muy abundantes en las membranas de mielina.


Pero no sólo de lípidos están hechas las membranas celulares (ver Tabla 3.2). Las proteínas de membrana constituyen un buen porcentaje de su masa y, además, son los elementos funcionales más importantes, al menos en lo que se refiere a las interacciones celulares con su medio ambiente: por eso hay tan gran variabilidad entre las membranas celulares, variabilidad que va paralela a la función principal de la célula (y de los orgánulos celulares que poseen membrana). Las proteínas de membrana suelen llevar unidas cadenas de oligosacáridos por la parte de fuera de la célula. Existen dos tipos de proteínas de membrana: intrínsecas o integrales y periféricas o extrínsecas.

El tipo de proteína y la forma en que se liga a la membrana están relacionados con su función. Las proteínas trasmembranales (las que atraviesan completamente la membrana: intrínsecas) presentan dos zonas bien diferenciadas, la que penetra en la bicapa lipídica y la que sobresale fuera de ella. Las características de ambas zonas difieren notablemente: la zona inserta en la membrana adopta una estructura helicoidal (de tipo α) que se explica por la exigencia de que los puntos hidrofóbicos de la proteína puedan estar en contacto con los lípidos; por eso las zonas de inserción suelen ser apolares (algunas proteínas de este tipo forman enlaces covalentes con los ácidos grasos de los lípidos; es el caso de algunas enzimas). Es muy importante saber que cuando una proteína atraviesa varias veces la membrana, en cuyo caso puede adoptar una estructura tipo β, es posible que aminoácidos polares (hidrofílicos) se hallen en los puntos de contacto entre las hélices o láminas proteínicas.

Las proteínas extrínsecas son hidrofílicas y pueden unirse con enlaces covalentes a los lípidos de la bicapa, pero también pueden ir unidas a proteínas integrales mediante interacciones iónicas con los elementos hidrofílicos de esas moléculas. Se pueden establecer diferencias funcionales entre las que se encuentran por la parte de fuera (externas) y las que están en contacto con el citoplasma: mientras que las externas (muchas de las cuales llevan asociadas cadenas de hidratos de carbono y son, por tanto, glucoproteínas que, a menudo, se comportan como receptores) intervienen en procesos de comunicación e interacción entre células (por ejemplo, en la adhesión intercelular: se trata de la llamada matriz extracelular, formada por fibras de colágeno entremezcladas con diversos tipos de glucoproteínas, todo lo cual permite mantener las células unidas, y también comunicadas, merced a los canales y puentes que se establecen entre las células que están en contacto dentro de un mismo tejido), las que se encuentran en el lado citoplasmático de las células pueden formar parte del citoesqueleto celular, como es el caso de la espectrina, una proteína que se distribuye por todo el interior de la membrana de los glóbulos rojos y de la anquirina: cuando la espectrina no puede unirse a la membrana interactuando con la anquirina, aparecen glóbulos rojos redondos (esferocitosis: se trata de una alteración con base genética) en vez de tener su apariencia aplanada normal; esto es debido a que no es posible realizar el anclaje del citoesqueleto a la membrana celular.


Los elementos constituyentes de las membranas celulares y su distribución son los responsables de sus propiedades tanto físicas como fisiológicofuncionales.

El Núcleo Celular

Sólo las células eucarióticas tienen núcleo, como ya se dijo. El núcleo, que viene a ser un 10 % del volumen celular total, suele encontrarse en el centro geográfico de las células (cuando éstas adoptan formas extraordinariamente irregulares, como las neuronas, resulta difícil sostener esta afirmación, pero su
ubicación no es lo más importante). Lo realmente importante es su contenido, el ADN o conjunto de moléculas de ácido desoxirribonucleico que constituyen el genoma o material genético (conjunto total de instrucciones para la construcción y funcionamiento de las células contenido en su ADN). Este material
genético está separado del citoplasma por una membrana, la membrana o envoltura nuclear, muy similar a la membrana del retículo endoplasmático de la que deriva: está formada por una doble bicapa lipídica sujeta por una capa proteínica, la lámina nuclear, y tachonada de poros muy característicos formados por proteínas de membrana. Además del ADN, que nunca sale, dentro del núcleo se pueden encontrar otro ácido nucleico, el ARN (ácido ribonucleico) y diferentes proteínas, principalmente histonas. La cromatina no es ni más ni menos que el complejo que forman las moléculas de ADN unidas a las histonas que les sirven de soporte. Como estos complejos se tiñen intensamente, la cromatina se distingue bien del resto del núcleo.

La sustancia más abundante en el núcleo es el ADN que se encuentra distribuido en un número más o menos grande de moléculas (pero específico y constante para todas las células de los individuos de la misma especie) que reciben el nombre de cromosomas. Una propiedad especial de las moléculas de ADN es que cambian su forma (pero no su contenido) según la fase vital (crecimiento o reproducción) en que se encuentre la célula: mientras que en la fase de crecimiento se hallan “desplegadas” y no son visibles al microscopio óptico, en la de división celular o mitosis (reproducción) se encuentran empaquetadas, condensadas o “comprimidas” y se distinguen, vistas al microscopio, como unidades separadas. Las células humanas, para no ir más lejos, poseen 46 cromosomas o moléculas de ADN, cada una de las cuales contiene entre 50 × 106 y 250 × 106 pares de nucleótidos; en total, el ADN humano contiene alrededor de 6 × 109 pares de nucleótidos que caben en un cubo de 1.9 μm. Hoy sabemos que el ADN de los cromosomas contiene lo que Mendel llamó intuitivamente genes. Mendel ni los vio ni sabía nada del ADN, pero comprobó a través de experimentos muy rigurosos de reproducción sexual en plantas lo que ya se sabía, que los hijos “heredan” los rasgos de sus padres (color de pelo, de ojos, de piel, enfermedades del tipo de la hemofilia o la ceguera para los colores…), según unas reglas o leyes que él descubrió y que llevan su nombre. Comprobó que, aunque pueda parecer que un rasgo desaparece, ya que sus descendientes no presentan ese rasgo o característica, su base heredada no lo hace, sino que, simplemente, no se manifiesta por ser recesivo y hallarse acompañado de un alelo dominante. Las leyes de Mendel se cumplen porque, en general, las especies eucarióticas son diploides, que quiere decir que el material genético está duplicado: la información genética está repetida porque de cada gen existen dos copias o alelos, cada una en uno de los dos cromosomas homólogos. Esto, que no se puede comprobar fácilmente para cada gen, se puede concluir del hecho de que todos los cromosomas, tal como se visualizan en la metafase de la mitosis, están repetidos (al menos en las hembras de los mamíferos y en los machos de las aves, porque en el caso de los machos de los mamíferos y las hembras de las aves hay un cromosoma cuya pareja no es igual: son los cromosomas sexuales o heterocromosomas): por estar repetidos los cromosomas es por lo que se habla de especies diploides. De cada molécula de ADN que forma un cromosoma existe una copia prácticamente igual (desde luego igual hasta donde se puede discriminar con el microscopio; en el apartado dedicado a la Mitosis se describe la estructura de los cromosomas).

Es muy importante distinguir qué se entiende por cromosoma en la fase de mitosis y en la fase de crecimiento celular previa a la replicación del ADN. Hay que decir (y saber) que la molécula de ADN que forma cada cromosoma sólo es funcional cuando está desplegada. Para poder entender su función hay que conocer su estructura: El ADN está formado por una doble cadena de cuatro nucleótidos (Adenina (A), Timina (T), Citosina (C) y Guanina (G)) que se emparejan de forma natural dos a dos (C-G y T-A) debido a que los nucleótidos derivados de la purina (A y G) tienen tendencia natural a formar enlaces de hidrógeno (débiles) con los nucleótidos complementarios derivados de la pirimidina (T y C): tres enlaces entre G y C y dos entre T y A. Esta doble cadena, que suele ser larguísima, adopta la forma de una escalera debido a los enlaces de hidrógeno que se forman entre las bases de cada una de ellas.

