lunes, 18 de enero de 2010

Aproximación al estudio de la célula

Uno de las teorías fundamentales de la Biología es la Teoría Celular, cuya formulación ha requerido un proceso largo y paulatino, desde la observación de las primeras células por Leeuwenhoek en el siglo XVII hasta su generalización con el descubrimiento, por parte de Ramón y Cajal, de que las neuronas son también células individualizadas.

En su formulación actual, la Teoría Celular explica la estructura de todos los seres vivos, desde los más simples a los más complejos, a la vez que establece un nexo evolutivo entre todos los organismos que han existido a lo largo de la historia de la Tierra.

Los postulados actuales de la Teoría Celular son los siguientes:
  • Todos los seres vivos están formados por células.
  • La célula es la unidad de estructura y función de los seres vivos. Esto significa, por una parte, que la célula es la parte más pequeña común a todos los seres vivos (estructura básica), y que además es capaz de realizar por sí misma todas las funciones que caracterizan el funcionamiento de los organismos.
  • La célula es también la unidad de reproducción de los organismos, ya que es el elemento más pequeño con capacidad de reproducirse por sí mismo.
  • Todas las células proceden de otra, similar a ellas desde el punto de vista genético, estructural y funcional. La única excepción que existe a este postulado es, evidentemente, la primera célula que apareció, que se formó a partir de una estructura más sencilla.
  • La célula es también la unidad de vida independiente más sencilla, ya que existen muchos organismos formados por una única célula.
 Todas las células que existen presentan ciertas características comunes, que las relacionan evolutivamente entre sí:
  • Una membrana, que separa la célula del medio externo, seleccionando las sustancias químicas que entran y salen de la célula.
  • El citoplasma, el medio interno de la célula, que incluye todos los componentes y elementos necesarios para el funcionamiento celular.
  • La información genética, imprescindible para controlar la actividad celular, y que se encuentra siempre almacenada en una o varias moléculas de ADN.

A pesar de estas características comunes, existen grandes diferencias entre unos tipos celulares y otros. Básicamente, pueden distinguirse dos niveles de organización diferentes: las células procariotas son las más sencillas, y se encuentran exlcusivamente en los organismos del Reino Moneras. Se caracterizan porque su citoplasma no está dividido en compartimentos, ni tienen orgánulos formados por estructuras membranosas. Su material genético es simple y reducido, ya que se limita a una única molécula de ADN no asociada a histonas y que se cierra sobre sí misma formando un anillo.



El otro nivel de complejidad es el que caracteriza a las células eucariotas, que se presentan en el resto de los organismos. Aunque existen varios tipos de células eucariotas todas ellas tienen características comunes: tienen el citoplasma dividido en diferentes compartimentos separados entre sí por membrana, presentan también orgánulos especializados formados por membranas y su material genético es complejo, incluyendo siempre varias moléculas diferentes, llamadas cromosomas, en las que el ADN no se cierra sobre sí mismo y está asociado a histonas.



Métodos de estudio de la célula

El reducido tamaño de las células ha hecho difícil su estudio durante mucho tiempo. En la actualidad, gracias al avance tecnológico, se dispone de una gran variedad de métodos que permiten conocer tanto su composición como su estructura, e incluso el estudio de sus funciones in vivo. Un posible esquema de este tipo de estudios sería el siguiente:
  • Métodos analíticos: pretenden el estudio de las partes de la célula, para lo cual es necesario fraccionarla y separar los distintos elementos que resultan de ese fraccionamiento. La rotura de las células se hace mediante sonicación (aplicación de ultrasonidos), digestión con detergentes u homogenización (rotura mecánica). Los componentes celulares liberados en este proceso se separan mediante centrifugación diferencial, técnica que se basa en que las partículas subcelulares tienen diferente densidad. Si se hace girar estos componentes en un medio con un gradiente de densidad (menor en la parte superior del tubo, mayor en la inferior) a grandes velocidades se consigue que los elementos con diferentes densidades se depositen en distintas partes del tubo, separándolos entre sí.


