Características generales de los seres vivos: el nivel celular

La teoría celular es uno de los paradigmas básicos de la biología. Su idea básica es que todos los organismos están constituidos por células, pero este concepto central se precisa en varios postulados relacionados entre sí:

• La célula es la unidad estructural de la materia viva, y una célula puede ser suficiente para constituir un organismo.
• Todas las células proceden de células preexistentes, por división de éstas (Omnis cellula e cellula).
• Las funciones vitales de los organismos ocurren dentro de las células, o en su entorno inmediato, controladas por sustancias que ellas secretan.
• Cada célula contiene toda la información hereditaria necesaria para el control de su propio ciclo y del desarrollo y el funcionamiento de un organismo de su especie, así como para la transmisión de esa información a la siguiente generación celular. 

Las células son entidades complejas, que pueden presentar estructuras muy diferentes según el tipo de organismo al que pertenezcan. Sin embargo, todas las células presentes en cualquier organismo poseen unos elementos comunes:

• La membrana celular o membrana plasmática sirve de límite a la célula, regula el intercambio de sustancias con el entorno y recibe la información del exterior.
• El citoplasma es el medio interno de la célula. Está formado fundamentalmente por agua, y contiene la maquinaria celular y los elementos estructurales de la célula.
• En el interior de la célula siempre hay ADN, que contiene toda la información necesaria para que lleve a cabo sus funciones.
• Los ribosomas, necesarios para la síntesis de proteínas, son también elementos comunes a todas las células.

También tienen en común su composición química: el agua es el componente mayoritario de todas las células, representando aproximadamente el 70% de su contenido. El siguiente componente en abundancia son las proteínas, lo que da una idea de su importancia en el funcionamiento celular. También aparecen siempre en las células ácidos nucleicos, pequeñas moléculas orgánicas y fosfolípidos y polisacáridos.

Tipos de células y complejidad

Según su grado de complejidad, se diferencian dos grandes tipos de células: el nivel de organización procariota, que caracteriza a las bacterias pero que también corresponde a la organización de algunos orgánulos como mitocondrias y cloroplastos y el nivel de organización eucariota, que se presenta en protistas, hongos, plantas y animales, con diferencias significativas entre los distintos grupos pero con características comunes a todos ellos.

La diferencia más significativa entre las células procariotas y las eucariotas es que éstas poseen un sistema de membranas en el interior de la célula. Es un conjunto de membranas relacionadas entre sí que divide el interior de la célula en dos compartimentos separados. También poseen orgánulos complejos, como las mitocondrias, y un citoesqueleto que mantiene su forma y actúa como sistema de transporte intracelular.

La célula como unidad funcional de los seres vivos

La nutrición celular

Todas las células de un organismo necesitan realizar las funciones de nutrición, lo que incluye tres procesos fundamentales:

• Entrada de los nutrientes a la célula
• Utilización de los nutrientes, que se produce mediante el metabolismo, conjunto de reacciones químicas que tienen lugar en el interior de la célula y que supone la transformación de los nutrientes en los componentes habituales de la célula, y su utilización para cubrir las necesidades celulares. El metabolismo está organizado en rutas metabólicas, series de reacciones químicas coordinadas en las que cada producto se usa como sustrato de la siguiente reacción.
• Eliminación de los residuos

La célula necesita oxígeno, agua, iones minerales, monosacáridos, aminoácidos, nucleótidos, ácidos orgánicos y lípidos. Para que la célula pueda utilizarlos estas sustancias tienen que atravesar la membrana plasmática, pero la membrana presenta permeabilidad selectiva: permite el paso de algunas sustancias, pero no de otras.

Los gases y los lípidos pueden atravesar la membrana libremente, pasando de donde están más concentrados a donde están menos concentrados. Este proceso se denomina difusión.

Las sustancias hidrófilas no pueden atravesar la membrana hidrófoba libremente. Necesitan proteínas transportadoras específicas. Si el paso se produce a favor de gradiente de concentración (de más concentrado a menos concentrado), el movimiento no necesita que la célula gaste energía, y el medio de transporte se denomina difusión facilitada.

Por el contrario, si las sustancias deben moverse de donde están menos concentradas a donde están más concentradas es necesario gastar energía para permitir el paso y el mecanismo de transporte se denomina transporte activo.

Metabolismo celular

Las células utilizan los nutrientes que consiguen del exterior mediante un conjunto regulado de reacciones químicas, catalizadas por enzimas específicas, que reciben el nombre global de metabolismo. Un grupo de esas transformaciones químicas consiste en romper los nutrientes para formar los constituyentes básicos de la célula. En general, esas reacciones producen energía y reciben el nombre de reacciones catabólicas. Los constituyentes celulares de pequeño tamaño se utilizan para producir las macromoléculas que utiliza la célula. En general, en estas reacciones, denominadas anabólicas, se consume energía.

El catabolismo tiene dos objetivos fundamentales:

• Obtener la energía que las células necesitan para seguir funcionando. La energía se obtiene fundamentalmente a partir de los glúcidos, tanto monosacáridos como polisacáridos, y de los lípidos presentes en la célula. Como resultado de su degradación se producen moléculas de pequeño tamaño.
• Producir las moléculas que las células utilizan. Las moléculas producidas en la degradación de los nutrientes se utilizan para producir los componentes celulares.

Si la célula almacena glucógeno, el primer paso del catabolismo es convertirlo en glucosa. Sin embargo, la mayoría de las células consiguen su glucosa directamente del exterior. La glucosa celular se transforma en ácido pirúvico siguiendo una ruta metabólica llamada glucolisis, en la que se produce una pequeña cantidad de ATP y de NADH+H⁺. Esta parte del catabolismo ocurre en el citoplasma y es anaerobio, es decir, en ella no se utiliza oxígeno.