Hoy por hoy, nos parece una obviedad decir que el programa genético de las células y, por ende, de los organismos pluricelulares, está codificado en el ADN de los cromosomas, pero antes de conocerse sus elementos estructurales y su organización dentro de la molécula gracias a Watson y Crick que propusieron el modelo de la doble hélice, se eximía al ADN de esa responsabilidad, fundamentalmente porque se consideraba que no ofrecía las posibilidades de variabilidad necesarias para explicar la enorme diversidad de estructuras y elementos que integran las células y les dan su complejidad. Sí se sabía bien, sin embargo, que es en el núcleo donde se encuentra la información que rige el desarrollo y reproducción de las células porque las células a las que se les extrae el núcleo dejan de crecer y de reproducirse, mientras que si a esas mismas células se les implanta un nuevo núcleo antes de morir, recuperan la capacidad reproductora. Además, si el núcleo que se les implanta pertenece a una célula de características diferentes, la célula resultante se parece más a la que perteneció el núcleo que a la que lo recibió.


Una vez descubierto el código genético consistente en tripletas o tripletes de bases, ha quedado definitivamente probado que el ADN es la base química material de los genes. Cuando Mendel propuso su teoría de los genes, éstos eran un constructo hipotético, una forma de nombrar algo cuyos efectos se manifiestan en el organismo, pero cuya realidad material era desconocida. En la actualidad, los genes se pueden describir estructuralmente: cada gen es un trozo más o menos largo de la cadena de ADN o, lo que es lo mismo, una secuencia de bases delimitada dentro del ADN de los cromosomas. El total de genes de un organismo o de una célula está contenido en el total de cromosomas de esas células: lo que hemos llamado genoma. Por tanto, cada cromosoma (del que existen dos copias en cada célula diploide) contiene un número determinado de genes. Para hacernos una idea aún más clara de lo que es un gen basta con que sepamos que la secuencia de bases del ADN que forma un gen está determinando la secuencia de aminoácidos de la proteína correspondiente, puesto que se ha podido comprobar la correspondencia entre uno y otra y, puesto que es la secuencia de aminoácidos lo que da a las proteínas sus propiedades funcionales de las que depende la fisiología celular (de esa secuencia depende su eficacia como enzimas, o su capacidad para insertarse en la membrana y formar canales o receptores, etc…), puede decirse que, en último extremo, los genes son los responsables del adecuado funcionamiento vital de la célula. Como conjunto, constituyen el libro de instrucciones y, a la vez, son los rectores de la industria celular. Recuérdese lo que hemos dicho de que los cromosomas están repetidos y, por tanto también los genes. Esto significa que cada proteína está codificada por dos copias del mismo gen, cada una de las cuales se encuentra en cada uno de los dos cromosomas homólogos (a cada uno de los cromosomas que contienen los mismos genes se le llama homólogo: en las mujeres, por ejemplo, existen 23 cromosomas que son homólogos, uno a uno, de los otros 23). Esto va a tener implicaciones importantísimas para comprender los mecanismos y fenómenos de la herencia genética.

Si lo que vamos diciendo es cierto, la observación de que el ADN nunca sale del núcleo y de que la mayoría de las proteínas citoplasmáticas jamás se encuentran dentro de él implica que tiene que haber algún sistema de mensajería que trasporte la información de los genes desde el núcleo hasta el citoplasma, que es donde se sintetizan las proteínas. Efectivamente, hay una sustancia, el ARN, que se sintetiza dentro del núcleo y que se desplaza fuera de él hasta el citoplasma. En realidad las moléculas de ARN que se sintetizan en el núcleo son de tres tipos fundamentales, mensajero (ARNm), de trasferencia (ARNt) y ribosómico (ARNr).

Existe además, en el núcleo, una subestructura muy característica, el nucleolo. El nucleolo no es ni más ni menos que una zona donde la concentración de cromatina (ADN) es muy grande y además es funcional, es decir, está siendo trascrita a ARN. Como la maquinaria de síntesis de proteínas son los ribosomas y estos están formados en buena parte por ARN (ribosómico, obviamente), la expresión de los genes que codifican estos ARN ribosómicos es muy intensa. Por otra parte, es notable el hecho de que las secuencias de ADN que codifican estos ARN son muy numerosas o, lo que es lo mismo, estos genes están repetidos muchas veces en el mismo cromosoma. Además de los distintos tipos de ARN ribosómicos que se sintetizan en el nucleolo (a partir del ARN 45S, se obtienen tres de los ARN ribosómicos, el 18S, el 5.8S y el 28S), en el nucleolo se fabrican las dos subunidades de los ribosomas, cada una de las cuales atraviesa por separado los poros de la membrana nuclear. En la fase de mitosis, el nucleolo, como cabía predecir, se diluye hasta desaparecer; efectivamente, la cromatina muy concentrada que da la apariencia al nucleolo se empaqueta en los cromosmas y, por tanto, pierde su funcionalidad.

Orgánulos Citoplasmáticos

El Retículo Endoplasmático

Entre la membrana celular y la nuclear queda una espacio (el citoplasma) en el que se encuentran, además de los líquidos (sobre todo agua) y sustancias disueltas, orgánicas (glucosa, proteínas, ácidos grasos, nucleótidos, etc.) e inorgánicas (iones), que no se encuentran en el exterior de la célula o en concentraciones muy escasas o diferentes, una serie de orgánulos cuyas características y funciones se van a describir a continuación.

En contacto con el núcleo y en estrecha relación funcional con él está el retículo endoplasmático (RE). Ya se dijo que la doble membrana nuclear derivaba del retículo endoplasmático. Éste está organizado en forma de laberinto de tubos y sacos formado por una membrana similar a la membrana celular pero más fina. A pesar de los pliegues y repliegues de esta membrana, se puede recorrer todo el interior sin tener que atravesarla en ningún punto: se trata de un único recipiente que recibe el nombre de lumen o espacio cisternal. Por su apariencia, el RE se puede clasificar en rugoso y liso. El aspecto rugoso se lo dan los numerosos ribosomas adheridos a la cara externa de la membrana reticular. Como es sabido y como se podrá comprobar en el tema de Genética Molecular, los ribosomas son las estructuras donde los aminoácidos interaccionan entre sí y en un orden predeterminado por los genes, para unirse y formar polipéptidos o proteínas. Pues bien, las proteínas así ensambladas penetran en el lumen del RE (aunque pueden quedar ligadas a la membrana) donde sufren la incorporación de oligosacáridos o de lípidos para darles las propiedades funcionales requeridas. Las proteínas que no requieren aditamentos se sintetizan en el citoplasma gracias a la acción de los ribosomas libres, no asociados al RE. Los compuestos resultantes destinados a la secreción o a incorporarse al interior de otros orgánulos penetran completamente en el lumen, son empaquetados en vesículas, a menudo junto con lípidos de membrana, y trasportados al aparato de Golgi. Las proteínas trasmembranales permanecen ancladas en la membrana lipídica del RE. Además de proteínas, el RE tiene por misión sintetizar los lípidos de membrana, es decir, los fosfolípidos y el colesterol. Esta síntesis parece tener lugar en la parte externa de la bicapa lipídica del RE y la inserción apropiada de los lípidos en las membranas, que luego formarán parte de los distintos orgánulos celulares, incluida la propia membrana citoplasmática, se debe a la intervención de proteínas trasportadoras de lípidos (recuérdese la desigual distribución de los diferentes tipos de lípidos a uno y otro lado de la bicapa). Finalmente, hay que decir que la glucosilación de las proteínas, es decir, el ensamblaje de oligasacáridos con las proteínas para formar glucoproteínas se realiza también, en parte, en el RE, aunque luego se complete en el aparato de Golgi. Por otra parte, el RE liso es particularmente abundante en los hepatocitos que son las células responsables de la fabricación de partículas lipoproteicas, encargadas de trasportar los lípidos a los demás puntos del cuerpo a través de la corriente sanguínea: el RE liso es el responsable de la formación de fosfolípidos, esteroides y ácidos grasos. Las células especializadas en el metabolismo lipídico, como es el caso de las células que producen hormonas esteroideas a partir del colesterol, poseen un RE liso muy desarrollado. Así mismo, el RE de los hepatocitos es el responsable de la puesta en circulación en la sangre de las reservas de glucosa y, también, de la degradación de las drogas ingeridas gracias a las hidroxilasas que hacen que las drogas hidrofóbicas, v.g. los barbitúricos, se vuelvan solubles en agua y puedan ser excretadas. Otra función muy importante del RE liso es el secuestro y almacenamiento del Ca2+, facilitado por la abundancia de proteínas ligadoras de Ca2+ en el lumen.