  • Técnicas bioquímicas: una vez separados los componentes celulares permiten el estudio de las diferentes sustancias presentes en la célula. Para ello, en primer lugar se utilizan técnicas que separan los grandes grupos de compuestos en función de sus características generales, y después otras que permiten separar sustancias similares entre sí, por ejemplo la electroforesis, que se utiliza para separar sobre todo proteínas según su punto isoeléctrico, o la cromatografía en columna, que permite separar moléculas por su tamaño (filtración en gel) o por su afinidad por determinados sustratos (lo que, por ejemplo, permite separar una enzima uniéndola a su sustrato). Puedes ver el funcionamiento de algunas de esas técnicas en las siguientes animaciones:
  • La autorradiografía permite seguir ciertas moléculas durante su "ciclo de vida" en el interior de la célula. Consiste, básicamente, en marcar la molécula cuyo destino nos interesa seguir uniéndole un isótopo radiactivo, cultivar las células con la molécula marcada y detectar la radiación a intervalos regulares de tiempo.



  • Técnicas de microscopía: La microscopía resulta particularmente útil para el estudio de la estructura celular, ya que en algunos casos permite visualizar los diferentes elementos que forman parte de la célula. Básicamente, existen dos grandes tipos de técnicas microscópicas: la microscopía óptica consigue una imagen aumentada utilizando luz visible, mientras que la microscopía electrónica proporciona una imagen aumentada utilizando electrones como "fuente de iluminación", aprovechando su menor longitud de onda. Los parámetros importantes en la microscopía son el aumento, que se define como la proporción entre el tamaño aparente de la imagen y el tamaño real de la muestra, y el poder de resolución, que es la capacidad del microscopio para formar imágenes diferentes de dos puntos cercanos. El poder de resolución depende de la apertura de la lente, una característica que mide la capacidad de la lente de recoger la luz, del índice de refracción del medio y de la longitud de onda de la radiación utilizada para formar la imagen.
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      • La microscopía óptica consiste en hacer pasar la luz a través de la muestra que se desea observar y de dos lentes convergentes, que aumentan el tamaño aparente de la imagen. Además, se utilizan como complementos necesarios en el proceso una fuente de luz y un condensador, que concentra la luz sobre la muestra. En general, las muestras biológicas son prácticamente transparentes, por lo que apenas se observan en el microscopio. Suele ser necesario teñir las células utilizando diferentes sustancias, lo que, en general, supone matar la célula. Existen diferentes técnicas de microscopía óptica (campo claro, campo oscuro, contraste de fases...) que permiten observar características diferentes de la muestra. Algunas de estas técnicas permiten, incluso, la visualización de células vivas.
      • La microscopía electrónica se basa en que los electrones, como todas las partículas, se comportan en ocasiones como ondas. La longitud de esta radiación es mucho menor que la de la luz visible, lo que permite conseguir un poder de resolución mucho mayor que el que se logra con la microscopía óptica. El proceso consiste en hacer incidir sobre la muestra un haz de electrones focalizado mediante un electroiman, y recogerlos después en un sensor (una pantalla sensible o una placa fotográfica). Según el camino que sigan los electrones se distinguen dos tipos de microscopía electrónica:
        • En la microscopía electrónica de transmisión (TEM) el haz de electrones atraviesa un corte fino de la muestra. Las zonas más densas impiden el paso de los electrones, por lo que dejan una zona oscura o negra en la imagen. Posee el mayor poder de resolución de todas las técnicas de microscopía.
        • En la microscopía electrónica de barrido (SEM), en cambio, se recubre una muestra sin cortar con una fina capa metálica, que impide el paso de los electrones, haciéndolos rebotar. Los electrones reflejados son recogidos por el sensor, de forma que éste da una imagen aproximada del relieve de la muestra.
    • Cultivo celular: el estudio de la fisiología de la célula suele hacer necesario que ésta se mantenga viva, y al alcance del investigador. El mantenimiento de células en un medio artificial y controlado del que obtienen nutrientes se denomina cultivo celular. El cultivo de células procariotas o fúngicas es sencillo, hasta el punto de que se consigue hacerlo en grandes tanques de miles de litros llamados fermentadores, porque los requisitos de este tipo de organismos unicelulares también son sencillos. Los cultivos de células procedentes de organismos pluricelulares, en particular de animales, resultan más complicados, y requieren condiciones de esterilidad y un control riguroso del medio que se proporciona a las células.

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