Los niveles de organización subcelulares: bioelementos y biomoléculas inorgánicas

La célula es el nivel de organización fundamental de los seres vivos, ya que cualquier célula, tanto si forma parte de un organismo pluricelular como si constituye un organismo completo, muestra todas las caracteristicas que podemos atribuir a un ser vivo. Entre esas características se encuentra la recursividad: las células están formadas por orgánulos, un tipo de sistemas exclusivo de los organismos, que a su vez están formados por moléculas, las cuales están compuestas de átomos.

Sería posible seguir analizando niveles de organización de complejidad menor, pero son objeto de otras ciencias, en particular de la Física; se podría decir lo mismo de átomos y moléculas, que son el objeto de estudio de la Química, pero lo cierto es que hay diferencias muy significativas entre las moléculas que forman la materia viva y las que componen la materia inerte. En cuanto a los átomos, aunque las moléculas biológicas (o biomoléculas) están formados por los mismos elementos químicos que las moléculas inorgánicas, hay una diferencia también significativa en cuanto a abundancia: los organismos prefieren ciertos elementos químicos para su uso, y lo hacen no en función de su abundancia en el entorno que les rodea, sino según sus características químicas, escogiendo solo aquellos que resultan adecuados para su funcionamiento. Por estos motivos el estudio de los bioelementos y de las biomoléculas es una parte fundamental de la Biología.

Bioelementos

Hay unos 90 elementos químicos que pueden ser encontrados en la naturaleza, pero los seres vivos solo utilizan algunos de ellos, a los que se da el nombre de bioelementos. Son más o menos una veintena de elementos químicos, aunque no todos están presentes en todos los organismos, ni aparecen en proporciones similares. El 96% de toda la materia viva está formada por solo seis elementos químicos, denominados bioelementos primarios: Carbono, Hidrógeno, Oxígeno y Nitrógeno, por una parte, y Fósforo y Azufre por otra. Los cuatro primeros aparecen prácticamente en todas las moléculas de los seres vivos, mientras que el Fósforo forma parte de los ácidos nucleicos y de algunos lípidos, y el Azufre se encuentra en las proteínas.

Otros cinco elementos químicos están presentes también en todos los seres vivos, y son imprescindibles para la vida, aunque son mucho menos abundantes que los anteriores: Cloro, Sodio, Magnesio, Potasio y Calcio. Se denominan bioelementos secundarios.

Por último, un grupo de elementos se encuentran en la materia viva en una proporción menor del 0,01%, por lo que reciben el nombre de oligoelementos. Los oligoelementos no son universales, es decir, no son los mismos para todos los organismos, aunque algunos de ellos se encuentran prácticamente siempre, como el Hierro, el Cinc...

Todos los bioelementos primarios son no metálicos y de bajo peso molecular, aunque el Hidrógeno tiene propiedades especiales, porque puede actuar como metálico y como no metálico. Son abundantes en la naturaleza, pero en los seres vivos se encuentran en una proporción mucho mayor a la que presentan en el medio inorgánico, lo que significa que los organismos no se limitan a tomarlos del exterior, sino que los seleccionan por sus características químicas.

La diferencia más importante, desde el punto de vista biológico, entre elementos metálicos y no metálicos es que los primeros forman enlaces iónicos, que se rompen fácilmente, hasta el punto de que basta simplemente con disolver el compuesto iónico para que se separen sus constituyentes. Por el contrario los elementos no metálicos forman enlaces covalentes, mucho más difíciles de romper, de modo que dan lugar a moléculas muy estables, lo que es fundamental para la estabilidad química de los organismos.

Los bioelementos secundarios son también de bajo peso molecular, por lo que son bastante abundantes en la naturaleza. Forman enlaces iónicos, por lo que se presentan en los seres vivos en forma de sales, tanto solubles como insolubles.

Muchos oligoelementos son metales de transición, pero otros son no metales, incluyendo algunos halógenos. La mayoría participa en la formación de enlaces iónicos, pero hay alguna excepción. Su falta suele provocar efectos adversos en el organismo, y muchas veces es esta la característica que permite su identificación.