El Complejo de Golgi, los Lisosomas y los Peroxisomas

El Aparato o Complejo de Golgi (CG), así llamado en honor a su descubridor, Camilo Golgi, quien lo describió en 1898, es una estructura también membranosa asociada estructural y funcionalmente al RE. En realidad, el RE y el Complejo de Golgi forman parte de la cadena de biosíntesis, modificación, trasporte y almacenamiento hasta su utilización o exportación fuera de la célula (exocitosis) de los compuestos químicos necesarios para la fisiología celular. El lumen o interior de estos orgánulos, así como el de las vesículas que se desgajan para el trasporte de su contenido de un compartimento a otro, es similar a la parte externa de la membrana celular. El tráfico está muy bien organizado yendo siempre en dos direcciones posibles (1) RE-CG-superficie celular o (2) RE-CGlisosomas. Es notable el hecho de que las vesículas de trasporte son capaces de discriminar y trasportar sólo las sustancias precisas, dejando en cada compartimento las que son necesarias para el adecuado funcionamiento del mismo (hay proteínas propias del RE y otras propias de CG que nunca salen dentro de las vesículas de trasporte o, si salen, son devueltas al orgánulo de origen).

El CG puede describirse como compuesto por varias cisternas delimitadas por membranas muy plegadas sobre sí mismas (entre 4 y 6) y se pueden distinguir tres dominios o zonas, cis, media y trans. La cisterna cis es la más próxima al RE y es por donde llegan las vesículas de trasporte desde el RE, mientras que la zona trans es por donde se desgajan las vesículas de trasporte hacia los demás orgánulos celulares.

El CG, además de ser la fábrica donde se completa la glucosilación de las proteínas, ya iniciada en el RE, tal como se sugiere en la Fig 3.15, es el principal director del trasporte macromolecular de la célula puesto que de él salen las glucoproteínas y glucolípidos de la membrana celular interviniendo tanto en la regeneración de la membrana plasmática (puesto que las vesículas incorporan su membrana a la membrana celular) como en la formación del glucocáliz o capa externa de la membrana donde se ubican esos glucolípidos y glucoproteínas.

El resto de proteínas “maduradas” en el CG pasan a almacenarse en orgánulos especializados, los lisosomas. En realidad, las proteínas que se almacenan en los lisosomas son enzimas hidrolíticas responsables de la degradación de las proteínas y demás sustancias orgánicas; reciben el nombre de enzimas digestivas y son especialmente eficaces en medios ácidos, con un pH 5 que se logra y mantiene gracias a la acción de una bomba bioquímica dependiente de ATP que secuestra protones de hidrógeno (H+) hacia el interior del lisosoma. En el interior de los lisosomas es donde tiene lugar la digestión celular gracias a la presencia de proteasas, nucleasas, glucosidasas, lipasas, fosfolipasas, fosfatasas y sulfatasas. Cabe distinguir dos tipos de lisosomas, los primarios, que contienen sólo enzimas y los secundarios dentro de los cuales están las enzimas, pero también se han incorporado a su interior las sustancias sobre las que han de actuar. Estas sustancias son incorporadas a la célula mediante endocitosis (que puede ser de sustancias sólidas y entonces se habla de fagocitosis o de sustancias líquidas o pinocitosis) a través de endosomas, o bien se encuentran dispersas por el citoplasma. Un ejemplo de la función de los lisosomas nos lo ofrecen los glóbulos blancos. Estas células especializadas en limpiar el organismo de agentes patógenos o extraños “engullen” mediante endocitosis este tipo de agentes (bacterias, virus, anticuerpos…) formando una vacuola que se funde con uno o varios lisosomas de forma que las enzimas entran en contacto con el agente extraño y lo degradan o digieren. Normalmente, los resultados de su degradación, es decir, los elementos o moléculas simples (monosacáridos, aminoácidos, nucleótidos, etc.) en que se han descompuesto, vuelven al citoplasma para ser reutilizados en la síntesis de nuevos compuestos o son vertidos al exterior.


Hay otro tipo de vesículas que contienen enzimas: son los peroxisomas. La diferencia con los lisosomas estriba en que están especializados en degradar bases nitrogenadas y otros compuestos cuya digestión produce agua oxigenada, muy nociva para la vida de la célula si se vierte en el citoplasma. Los peroxisomas contienen enzimas capaces de transformar el agua oxigenada en agua y oxígeno, sustancias inocuas (no tóxicas).

Las membranas de todos estos orgánulos, RE, CG y lisosomas se elaboran en el RE y se distribuyen gracias a las vesículas que se forman y que se insertan bien en la membrana plasmática y el CG, o bien forman los propios lisosomas. Sin embargo, tanto las mitocondrias, que no son capaces de sintetizar su propia membrana, como los peroxisomas, se sirven de proteínas trasferidoras de fosfolípidos para poder crecer, es decir, que tienen que incorporar los fosfolípidos de sus membranas, elaborados por el RE, uno a uno desde el citoplasma.

Las Mitocondrias

Las mitocondrias desempeñan un papel esencial en la vida de las células eucarióticas (en las células vegetales hay además cloroplastos, que obtienen energía por fotosíntesis: sintetizando nutrientes orgánicos a partir de materia inorgánica) porque son las principales responsables de la producción de energía gracias a su capacidad de sintetizar ATP a partir del ácido pirúvico. Si las mitocondrias no existieran, ciertamente las células podrían por vía anaerobia obtener energía gracias a la glucolisis, como lo hacen las bacterias anaerobias, pero mientras que la glucolisis genera un rendimiento neto de 2 ATP por molécula de glucosa (dejando dos moléculas de ácido pirúvico sin utilizar), la oxidación completa de la glucosa que se desarrolla en la mitocondria rinde más de 30 ATPs. Seguramente, sin las mitocondrias no hubiera sido posible la evolución de la vida animal tal como hoy la conocemos. Vamos a describir la estructura mitocondrial y cuál es la función de cada uno de sus elementos sin entrar en el proceso de respiración celular que se realiza en ellas y cuyo resultado es la producción de ATP.

Las mitocondrias tienen una forma más o menos cilíndrica con un diámetro de entre 0.5 y 1 μm y una longitud de entre 5 y 7.5 μm. Su número varía según la función del tejido celular: las células del hígado, por ejemplo, contienes entre 1000 y 2000 mitocondrias (1/5 de su volumen), mientras que en las fibras musculares, sobre todo las del músculo cardíaco, son mucho más numerosas (la correlación entre la necesidad energética de la célula y el número de mitocondrias es clara y directa). Además, se suelen encontrar muy próximas a los puntos donde esa energía es más necesaria (por ejemplo, alrededor de los flagelos de los espermatozoides o entre las miofibrillas del músculo cardíaco).

Toda mitocondria está delimitada por una membrana externa que contiene muchas copias de una proteína llamada porina que forma en ella amplios canales acuosos que atraviesan la bicapa lipídica por donde pueden pasar todo tipo de moléculas de tamaño pequeño y mediano (incluso pequeñas proteínas). La mayoría de estas moléculas quedan atrapadas entre la membrana externa y la interna, el espacio intermembranal. Esta membrana interna es muy impermeable, fundamentalmente porque contiene una proporción muy grande de un fosfolípido especial, la cardiolipina. Este fosfolípido, cuya característica especial es que tiene cuatro ácidos grasos en vez de los dos habituales, es el causante de la enorme impermeabilidad, especialmente al paso de iones, de la membrana interna. Insertas en ella, se encuentran diversas proteínas de trasporte encargadas de introducir en la matriz mitocondrial las moléculas metabolizadas o requeridas por la multitud de enzimas que allí se concentran, entre otras las responsables de la síntesis del acetil-CoA a partir del piruvato y de los ácidos grasos y las encargadas de la oxidación de este acetil-CoA mediante el ciclo del ácido cítrico o ciclo de Krebs. En la membrana interna se encuentran además las enzimas de la cadena respiratoria esenciales para la fosforilación oxidativa gracias a la cual las células animales producen la mayor parte de su ATP.

