La célula: Unidad vital
  Prof. Dr. César Sánchez y Prof. Dra. Ursula Tropper

Nadie sabe con exactitud cuándo o cómo comenzó su existencia la célula viva. Las evidencias disponibles sugieren que los precursores de las primeras células surgieron en forma espontánea, mediante el autoensamblaje de moléculas simples.
El Universo habría comenzado con una gran explosión o “Big Bang”. Antes de esta explosión, probablemente toda la energía y la materia se encontraban en forma de energía pura, comprimida en un punto. Según este modelo, a medida que el Universo se expandió, su temperatura descendió y la energía se fue convirtiendo en materia. Primero habrían aparecido las partículas subatómicas, los neutrones y los protones, luego se habrían combinado formando los núcleos atómicos. Más tarde cuando la temperatura descendió aún más, la carga positiva de los protones habría atraído a los electrones, cargados negativamente, y se habrían formado los primeros átomos.
Hace unos 4.600 millones de años, una condensación de gas y polvo habría comenzado a formar el Sistema Solar. Al enfriarse la Tierra primitiva, los materiales más pesados se habrían reunido en un denso núcleo central y en la superficie se formó una corteza. Se postula que la atmósfera estaba formada principalmente por hidrógeno y helio, que pronto escaparon al espacio y fueron reemplazados por los gases presentes en las emanaciones volcánicas y el agua en estado de vapor proveniente del interior del planeta. Al bajar aún más la temperatura, el agua se condensó y formó los océanos.

Comienza la vida

Toda la vida que existe en el planeta habita un área denominada biosfera que abarca toda la superficie terrestre, y se extiende entre 8 y 10 kilómetros hacia el espacio y otro tanto hacia las profundidades del mar.
Las células vivas poseen cuatro características que las distinguen de otros sistemas químicos:

  • una membrana que las separa del ambiente circundante y les permite mantener su identidad bioquímica;
  • enzimas esenciales para las reacciones químicas de las que depende la vida;
  • capacidad para replicarse generación tras generación;
  • posibilidad de evolucionar a partir de la producción de descendencia con variación.

El primer conjunto de hipótesis contrastables acerca del origen de la vida fue propuesto por A. I. Oparin y J. B. Haldane, quienes postularon que la aparición de la vida fue precedida por un período de evolución química. Probablemente no había o había muy poco oxígeno libre y los elementos mayoritarios que forman parte de todos los seres vivos (hidrógeno, oxígeno, carbono y nitrógeno) estaban disponibles en el aire o en el agua. La energía abundaba en forma de calor, rayos, radiactividad y radiación solar. En estas condiciones, en microambientes relativamente protegidos de las severas condiciones ambientales, se habrían formado moléculas de complejidad creciente. La evolución química habría sido seguida por la evolución prebiológica de los sistemas plurimoleculares. La complejidad siguió aumentando y condujo a la aparición de un metabolismo sencillo.
En 1953, Stanley Miller aportó las primeras evidencias experimentales a favor de la teoría de Oparin. Miller demostró que casi cualquier fuente de energía puede convertir moléculas simples en una variedad de compuestos orgánicos complejos. Aunque ahora se considera que la atmósfera primitiva no se parecía a la que simuló Miller, su experimento demostró que la formación espontánea de sustancias orgánicas a partir de moléculas inorgánicas simples es posible.
La célula
Podemos definir a la célula como la unidad morfológica y funcional de todo ser vivo. De hecho, la célula es el elemento de menor tamaño que puede considerarse vivo, que es capaz de cumplir todas las funciones de un organismo independiente -como intercambios metabólicos, crecimiento y reproducción- que permiten su subsistencia mediante una integridad morfológica y fisiológica.
Si bien Hooke, en el siglo XII, descubrió la célula, fue el patólogo berlinés R. Virchof el fundador de la patología celular y cuya aseveración “omnis cellula e cellula” (toda célula proviene de otra célula preexistente) todavía tiene su validez. La aparición del microscopio permitió observar las pequeñas y extremadamente delicadas estructuras que la componen y reconocer con el microscopio electrónico los elementos moleculares así como los mecanismos biomoleculares que tienen lugar en su interior.
La célula se compone del citoplasma y un núcleo. La estructura se automantiene activamente mediante el metabolismo, asegurándose la coordinación de todos los elementos celulares y su perpetuación por replicación a través de un genoma codificado por ácidos nucleicos. Los elementos estructurales que componen la célula son:
Núcleo: está rodeado de forma característica por una membrana, es esférico y mide unas 5 µm de diámetro. Dentro del núcleo, las moléculas de ADN y proteínas están organizadas en cromosomas que suelen aparecer dispuestos en pares idénticos. Los cromosomas están muy retorcidos y enmarañados y es difícil identificarlos por separado. El nucléolo interviene en la formación de los ribosomas (orgánulos celulares encargados de la síntesis de proteínas). Hay uno o varios y no están separados del resto del núcleo por estructuras de membrana.
Citoplasma: comprende todo el volumen de la célula, salvo el núcleo, y engloba numerosas estructuras especializadas y orgánulos. Está contenido dentro de la membrana celular compuesta por fosfolípidos con permeabilidad selectiva que mantiene un medio interno altamente ordenado y diferenciado del medio externo en cuanto a su composición, sujeta a control homeostático, la cual consiste en biomoléculas y algunos metales y electrolitos. Las células, como sistemas termodinámicos complejos, poseen una serie de elementos estructurales y funcionales comunes que posibilitan su supervivencia; no obstante, los distintos tipos celulares presentan modificaciones de estas características comunes que permiten su especialización funcional y, por ello, la ganancia de complejidad. De este modo, las células permanecen altamente organizadas a costa de incrementar la entropía del entorno, uno de los requisitos de la vida.
Los elementos estructurales del citoplasma son:

  • Mitocondria: diminuta estructura celular de doble membrana responsable de la conversión de nutrientes en el compuesto rico en energía trifosfato de adenosina (ATP), que actúa como combustible celular. Por esta función que desempeñan, llamada respiración, se dice que las mitocondrias son la central de energía.
  • Lisosoma: es un saco, delimitado por una membrana, que se encuentra en las células con núcleo (eucarióticas) y contiene enzimas digestivas que degradan moléculas complejas. Los lisosomas abundan en las células encargadas de combatir las enfermedades, como los leucocitos, que destruyen invasores nocivos y restos celulares.
  • Aparato de Golgi: es un complejo sistema y conjunto de membranas conectadas entre sí, que forma un esqueleto citoplásmico. Forman un extenso sistema de canales y mantienen unidos a los ribosomas. Su función es preparar a las proteínas que la célula excreta, por ejemplo el colágeno.
  • Centríolos: Cada una de las dos estructuras de forma cilíndrica que se encuentran en el centro de un orgánulo de las células eucarióticas denominado centrosoma. Al par de centríolos se los conoce con el nombre de diplosoma; éstos se disponen perpendicularmente entre sí.
  • Ribosoma: es un corpúsculo celular que utiliza las instrucciones genéticas contenidas en el ácido ribonucleico (ARN) para enlazar secuencias específicas de aminoácidos y formar así proteínas. Los ribosomas se encuentran en todas las células y también dentro de dos estructuras celulares llamadas mitocondrias y cloroplastos. Casi todos flotan libremente en el citoplasma, pero muchos están enlazados a las redes del retículo endoplasmático.
  • Retículo Endoplasmático: es una extensa red de tubos que fabrican y transportan materiales dentro de las células eucarióticas. Está formado por túbulos ramificados limitados por membrana y sacos aplanados que se extienden por todo el citoplasma y se conectan con la doble membrana que envuelve al núcleo. Hay dos tipos de retículo endoplasmático: rugoso y liso.
  • A - El retículo endoplasmático rugoso tiene la superficie externa cubierta de los diminutos ribosomas, donde se produce la síntesis de proteínas. Transporta las proteínas producidas en los ribosomas hacia las regiones celulares en que sean necesarias o hacia el aparato de Golgi, desde donde se pueden exportar al exterior.
  • B - El retículo endoplasmático liso desempeña varias funciones. Interviene en la síntesis de casi todos los lípidos que forman la membrana celular y las otras membranas que rodean las demás estructuras celulares, como las mitocondrias y en las células especializadas en el metabolismo de lípidos. También interviene en la absorción y liberación de calcio para mediar en algunos tipos de actividad celular. En las células del músculo esquelético, por ejemplo, la liberación de calcio por parte del RE activa la contracción muscular.
  • Membrana Plasmática: la membrana plasmática de las células eucarióticas es una estructura dinámica formada por 2 capas de fosfolípidos en las que se embeben moléculas de colesterol y proteínas. Los fosfolípidos tienen una cabeza hidrófila y dos colas hidrófobas. Las dos capas de fosfolípidos se sitúan con las cabezas hacia fuera y las colas, enfrentadas, hacia dentro. Es decir, los grupos hidrófilos se dirigen hacia la fase acuosa, los de la capa exterior de la membrana hacia el líquido extracelular y los de la capa interior hacia el citoplasma. Su función es esencial, ya que controla activamente todos los intercambios entre el citoplasma y el exterior de la célula.