El resto del catabolismo ocurre en el interior de la mitocondria. El ácido pirúvico pasa a su interior y se transforma en ácido acético. En este caso la molécula obtenida emplea parte de la energía liberada en la reacción en unirse a otra molécula mediante un enlace de alta energía, dando lugar a un compuesto llamado acetil coenzima A. Los ácidos grasos también son degradados en la mitocondria, produciendo NADH+H⁺ y acetil-CoA.

El acetil-CoA se incorpora a una ruta metabólica llamada ciclo de Krebs, que produce energía (ATP) y, sobre todo, poder reductor, que puede transformarse en energía de enlace mediante el proceso de fosforilación oxidativa, que tiene lugar a través de la membrana interna de la mitocondria.

El ciclo de Krebs es la ruta central del metabolismo celular. A él van a parar los productos del catabolismo de glúcidos, lípidos y proteínas y en él se produce energía de enlace (ATP) y poder reductor que la célula puede utilizar en otras reacciones, pero también se forman moléculas que la célula necesita para otras rutas, incluyendo la formación de sus propios componentes.

El anabolismo celular

Los organismos heterótrofos pueden construir sus macromoléculas a partir de sus constituyentes básicos. Sin embargo, algunos de los compuestos necesarios no pueden ser producidos por la propia célula, y deben ser tomados del exterior. Esas sustancias reciben el nombre de vitaminas o, de forma más correcta, de compuestos esenciales. Finalmente, las macromoléculas se utilizan para construir las estructuras y los orgánulos celulares. En general, todos estos procesos necesitan aporte de energía en forma de ATP y de NADH+H⁺.

Los organismos autótrofos son los que tienen capacidad para:

• Producir energía química en forma de ATP y NADH a partir de otras formas de energía.
• Utilizar la energía química obtenida para producir compuestos orgánicos a partir de sustancias inorgánicas. 

Sin embargo, no todos los organismos autótrofos pueden producir todas las sustancias que necesitan. La mayoría, entre ellos las plantas, producen compuestos carbonados (monosacáridos), pero los compuestos nitrogenados, como los aminoácidos, solo se sintetizan mediante la fijación de nitrógeno, un proceso fundamental para la vida en la Tierra, que solo es realizado por unos pocos tipos de organismos.

 Las funciones de relación en las células

La comunicación de las células con el resto del organismo tiene lugar a través de la membrana plasmática. En general, la información llega en forma de moléculas producidas por otras células: el sistema nervioso envía neurotransmisores, el sistema endocrino hormonas y las células vecinas ciertas sustancias que reciben el nombre de mensajeros paracrinos.

Algunas de estas sustancias son liposolubles, en cuyo caso atraviesan libremente la membrana y llegan hasta el núcleo, pero las hormonas hidrosolubles tienen que unirse a proteínas específicas, que atraviesan la membrana. Estas hormonas no atraviesan la membrana, sino que provocan la formación de un “segundo mensajero” en el interior de la célula, que desencadena el  efecto provocado por la hormona.

La llegada a la célula de un mensajero químico desencadena varios procesos en su interior:

• La producción de “segundos mensajeros”, moléculas pequeñas que activan o inactivan diferentes proteínas celulares.
• Los segundos mensajeros activan o inactivan proteínas de señalización intracelular. Estas sustancias suelen estar relacionadas formando una “cascada de regulación”.
• Las proteínas de señalización intracelular modifican la actividad de proteínas efectoras.

 

Funciones de reproducción celular

Todas las células tienen la capacidad de dividirse para dar lugar a otras semejantes a ellas. Sin embargo, en un organismo pluricelular esta capacidad está controlada por señales químicas que regulan la división, el crecimiento y la muerte de las células.

• Mitógenos: Inducen la división celular.
• Factores de crecimiento: Estimulan el aumento de tamaño celular mediante síntesis de proteínas.
• Factores de supervivencia: Evitan la muerte programada de las células (apoptosis).
• Factores supresores: Detienen el crecimiento celular o inducen la muerte celular programada.

La mayoría de las células de un organismo pluricelular se encuentran habitualmente en un estado no proliferativo llamado G0. En algunas células ese estado es irreversible, y no pueden volver a dividirse: neuronas, músculo esquelético... Otras células pueden empezar a dividirse cuando reciben del exterior los estímulos adecuados. Las células también pueden morir de forma programada si reciben el estímulo correspondiente.

Para poder reproducirse, una célula necesita realizar una serie de procesos que, en su conjunto, constituyen el ciclo celular.

1. Crecimiento celular y funcionamiento “normal” (periodo G1). La célula pasa en esta fase un tiempo indefinido. Es el estado en el que se encuentran las células que no se dividen, aunque en ese caso se denomina G0.
2. Duplicación del material genético (periodo S). Es necesaria para poder repartirlo entre las células hijas.
3. Control de que el material genético se ha copiado correctamente (fase G2)
4. Reparto del material genético (mitosis).
5. División de citoplasma y orgánulos (citocinesis).

La mitosis es el proceso mediante el cual las células eucariotas reparten su material genético, previamente duplicado, entre las células hijas. Tras ella se divide el citoplasma y se reparten los orgánulos (citocinesis).

La muerte celular es un proceso que, finalmente, sufren todas las células de un organismo. Este proceso puede ocurrir de formas diferentes:

• La apoptosis es un mecanismo de muerte programada que los organismos utilizan para eliminar estructuras innecesarias o para equilibrar la proliferación.
• La necrosis es un proceso de muerte en respuesta a un daño celular. La necrosis de una célula daña a las que la rodean y produce inflamación.