Si algo tienen de especial las mitocondrias (y los cloroplastos) en cuanto orgánulos celulares es que contienen ADN y ribosomas distintos de los de la célula donde “viven y colaboran”. Ya dijimos antes que son como bacterias que tal vez evolucionaron para vivir en simbiosis con las células eucariotas y, de hecho, su genoma, su ADN, es muy similar al de las bacterias, o puede que fueran las células eucarióticas las que evolucionaron hasta ser capaces de vivir simbióticamente con las mitocondrias y los cloroplastos. Se ha podido comprobar que el crecimiento y división de las mitocondrias requiere la colaboración de su propio genoma y el de la célula: mientras que la mayoría de sus proteínas son sintetizadas en el citosol a partir del programa genético de la célula, y luego importadas, unas pocas son sintetizadas dentro de la propia mitocondria a partir de su ADN y con sus propios ribosomas.

El Citoesqueleto

Las células mantienen su forma característica gracias a que poseen lo que se llama citoesqueleto, que, a diferencia del esqueleto de los vertebrados, no está formado por huesos, sino por proteínas filamentosas y tubulares. Dado que el citoesqueleto es el responsable del movimiento celular y de la fijación o desplazamiento de orgánulos desde un sitio a otro de la célula, podría con igual legitimidad recibir el título de “citomusculatura”.

De hecho, los elementos proteínicos que dan a los músculos su capacidad de contracción son del mismo tipo que algunos de los que constituyen el citoesqueleto. Todas las funciones del citoesqueleto las llevan a cabo tres tipos de filamentos proteínicos, los filamentos de actina o microfilamentos (polímeros helicoidales flexibles de doble cadena que se ubican sobre todo en las proximidades de la membrana celular) los microtúbulos (polímeros largos y rígidos en forma de tubo hueco que se expanden radialmente desde el centro de la célula) y los filamentos intermedios (especie de viguetas de construcción que se ubican irregularmente por toda la célula), gracias a sus especiales propiedades que les permiten, entre otras cosas, interactuar entre sí.

Cada uno de los tres tipos de filamentos celulares está formado por un tipo de proteína característico: la actina es el elemento básico de los microfilamentos, la tubulina, el de los microtúbulos, mientras que, por su parte, los filamentos intermedios, que son especialmente estables a diferencia de los otros dos tipos de filamentos que se sintetizan y degeneran con mucha rapidez, presentan una cierta variabilidad en su composición, puesto que pueden estar formados por diferentes proteínas fibrosas, si bien, el tipo de proteína guarda una cierta relación con el tipo de célula que se considere (keratina en las células epiteliales, vimentina en fibroblastos, glóbulos blancos y células endoteliales, desmina en los músculos, proteína acídica fibrilar de la glía, proteína fibrosa de los filamentos intermedios de las neuronas o neurofilamentos, etc). En realidad los filamentos son polímeros de estas proteínas básicas: cada filamento está formado por numerosísimas proteínas que se unen unas a otras como si fueran los ladrillos de una chimenea redonda (microtúbulos y filamentos intermedios) o los escalones de una escalera de caracol (microfilamentos). Esto no obstante, su funcionalidad requiere de la presencia de proteínas auxiliares imprescindibles para unir los filamentos entre sí y servir de motores para el trasporte de orgánulos o de los propios filamentos a través de la célula.

Funciones del Citoesqueleto

Los filamentos intermedios son especialmente abundantes en aquellas células sometidas a tensiones mecánicas, como por ejemplo las células epiteliales y en toda clase de músculos y, también, en las células nerviosas. Parece claro que la función de este tipo de filamentos es resistir las tensiones mecánicas: los pacientes que sufren una enfermedad genética llamada (nominada) epidermolisis bullosa simple, tienen una piel tan débil que cualquier roce, incluso el de los dedos, puede producir heridas. La explicación es sencilla: el gen que codifica la queratina está alterado y los filamentos de queratina sintetizada por las células epiteliales de esos individuos no se organizan correctamente para formar la red filamentosa característica de este tipo de células. Ya hemos dicho que existe una amplia variedad de filamentos intermedios, lo cual demuestra que hay además otras funciones que deben cumplir.

Los microtúbulos, que son largos tubos rígidos formados por la reunión de numerosísimos dímeros de tubulina (formados por tubulina α y tubulina β, y que se pueden observar al microscopio de fluorescencia, se hallan especialmente concentrados alrededor del núcleo celular y se expanden radialmente. Esto se explica porque el centrosoma, que, cuando la célula está en interfase, se encuentra al lado del núcleo, es la estructura organizadora de los microtúbulos. Efectivamente, los microtúbulos tienden a incorporar más dímeros de tubulina de los que pierden en su extremo periférico y a perderlos más frecuentemente de lo que los incorporan, en su extremo más próximo al centro. Sin embargo, gracias a la acción del centrosoma, en cuyo centro se encuentran los centriolos (dos estructuras tubulares perpendiculares la una a la otra), el extremo por donde se pierden dímeros queda estabilizado.

Los microtúbulos están directamente involucrados en el trasporte de orgánulos celulares: determinadas proteínas, como la dineína y la quinesina se sirven de estos microtúbulos como guía y punto de apoyo. En las neuronas, se ha podido observar que la quinesina realiza el trasporte desde el centro hacia fuera, mientras que la dineína lo hace en sentido contrario. No se conoce, sin embargo, cómo estas proteínas motoras transforman la energía de la hidrólisis del ATP en desplazamiento. Los microtúbulos constituyen también el huso mitótico, estructura especialmente importante para el reparto del material genético (los cromosomas) entre las células hijas que resultan de la mitosis (ver La reproducción celular: mitosis).

Tipos especializados de microtúbulos son los cilios y flagelos y los centriolos. Los cilios son como pelos diminutos (0.25 μm de diámetro) formados por un paquete de microtúbulos. Su función es la de mover los líquidos alrededor de la célula o propulsarla para desplazarse. En el caso de los protozoos, los cilios realizan ambas funciones. Los cilios son sumamente abundantes (109 por cm2 ) en las células que tapizan las vías respiratorias; aquí, su función es expulsar el mucus y las partículas a él adheridas. Por su parte, los flagelos son apéndices pilosos estructuralmente similares a los cilios, pero más largos y menos numerosos (1 ó 2 por célula) y su función es la propulsión celular (muy característico es el flagelo de los espermatozoides). Tanto unos como otros, cilios y flagelos, están formados por nueve tubos dobles dispuestos en círculo alrededor de dos microtúbulos sencillos que ocupan el centro de ese círculo. El conjunto de microtúbulos de cilios y flagelos recibe el nombre de axonema. En realidad cada túbulo doble está formado por un microtúbulo completo (A) al que se une un túbulo incompleto (B), de sólo 11 subunidades (en vez de las 13 habituales).

El movimiento de cilios y flagelos es el resultado de su interacción con proteínas motoras, como la dineína, que son capaces de trasmitir a los microtúbulos la energía producida en la hidrolización del ATP. Cuando se seccionan los cilios y flagelos, éstos se regeneran a partir de otra estructura tubular, los cuerpos basales que, a diferencia de cilios y flagelos, son tubos formados por nueve unidades de tres microtúbulos cada una.

Es importante saber que los centriolos son estructuralmente similares a los cuerpos basales. Pero más importante aún es tener en cuenta que los centriolos son imprescindibles para la división celular (mitosis). Los centriolos se duplican en la misma fase del ciclo celular en que lo hace el ADN. En primer lugar, se separan el uno del otro y luego se forma un nuevo centriolo perpendicular a cada uno de los dos preexistentes.