Los bioelementos esenciales son aquellos que resultan imprescindibles para la vida de un ser vivo. Mediante diferentes estudios se ha podido establecer que existen unos 26 elementos químicos que tienen este carácter, además de alguno más cuya esencialidad está discutida. La mayoría de ellos resultan esenciales tanto en plantas como en animales (C, H, O, N, P, S, Na, K, Ca, Mg, Cl, Si, Cr, Mn, Fe, Co, Cu, Zn, Mo), mientras que unos pocos más son esenciales en animales pero no en plantas (F, V, Ni, Se, Sn, I) y solo el B es esencial en plantas, pero no en animales. El listado anterior no significa que todos esos elementos sean esenciales para todos los organismos, pero sí que lo son en algún caso.

Una clasificación de los bioelementos con mayor interés biológico es la que los agrupa según la función que realizan en el organismo. Desde este punto de vista se pueden distinguir bioelementos estructurales, electrolíticos y enzimáticos.

Los bioelementos estructurales son los constituyentes básicos de las biomoléculas y de los elementos que proporcionan soporte estructural y resistencia a los seres vivos, como esqueletos o caparazones. Incluyen todos los bioelementos primarios (C, H, O, N, P y S) además del Si, que forma parte de los caparazones de algunos organismos y del Ca.

Todos ellos son de bajo peso molecular, lo que indica que son bastante abundantes en la naturaleza, y la mayor parte (todos excepto el calcio) tienen carácter no metálico, lo que les permite formar enlaces covalentes, muy difíciles de romper, que proporcionan estabilidad a las biomoléculas.

El Hidrógeno tiene características especiales, ya que puede actuar como metal (cediendo su electrón para dar lugar al ión H⁺) o como no metal, dentro de compuestos covalentes. Esto hace posible que, además de su papel estructural, tenga otras funciones fundamentales dentro de los seres vivos. En concreto, proporciona poder reductor, necesario para que tengan lugar una gran parte de las reacciones celulares. También interviene en la generación de energía metabólica, en procesos tales como la respiración celular y la fotosíntesis y es responsable del pH celular.

En cuanto al calcio, también juega simultáneamente una función estructural y electrolítica, gracias a su naturaleza metálica. Su función estructural consiste en formar parte de las sales minerales que constituyen los elementos de soporte de muchos organismos, como caparazones y esqueletos. En esos casos el calcio es el principal catión, que se combina, fundamentalmente, con carbonatos y fosfatos.

Todos los elementos electrolíticos son fácilmente hidrolizables, y de hecho suelen encontrarse en el organismo en forma iónica. En general participan en la creación de gradientes de concentración a ambos lados de una membrana biológica, gracias a la permeabilidad selectiva que presentan estas estructuras. Estos gradientes son fundamentales para el funcionamiento celular, tanto para la comunicación (por ejemplo en el caso del gradiente Na/K en la transmisión del impulso nervioso) como para la producción de energía (gradiente de protones entre el espacio intermembranoso y el compartimento interno de mitocondrias o cloroplastos, o entre el exterior y el citoplasma bacteriano) o la activación de procesos celulares (gradiente de calcio entre el citoplasma y el retículo en la contracción muscular).

Finalmente, los elementos catalíticos son necesarios para el funcionamiento correcto de diferentes enzimas. En muchos casos su actividad catalítica se debe a su capacidad para cambiar de estado de oxidación, cediendo o tomando electrones (como el Mg en la fotosíntesis), o a su capacidad para formar enlaces iónicos con otros compuestos, estabilizando la estructura de las enzimas.

Las biomoléculas

Un compuesto químico es un sistema formado por la unión de dos o más átomos. La cohesión de la estructura es debida a la presencia de enlaces, que son fuerzas que se establecen entre átomos y moléculas como resultado de su interacción mediante electrones.

En los seres vivos, los átomos pueden unirse entre sí mediante dos tipos de enlaces: los iónicos, en los que un átomo cede uno o varios electrones a otro, con lo que ambos se transforman en iones, atrayéndose entre sí eléctricamente, debido a que tienen cargas de distinto signo, y los enlaces covalentes, en los que los átomos comparten electrones, formando una molécula difícil de romper. Por el contrario, los compuestos iónicos se disocian en presencia de disolventes, es decir, sus iones se separan entre sí y se mezclan entre las moléculas del disolvente.

Los seres vivos están formados tanto por moléculas orgánicas como por moléculas inorgánicas. La clasificación de los compuestos químicos en estas dos categorías se basa en su origen y distribución: Las sustancias inorgánicas se encuentran tanto en los seres vivos como en la materia inerte, mientras que los compuestos orgánicos aparecen exclusivamente en los seres vivos, o han sido producidos por ellos.

Las sustancias químicas que forman parte de la composición de los seres vivos, tanto orgánicas como inorgánicas, reciben el nombre de biomoléculas. 