Bioquímica de la estructura celular
Los aminoácidos
Las proteínas están constituidas por la unión peptídica de distintos aminoácidos. Los aminoácidos (AA) que componen las proteínas del organismo son 20, de los cuales aquellos que no se pueden sintetizar -y por consiguiente deben incorporarse con los alimentos- se denominan esenciales, mientras que al resto se los denomina no esenciales. Los aminoácidos no esenciales son sintetizados por diferentes mecanismos a partir de intermediarios del ciclo de Krebs, del ciclo de las pentosas y de la glucólisis. Los AA que exceden de los necesarios para la síntesis de proteínas no se almacenan ni se excretan, sino que se degradan. Su degradación tiene lugar principalmente en el hígado y el riñón. Entre los productos finales que se obtiene del catabolismo de los AA se encuentra el ion amonio (NH4+) el cual se utiliza para la síntesis de compuestos nitrogenados, cuando se halla en exceso se transforma en urea y se excreta con la orina.
Los Ácidos nucleicos
Los ácidos nucleicos son polímeros de subunidades denominadas nucleóticos unidas entre sí por uniones fosfodiester. Cada nucleótido está formado por un grupo fosfato, un monosacárido y una base que puede ser una purina o una pirimidina. Los ácidos desoxiribonucleicos (DNA) son ácidos nucleicos que tiene como monosacáridos a la desoxirribosa y los ribonucleicos (RNA) a la ribosa. Las bases de los nucleótidos que componen el ADN son cuatro: adenina (A), guanina (G), citosina (C) y timina (T), en tanto que en el ARN, la timina (T) es reemplazada por uracilo (U).
Proteínas
Las proteínas del organismo desempeñan una gran variedad de funciones. Forman parte de estructura de las células y además ciertas proteínas poseen funciones específicas (hormonas, receptores de proteínas y de hormonas, transporte de iones y metabolitos, actividad enzimática, inmunidad, transporte de sustancias en la sangre). Por otra parte, por el mecanismo de neoglucogénesis, son fuente de energía en el ayuno y la diabetes. 
La mayoría de las actividades biológicas están mediadas por proteínas, las cuales deben ser sintetizadas precisamente para cumplir con la función celular. La síntesis de las proteínas se inicia en el núcleo de la célula donde porciones específicas de una de las cadenas del ADN se transcriben a una molécula de cadena simple, el ARN mensajero. Mientras que el ADN almacena el código para la síntesis de proteínas, el ARN ejecuta estas instrucciones codificadas en el ARN del citoplasma donde se produce la traducción a proteínas.
No hay molécula biológica más importante que el ADN. Su estructura lleva la información necesaria y hereditaria que determina la estructura de las proteínas. El ADN está formado por dos cadenas de polinucleótidos que se unen entre sí, en forma espacial formando la doble hélice con giro a la derecha. Las uniones fosfato-desoxirribosa se encuentran en la parte exterior de la hélice y las bases se proyectan hacia el interior. La orientación de las dos cadenas paralelas es opuesta, de modo que las bases se aparean en forma regular A con T y C con G. Esto significa que sólo se necesita la información de una de las cadenas de la doble hélice para predecir exactamente la secuencia de las subunidades de la otra cadena. El ARN presenta una estructura química similar pero con una sola cadena en donde, como ya señalamos, la desoxirribosa del ADN es reemplazada por ribosa y la base T por U.
Las proteínas se degradan al cabo de un tiempo que varía según su vida media. La degradación también es importante para eliminar las proteínas anormales.
Enzimas
Las enzimas son catalizadores muy potentes y eficaces, químicamente son proteínas Como catalizadores, las enzimas actúan en pequeña cantidad y se recuperan indefinidamente. No llevan a cabo reacciones que sean energéticamente desfavorables, no modifican el sentido de los equilibrios químicos, sino que aceleran su consecución.