Finalmente, hay que decir que los filamentos de actina o microfilamentos son los más abundantes en la mayoría de las células eucariotas (normalemente son el 5% del total de proteínas, aunque en las células musculares llegan a constituir el 20 %). Cada molécula de actina, el monómero que forma los microfilamentos, está compuesto de 375 aminoácidos y va estrechamente asociada a una molécula de ATP. Al igual que los microtúbulos, los polímeros de actina se ensamblan y desensamblan con mucha facilidad. La variedad de funciones de los microfilamentos depende de una serie de proteínas ligadoras de actina que ensamblan los microfilamentos en estructuras más complejas.


Estas interacciones explican la acción de la actina en los procesos de citocinesis, fagocitosis y locomoción celular. Especialmente importante es la participación de los filamentos de actina en el trasporte de orgánulos y en la contracción muscular; en ambos casos es la miosina la otra proteína implicada: en el primer caso, la miosina se desplaza a lo largo del filamento gracias a la energía obtenida por la hidrólisis del ATP.

CRECIMIENTO Y MITOSIS (O REPRODUCCIÓN) CELULAR

Los seres vivos se caracterizan por su capacidad de crecer y reproducirse. Las células, por tanto, en tanto que seres vivos, también crecen y se reproducen. La reproducción celular (mitosis), a diferencia de la de los organismos pluricelulares, consiste sencillamente en que la célula se divide en dos. Esta es la manera en que se propagan las bacterias, las levaduras y demás organismos unicelulares, pero también gracias a la división celular se produce el crecimiento y desarrollo de los organismos pluricelulares, que proceden, en último extremo, de una única célula. También por mitosis se logra la regeneración de tejidos dañados o la sustitución de las células muertas de los tejidos; es más, cuando la división celular se interrumpe por cualquier motivo, el organismo al que le ocurre eso, muere indefectiblemente. Al igual que los demás seres vivos, las células, antes de reproducirse, han debido “madurar”, es decir, ser lo suficientemente adultas como para ser capaces de reproducirse. ¿Qué se quiere decir cuando se habla de que una célula es adulta y, por tanto, capaz de reproducirse o dividirse? Esencialmente, que ha duplicado sus contenidos de forma que sean suficientes para que cada una de las dos células resultantes, cuyo tamaño es la mitad, sean capaces de crecer hasta lograr de nuevo la madurez.

El Ciclo Celular

El ciclo celular es la serie ordenada de pasos por los que tiene que pasar una célula desde que “nace” por división de otra célula hasta que ella misma se divide en dos. El ciclo celular se ha dividido tradicionalmente en dos periodos, la interfase y la mitosis o división celular. La mitosis, que se podría definir como el reparto del material genético y su distribución equitativa en dos núcleos distintos, es, generalmente, la fase más breve y conspicua de todo el ciclo. Pero, antes de iniciarse la mitosis, la célula tiene que crecer y fabricar las infraestructuras necesarias para que el reparto sea el adecuado: es la interfase. La interfase puede subdividirse en tres fases o intervalos, G1, S y G2 .

El intervalo S es el más interesante de los tres de que consta la interfase porque es en él cuando se produce la replicación del ADN. El intervalo entre el “nacimiento” de la célula y la fase S recibe el nombre de fase G1, mientras que el intervalo entre la fase S y la mitosis se conoce como fase G2. Las fases G son fases de crecimiento citoplasmático. El ciclo celular estándar de las células de crecimiento rápido de los tejidos de los mamíferos viene a ser de unas 12 horas, siendo la fase G1 la que presenta mayor variabilidad. Por su parte, las células embrionarias tempranas, que son las resultantes de las primeras divisiones mitóticas del cigoto, tienen una tasa de división muy superior ya que en ellas no se da crecimiento, sino sólo replicación del ADN (fase S) y mitosis, y el ciclo celular oscila entre 8 y 60 minutos. En este caso, a partir de una célula grande, el cigoto, se producen muy rápidamente muchas células, cada vez más pequeñas (lo único que aumenta es la cantidad de ADN). ¿Cómo es posible distinguir entre las fases G1, S y G2? Se puede determinar que una célula está en fase S si incorpora timina marcada (3H-Timina), ya que la timina es una base específica del ADN (recuérdese que en el ARN su lugar lo ocupa el uracilo). Se puede saber si una célula está en la fase G1, S o G2 midiendo la cantidad de ADN que contiene su núcleo, puesto que las células que están en fase G1 tienen la mitad de ADN que las que están en la fase G2, mientras que las que están en fase S contienen algo más que las primeras y algo menos que las segundas.


Efectivamente, se puede saber cuándo una célula se halla en cualquiera de las cuatro fases del ciclo G1, S, G2 o M. Lo que no resulta tan evidente es por qué se pasa de una fase a otra. Para hacernos una idea, nos puede servir como modelo el sistema de programación de una lavadora, sólo que en este caso, el mecanismo está constituido por proteínas que, al interactuar entre sí, coordinan el conjunto de procesos celulares que llevan, en último término, a la división celular (el sentido de la vida de las células es reproducirse o lograr que se reproduzcan los organismos de los que forman parte). La regulación del proceso requiere información actualizada de los aspectos o factores esenciales para que la reproducción sea exitosa:

  • ¿Cuándo iniciar la replicación del ADN? cuando la célula es lo suficientemente grande y el ambiente es favorable.
  • ¿Cuándo iniciar la mitosis? cuando se ha replicado todo el ADN y el ambiente es favorable.
  • ¿Cuándo iniciar la metafase? cuando los cromosomas están correctamente emparejados y alineados.

Los modernos sistemas electrónicos han hecho de este tipo de sistemas de regulación (del tipo de los de las lavadoras) algo muy cotidiano. Sin embargo, las células llevan sirviéndose de estos sistemas de autorregulación toda la vida y se trata de un sistema basado en las únicas herramientas con las que cuentan las células, las proteínas. Se ha logrado comprobar la existencia de dos familias de proteínas, una conocida como protein-quinasas dependientes de ciclina (qdC) y la otra, llamada ciclinas, especializada en la activación de proteínas enzimáticas. Las ciclinas que activan las qdC son de dos tipos: unas para la iniciación de la fase S (ciclinas G1) y otras para la iniciación de la mitosis (ciclinas M). El complejo formado por la qdC y la ciclina M recibe el nombre genérico de Factor Promotor de la Mitosis (FPM).

Si a los organismos unicelulares les basta con los sistemas de regulación que hemos descrito, puesto que la selección natural favorece a aquellos individuos que, sobreviviendo en circunstancias adversas, se reproducen más deprisa y, por tanto, el único factor limitante de la reproducción es la disponibilidad de nutrientes, en las especies pluricelulares la selección natural no actúa sobre la célula individual, sino sobre el organismo como un todo donde cada célula es un servidor del organismo en su lucha (la del organismo) por la supervivencia y la reproducción, de tal manera que cada célula debe restringir su crecimiento y proliferación a las necesidades del organismo al que pertenece. En un organismo pluricelular adulto y sano, los nutrientes celulares son abundantes y están disponibles, por lo que tiene que haber algún sistema que restrinja la reproducción celular en circunstancias en las que las bacterias por ejemplo, se reproducirían sin parar. ¿Por qué es esto así? Hay que distinguir entre crecimiento y reproducción y, sobre todo, hay que reconocer que existe una interdependencia vital muy estrecha entre las células de un organismo pluricelular. Se ha comprobado que el crecimiento y proliferación celular en los organismos pluricelulares depende más de la presencia de factores de crecimiento, que de la presencia de nutrientes. Cantidades diminutas de estos factores de crecimiento, que son proteínas muy específicas, son suficientes para impedir que las células queden “estancadas” en su desarrollo durante la fase G1, fase que, en este caso, se conoce como G0 porque no hay crecimiento. Entre los factores de crecimiento más importantes están las interleuquinas, eritropoietinas y los factores de crecimiento epidérmico, nervioso, de tipo insulínico, etc. La mayoría de ellos proceden de las células vecinas a aquellas sobre las que ejercen sus efectos, si bien algunos se desplazan por la sangre. Además de regular el crecimiento y la división celular, estos factores de crecimiento pueden influir en la supervivencia celular, la diferenciación, la migración, así como en su funcionalidad. La limitación natural de la proliferación celular se logra gracias a que las cantidades de estos factores es mínima y todas las células compiten por captarlos. El efecto de los factores de crecimiento se ejerce, en último extremo, a través de la regulación de la trascripción de genes que codifican proteínas reguladoras (genes de expresión rápida) y genes de expresión retardada (cuya expresión parece depender de la presencia de proteínas reguladoras); estos genes son los que codifican las ciclinas y las quinasas dependientes de ciclinas (qdC).

La Reproducción Celular: Mitosis

El paso de la fase a la mitosis se inicia cuando se forma el complejo ciclina M-quinasa dependiente de ciclina (cM-qdC). Esto ocurre cuando se han duplicado completamente tanto los cromosomas como el centrosoma o centro organizador de los microtúbulos. Mientras que la duplicación del ADN (los cromosomas) tiene lugar en la fase S, la del centrosoma se inicia ya en la fase G1 para completarse en la fase G2. No deja de ser curioso que los centrosomas, y los centriolos asociados a ellos, se duplican siguiendo un ciclo autogenerado: el ciclo de duplicación del centrosoma se completa aun cuando se haya extirpado el núcleo celular o se haya inhibido farmacológicamente la replicación del ADN. Otro aspecto esencial de la mitosis es que debe asegurar que cada una de las dos células resultantes reciba aquellos orgánulos que, como las mitocondrias, el retículo endoplasmático y el complejo de Golgi, no pueden generarse ex novo.

Pero lo esencial de la mitosis es el traspaso preciso de copias idénticas de todo el material genético de la célula originaria a cada una de las dos células resultantes de la división celular. Las copias de las moléculas de ADN se hicieron en la fase S, así que la mitosis se ocupa de distribuirlas correctamente. Para lograr un reparto estrictamente equitativo, las células siguen un proceso consistente en una serie ordenada de 6 pasos, de los que los cinco primeros (profase, prometafase, metafase, anafase y telofase) tienen que ver con la manipulación del ADN para dividirlo en dos lotes exactamente iguales (que contienen exactamente los mismos genes y en la misma cantidad), en tanto que el sexto paso (la citocinesis) tiene por función lograr la separación física de las dos células hijas resultantes. En esencia, el proceso de la mitosis implica la interacción entre los microtúbulos que forman el uso mitótico y las moléculas de ADN condensadas en forma de cromosomas. A continuación vamos a ver cómo se desarrolla todo ese proceso y qué es lo esencial de cada uno de sus pasos.

Profase

Dos son los aspectos que hay que considerar en la profase: por un lado, el hecho de que el ADN está ya condensado formando cromosomas y, por otro, que los centriolos comienzan a alejarse de las proximidades del núcleo y a alejarse el uno del otro buscando los polos de la célula. Además, el citoesqueleto pasa por una fase de labilidad, donde los microtúbulos del citoesqueleto tienden a acortarse, mientras que, simultáneamente, tienden a formarse nuevos microtúbulos que irradian a partir del centrosoma. Algunos de estos nuevos microtúbulos propenden a hacerse mucho más largos de lo habitual entre los microtúbulos normales de la interfase, los cuales, incluso, pueden ser degradados por procesos enzimáticos. Los microtúbulos que logran alcanzar mayor longitud se estabilizarán y formarán el huso mitótico. Los microtúbulos todavía no penetran en el núcleo celular. Al entrar en contacto, los microtúbulos procedentes de uno y otro centrosoma, cuya conexión se logra gracias a la intervención de proteínas especializadas, provocan el distanciamiento de ambos centrosomas. En esta misma época es cuando a cada lado de los centrómeros de cada cromosoma (zonas especialmente estrechas) se unen los cinetocoros, que son otras proteínas especializadas. Los cinetocoros actúan a modo de punto de anclaje para los microtúbulos polares del huso mitótico.

Prometafase

Es en la prometafase cuando algunos microtúbulos, en este caso, microtúbulos cinetocóricos, pueden entrar en contacto con los cromosomas interactuando con los cinetocoros porque es ahora cuando se desintegra la membrana nuclear: los cinetocoros captan y se unen lateralmente a un número determinado de microtúbulos cinetocóricos. Estos microtúbulos ejercen una presión sobre los cromosomas tendente a acercarlos hacia el polo del huso mitótico atrayéndolos por el cinetocoro, pero esta fuerza se ve contrarrestada por otra fuerza que tiende a alejarlos del polo (esta fuerza parece ser debida a microtúbulos no conectados con el cinetocoro). Sea como sea, el caso es que al cabo al cabo, los cromosomas terminan por reunirse todos en el ecuador del huso mitótico. En este punto se hace imprescindible reflexionar sobre la estructura del cromosoma y qué representa cada uno de sus elementos.

Hay que caer en la cuenta de que cada cromosoma está compuesto por dos cromátidas idénticas la una a la otra (puesto que la una ha sido sintetizada a partir de la otra). Además, como estamos hablando de células diploides, sabemos que cada cromosoma tiene su homólogo, es decir, que hay otro cromosoma exactamente igual a él (estructuralmente igual, con los mismos genes en los mismos loci, aunque puede que alguna base esté cambiada y por eso una misma célula puede poseer dos alelos distintos para algunos genes. Así pues, si todos los cromosomas están repetidos y cada cromosoma consta de dos cromátidas, la conclusión es que hay cuatro cromátidas iguales por cada célula a partir del final de la fase S. Según esto, las células somáticas humanas en proceso de división contienen 46 cromosomas y, por ende, 92 cromátidas.

Metafase

Cuando los cromosomas se ubican en el ecuador del huso mitótico formando lo que se conoce como placa ecuatorial, se alcanza la metafase. En realidad, los cromosomas están sometidos a fuerzas que tiran de ellos desde uno y otro polo, lo que les hace oscilar en las proximidades del ecuador. De hecho, si se secciona uno de los enganches cinetocóricos, el cromosoma se desplaza hasta el polo opuesto donde queda enganchado de forma permanente. Si se corta la unión entre ambas cromátidas, cada una de ellas se desplaza hacia su polo más próximo, como ocurrirá de forma natural en la anafase.

Anafase

La anafase se inicia cuando se degrada la ciclina y, consecuentemente, se inactiva el Factor Promotor de la Mitosis. Esto sólo ocurre cuando todos y cada uno de los cromosomas están alineados en el ecuador del huso mitótico. A partir de este momento, cada una de las dos cromátidas de cada cromosoma se separa de la otra y la tracción ejercida por los microtúbulos cinetocóricos trasporta la cromátida que lleva adherida hacia las proximidades del centrosoma correspondiente (anafase A). Los microtúbulos polares (los que no se unen a los cromosomas), por su parte, se alargan de forma que los dos centrosomas se alejan más todavía. La anafase suele ser muy breve.

Telofase

Una vez reunidas todas las cromátidas en las proximidades del centrosoma (ahora las cromátidas suelen recibir el nombre de cromosoma: cromosoma=cromátida), comienza a recomponerse la membrana nuclear envolviendo los cromosomas. Inmediatamente comienzan a importarse las proteínas nucleares, a descondensarse los cromosomas y se inicia la síntesis de ARN, lo que hace que aparezca de nuevo el nucleolo. Los microtúbulos polares se alargan todavía un poco más.

Citocinesis

La citocinesis es la separación del citoplasma que rodea a cada uno de los dos nuevos núcleos recién formados para formar dos células completas e independientes. El citoplasma se divide en dos, normalmente por el centro de la célula originaria, gracias a la formación de un anillo contráctil de filamentos de actina y miosina que es capaz de generar la fuerza necesaria para seccionar la célula. El anillo se va haciendo cada vez más estrecho hasta lograr seccionar la célula. El proceso es similar a lo que le ocurriría a un globo al que se le ata alrededor de su ecuador una cuerda que se va apretando cada vez más: al final (si no explota antes) aparecen dos globos la mitad de grandes unidos por el punto donde está la cuerda. En el caso de las células son los filamentos de actina y miosina los que van haciendo cada vez más estrecha la zona de unión entre ambas células hijas hasta que las separan por completo.

ORIGEN Y EVOLUCIÓN DE LA VIDA

El Origen de la Vida

Hace ya algún tiempo que nadie duda (excepto los creacionistas, tierraplanistas, y etc…) de que la actual vida terrestre es un punto concreto en el largo proceso de la evolución y, se considera una hipótesis plausible que la vida haya surgido a partir de la materia inerte. La Tierra, según parece, se formó hace unos 4.600 millones de años a partir del polvo y los demás materiales que giraban alrededor del Sol recorriendo la órbita que en la actualidad recorre nuestro planeta. Las fuerzas gravitatorias fueron las responsables de que se fueran adhiriendo cada vez más partículas, al atraerlas a gran velocidad, haciendo que su volumen fuera cada vez más grande. Además, la radiactividad de los componentes terrestres generaba una enorme cantidad de energía, con lo que la temperatura de la Tierra era muy elevada. En estas condiciones, la materia terrestre era casi líquida y los materiales más pesados se hundían en el magma terrestre formando el núcleo. Con el paso del tiempo, la parte externa se fue enfriando y se formó la corteza terrestre (proporcionalmente más fina que la piel de una manzana). Pero todavía no había vida sobre la Tierra. De hecho, las rocas más antiguas de que se tiene noticia datan de hace 4.100 millones de años, siglo más o menos. Las enormes temperaturas del magma terrestre provocaron que el agua en forma de vapor (nubes) pasara a la atmósfera. Este vapor, en forma de lluvias torrenciales, volvió a caer a la Tierra formando los océanos. Parece claro que no había en aquella atmósfera primigenia ni oxígeno, tan necesario para los seres vivos actuales, ni ozono que hiciera de escudo contra los rayos ultravioleta del sol. No se puede saber, sin embargo, si había metano (CH4) o amoniaco (NH3); existen razones para pensar que el metano y el amoniaco pudieron formarse de modo natural. Pero es seguro que había grandes lluvias, tormentas con su parafernalia eléctrica y erupciones volcánicas mucho más frecuentes que en la actualidad.

Ya Oparín y Haldane entre los años 1920 y 1930, propusieron la hipótesis de que a partir de esta sopa primigenia se podrían haber sintetizado espontáneamente compuestos orgánicos. De hecho, experimentos de la década de 1980 prueban que, efectivamente, a partir de un caldo de agua (H2O), dióxido de carbono (CO2), metano (CH4), amoniaco (NH3) e hidrógeno (H2) y con la energía de descargas eléctricas se obtienen diferentes compuestos orgánicos, aminoácidos, azúcares, bases púricas y pirimidínicas, nucleótidos, etc., muchos de los cuales son importantes componentes de los seres vivos actuales. Además, la ausencia de oxígeno facilitaba su estabilidad, ya que este elemento propende a reaccionar con las moléculas orgánicas. Y, aunque estos experimentos no pueden reproducir exactamente las condiciones del caldo primigenio, lo cierto es que las posibilidades de variaciones y de tiempo (miles de millones de años) que tuvo la Tierra no podrá tenerlas jamás investigador alguno, por más tenaz que pueda ser.


Las moléculas orgánicas así sintetizadas pueden formar polímeros, moléculas complejas resultantes de la unión química de moléculas simples: muchos azúcares así unidos forman un polisacárido, muchos nucleótidos se unen mediante enlaces fosfodiéster y forman un ácido nucleico o polinucleótido (ARN ó ADN), muchos aminoácidos unidos por enlaces peptídicos forman una proteína, etc. Estos polímeros son componentes esenciales de los seres vivos actuales y, se supone, de los ancestros de los que proceden. La polimerización puede producirse por mero calentamiento o por el efecto que sobre los monómeros ejercen determinadas sustancias con propiedades catalíticas. El planteamiento de las hipótesis actuales sobre el origen de la vida parte del supuesto de que alguna de estas moléculas orgánicas, por sus propiedades de estabilidad, autorregulación y autorreplicación, es mejor candidata que las demás a ser germen de la vida sobre la Tierra. En los experimentos, y en el caldo primigenio, la unión de monómeros se produce al azar. Sin embargo, las propiedades de los polímeros, sobre todo de los ácidos nucleicos y las proteínas, dependen de la secuencia de sus componentes (lo que en las proteínas recibe el nombre de estructura primaria). ¿Cuál es, de entre las biomoléculas espontáneamente generadas, la que mejor cumple los requisitos de autorreplicabilidad que caracteriza a la vida? Dicho de otra manera: ¿cuál de estas moléculas tiene la capacidad de regular su propia replicación? Los polinucleótidos tienen la propiedad intrínseca de producir copias estructuralmente complementarias (recuérdese que en el caso del ADN, se emparejan la Citosina con la Guanina y la Timina con la Adenina, mientras que en el ARN, que también tiene tendencia a formar cadenas complementarias, no aparece nunca la Timina, pero sí el Uracilo, que se empareja con la Adenina), aunque no tienen tanta capacidad catalítica (capacidad de facilitar determinadas reacciones químicas) como las proteínas. El hecho de que los polinucleótidos sean capaces de copiarse a sí mismos en situaciones que pretenden asemejarse a las del caldo primigenio previo a la aparición de la vida, unido a que son también los nucleótidos los depositarios de la información genética que todos los seres vivos pasan a sus descendientes generación tras generación, ha sugerido la hipótesis de que la vida sobre la Tierra está basada y apareció gracias a estas propiedades de los polinucleótidos. Si a esto añadimos que el ARN tiene más facilidad para catalizar su propia autorreplicación, no es de extrañar que sea el ARN, y no el ADN, el candidato con más probabilidad de ser el primer y principal factor causal de la vida. Además, se ha podido comprobar que algunas secuencias de ARN son más eficaces que otras en conseguir replicarse, lo cual no es ni más ni menos que una forma de selección natural donde los ARN más eficaces en replicarse acaparan la mayor parte de los nucleótidos libres del caldo primigenio y, por ende, serán los más abundantes. Este proceso, visto desde la perspectiva de la complejidad y fiabilidad de las células que conocemos en la actualidad a la hora de reproducirse y replicar su información genética, no deja de parecer muy rudimentario. Es más, plantea algunos problemas adicionales. Se ha observado que determinadas secuencias de ARN son especialmente eficaces en promover la replicación de cualquier molécula de ARN. Claro que si esta capacidad se despliega inespecíficamente colaborando a la replicación de cualquier otra molécula de ARN, el resultado es que estos ARNs no sólo estarán replicándose a sí mismos, sino también ayudando a los ARN competidores a replicarse. Ahora bien, si se diera reciprocidad entre distintos ARN, colaborando unos con otros en el proceso de replicación, es posible que los ARN que así actuaran produjeran más copias que los demás. Los ARN también son capaces de dirigir la formación de polipéptidos según la secuencia de sus bases (según un código de tripletes idéntico al que se sabe utilizan todos los seres vivos). Se acepta que algo de esto debió iniciarse hace entre 3.500 y 4.000 millones de años. Los seres vivos han mejorado enormemente la eficacia de los primeros ARN gracias a la capacidad de sintetizar proteínas que superan en mucho al ARN en capacidad catalítica: son las enzimas, proteínas que facilitan las reacciones químicas necesarias, por ejemplo, para la replicación del propio ARN, del ADN… El paso siguiente hacia la vida pudieron darlo determinados ARNs capaces de sintetizar proteínas enzimáticas que hicieran la replicación del ARN mucho más rápida. Como, probablemente, estos enzimas, al difundirse por el caldo primigenio, podrían facilitar la replicación no sólo del ARN del que procedían, sino de cualquier ARN que encontraran a su paso, estarían contribuyendo al éxito de diferentes ARN. Esto va contra el principio de la selección natural, puesto que el ARN que produce el enzima no está mejorando específicamente su capacidad de replicación sino también la de sus competidores. Este problema desaparece si consideramos la posibilidad de que alguno de estos ARNs capaces de sintetizar enzimas pudieron estar rodeados por fosfolípidos a modo de membranas (sabemos que los fosfolípidos, que pudieron formarse en el caldo primigenio, tienden a formar compartimentos aislados en forma de pequeñas vesículas) de tal forma que esas proteínas enzimáticas sólo interactuaran con el ARN del que proceden. El siguiente paso, y último, hacia la vida tal como la conocemos sería la síntesis por parte del ARN del ADN, un polinucleótido más estable y fiable donde se halla codificada toda la información genética de las células.

Evolución Celular

Mientras que el proceso bioquímico que suponemos originó la vida comenzó, supuestamente, hace 4.000 millones de años (aunque de él no quedan huellas), los restos (estromatolitos) más antiguos dejados por lo que pudieron ser las primeras células datan de hace 3.000 millones de años. Estos primeros seres vivos tuvieron que sobrevivir en un ambiente sin oxígeno, así que el oxígeno que permite la vida aerobia actual tiene que haber sido producido por alguien en algún momento de la historia de la Tierra. Los seres vivos más simples que se conocen son las bacterias. Éstas, además de ser extraordinariamente diversas, son capaces de suministrarse la energía y los nutrientes esenciales de las fuentes más variopintas e impensables (moléculas orgánicas de todo tipo, pero también CO2 y N2). Las bacterias se clasifican grosso modo en arquibacterias y eubacterias. Las primeras pueden habitar nichos tan inhóspitos como géiseres (bacterias sulfuorsas), profundidades abisales (se han encontrado bacterias capaces de sobrevivir en los fondos marinos donde el agua alcanza temperaturas de más de 100 °C debido al calor de erupciones volcánicas submarinas), lugares extremadamente salados (halófilas), etc. La complejidad de la maquinaria metabólica de los seres vivos actuales es extraordinaria. Cabe pensar que en el principio de la vida tal complejidad no sería necesaria dado que el caldo primigenio estaría repleto de compuestos orgánicos del tipo de los que se han logrado producir artificialmente a partir de agua, dióxido de carbono, hidrógeno, metano y amoniaco. Ahora bien, conocida la eficacia reproductiva de las bacterias (una sola en un medio bien abastecido puede reproducirse hasta alcanzar los 5 mil millones de copias en tan sólo medio día), no queda más remedio que concluir que pronto los recursos alimenticios empezarían a escasear. La consecuencia obvia es que sólo aquellas células más preparadas para aprovechar al máximo los ahora escasos recursos, podrían continuar viviendo. Puesto que la forma de aprovechar los recursos se basa en las capacidad de metabolizarlos, y ésta en la producción de enzimas, es claro que la evolución seleccionó aquellas células poseedores de enzimas cada vez más eficientes. Se desencadenó la carrera por desarrollar cada vez mejores vías metabólicas. La primera vía metabólica en desarrollarse por completo debió ser, necesariamente, la anaerobia (la glucolisis), puesto que, como hemos dicho, la atmósfera terrestre primitiva no contenía oxígeno. De hecho, todas las células actuales poseen las enzimas necesarias para la glucolisis.

La cuestión a la que hay que responder ahora es ¿de dónde ha salido todo el oxígeno de la atmósfera terrestre actual siendo que no lo había en la atmósfera primitiva? y también ¿cómo es posible que la mayor parte de la vida actual se base en el oxígeno siendo que este elemento se acumuló en cantidades importantes no hace más de 2.000 millones de años? El oxígeno es el resultado de la aparición sobre la Tierra de una nueva forma de sintetizar compuestos orgánicos: la fotosíntesis, que utiliza la energía de las radiaciones solares para sintetizar compuestos orgánicos a partir del CO2 y del agua. La clorofila es el compuesto que canaliza productivamente el proceso. Las primeras células capaces de lograr vivir a base de luz, agua, N2 y CO2 fueron las cianobacterias. Ellas, junto con otras bacterias que comparten con ellas algunas de sus capacidades, fueron las responsables de que la atmósfera acumulara el oxígeno suficiente para la vida aerobia. Lamentablemente, el oxígeno afectó negativamente a muchos tipos de organismos anaerobios primitivos debido a su capacidad de reaccionar químicamente con casi todos los componentes citoplasmáticos, impidiendo la supervivencia de buena parte de ellos. Pero aquellas células que sobrevivieron al exceso de oxígeno pudieron evolucionar y de hecho evolucionaron hasta ser capaces de aprovechar el oxígeno para obtener el máximo rendimiento energético de la glucosa: la respiración u oxidación aeróbica de la molécula de glucosa rinde muchísima más energía que la glucolisis (la respiración hizo bajar mucho el precio de la energía). De esta manera, aparecieron las bacterias aerobias. Desde luego, las células que no fueron capaces de adoptar el sistema aerobio estaban en franca desventaja en su competición con las que sí lo adoptaron. Muchas de ellas, naturalmente, desaparecieron, pero algunas desarrollaron estrategias alternativas: la predación, el parasitismo o la simbiosis con las células aerobias. Esta última estrategia, la simbiosis, parece ser la explicación del tipo de metabolismo de las células eucariotas actuales: las mitocondrias serían un tipo de organismo procariótico capaz de compartir la energía aerobia con la célula dentro de la cual vive, mientras que los cloroplastos son procariotas del tipo de las cianobacterias y, por tanto, sintetizan compuestos orgánicos para las células vegetales en las que habitan valiéndose de la clorofila.

Los organismos unicelulares, eucariotas o procariotas, han tenido un enorme éxito en la colonización del planeta. Muchos de estos organismos son autosuficientes ya que son capaces de sintetizar todas las sustancias que necesitan para vivir a partir de unos pocos nutrientes que pueden obtener de su entorno.
¿Cómo es, entonces, que existen organismos pluricelulares? ¿Qué es lo que les da ventaja evolutiva? La respuesta más obvia es que la colaboración entre diferentes células puede permitir una explotación más eficaz del medio. Ahora bien, para que esta colaboración sea posible, puesto que la mayor eficacia procede del reparto de funciones, es preciso que haya una coordinación entre los diferentes grupos de células. Si todas poseen el mismo genoma, los mismos genes, ¿cómo es posible que adopten formas y funciones diferentes? Porque poseen la propiedad de expresar su herencia genética de muchas formas diferentes: genes que se expresan en un tipo de células no lo hacen en otros tipos diferentes, dentro de un mismo organismo. Evolutivamente, parece que las primeras células animales especializadas que aparecieron fueron las células epiteliales, que permitían aislar del exterior la parte interna del cuerpo. A continuación pudieron aparecer las células musculares, nerviosas y las del tejido conectivo. Todas ellas pueden encontrarse en los animales actuales más sencillos. El proceso de evolución de la multicelularidad fue posible gracias a la aparición de sistemas cada vez más sofisticados de coordinación y regulación de la expresión génica en sus células individuales. Del tipo de genes que se expresan depende la conformación y funcionalidad de cada uno de los diferentes tejidos. Los tipos celulares diferentes de los vertebrados pueden llegar hasta 200, cada uno de los cuales cumple funciones diferentes para beneficio del organismo, además de sobrevivir y reproducirse en la medida de lo necesario para que el organismo como un todo funcione de la mejor manera posible para lograr sobrevivir y reproducirse. Ni que decir tiene que los organismos pluricelulares no han desbancado en absoluto a los unicelulares, concretamente a las bacterias, como pobladores de la faz de la Tierra. Es más, se podría afirmar que la pluricelularidad es casi una excentricidad de la naturaleza, habida cuenta de que la mitad de la biomasa terrestre está constituida por bacterias. Lo cierto es que hay un límite para el tamaño mínimo que puede tener un ser vivo, aunque sea unicelular. Sin embargo, es posible que aumentar el tamaño pueda proporcionar ventaja para sobrevivir y reproducirse. Esto no quiere decir que aumentar de tamaño sea imprescindible para mejorar las expectativas vitales: la mayoría de los seres vivos, las bacterias, son unicelulares y dada una especie concreta, la probabilidad de que las especies descendientes sean más grandes no es mayor, sino igual o incluso menor que la de que sean más pequeñas. Podemos afirmar tranquilamente que la complejidad estructural y funcional de la especie humana es un hecho extraordinariamente improbable que, por suerte o por desgracia para nosotros, ha tenido lugar.

REFERENCIAS

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