Biomoléculas inorgánicas

Las moléculas inorgánicas que forman parte de los seres vivos son el agua y algunas sales minerales, tanto binarias como ternarias.

El agua es la sustancia que permite la existencia de la vida, y la sustancia química más abundante en todos los organismos. Su composición química es bien conocida, H₂O, pero a pesar de su aparente sencillez su estructura hace que posea propiedades peculiares, que la hacen especialmente adecuada para los organismos.

Los átomos de la molécula de agua se disponen formando una "V", con el oxígeno en su vértice. Debido a la diferencia de electronegatividad (la capacidad de un átomo para atraer electrones hacia él) entre el oxígeno y el hidrógeno, los enlaces entre esos átomos son covalentes polares, lo que significa que, como los electrones que participan en el enlace están durante más tiempo ligados al oxígeno que al hidrógeno, el oxígeno tiene una carga "parcial" negativa, mientras que los átomos de hidrógeno tienen cargas "parciales" positivas. Esto hace que las moléculas de agua se atraigan entre sí, con menos fuerza que la de un enlace, pero de un modo bastante intenso.

Las fuerzas de atracción entre las moléculas del agua hacen de ella una sustancia bastante "extraña", con propiedades que teóricamente no debería tener.
Muchas de las propiedades del agua son "anómalas" y tienen una importancia considerable para los seres vivos. Destacan cuatro de ellas:

• Cohesión: las fuerzas que mantienen unidas entre sí las moléculas de agua son muy intensas.
• Elevado calor específico: El agua necesita absorber o perder una gran cantidad de energía para poder cambiar su temperatura.
• Variación anómala de la densidad con la temperatura: a diferencia de la mayoría de las sustancias, la densidad del agua no aumenta siempre al disminuir la temperatura.
• Gran capacidad de disolver sustancias: el agua es capaz de disolver una gran vaiedad de sustancias químicas, incluyendo moléculas de gran tamaño.

La cohesión del agua se debe a los puentes de hidrógeno que se establecen entre sus moléculas. En el agua líquida los puentes de hidrógeno se forman y se deshacen continuamente, pero siempre hay un gran número de moléculas enlazadas entre sí, lo que hace difícil separarlas. En la superficie, el fenómeno se manifiesta como "tensión superficial", que es la dificultad para romper la primera capa del líquido. La elevada cohesión del agua tiene importantes consecuencias para los seres vivos: en las plantas, hace posible el ascenso de la savia a lo largo de los tallos; La evaporación en la superficie de las hojas "arrastra" a las moléculas de los vasos conductores, gracias a que se mantienen entre sí mediante los puentes de hidrógeno. También permite los movimientos del citoplasma celular.

 El calor específico mide la cantidad de energía que hay que proporcionar a una cierta cantidad de una sustancia para aumentar su temperatura. El agua tiene un calor específico muy elevado, y también necesita una gran energía para cambiar de estado sin cambiar su temperatura (calor latente de cambio de estado) como consecuencia, de nuevo, de la presencia de los puentes de hidrógeno entre sus moléculas. Esta característica hace que el agua tenga un papel fundamental como regulador térmico, suavizando los cambios de temperatura cuando se produce calentamiento o enfriamiento. Este papel de termorregulador se produce tanto en el interior de los organismos, mediante la evaporación del sudor, en las zonas costeras del planeta, en las que el mar contribuye a suavizar las temperaturas respecto a las zonas costeras, y a escala global: los océanos distribuyen a lo largo de todo el planeta la energía recibida del Sol, que llega especialmente a las zonas ecuatoriales.

En la mayoría de las sustancias la densidad aumenta a medida que disminuye la temperatura, como consecuencia de que sus moléculas van quedando mejor "empaquetadas" entre sí al reducirse la velocidad con la que se mueven. El agua se comporta de este modo por encima de los 4ºC, mientras que por debajo de esta temperatura las moléculas de agua quedan atrapadas en una red cristalina que impide la formación de puentes de hidrógeno entre ellas, reduciendo su densidad. El efecto que tiene esta característica es que el hielo tiene menos densidad que el agua que lo rodea, por lo que flota sobre ella. Como consecuencia, la capa superficial de hielo aisla la capa de agua que se encuentra por debajo, permitiendo que se mantenga líquida y que, por tanto, pueda mantener la vida bajo el hielo. Por otra parte, esto también facilita el deshielo cuando vuelve a aumentar la temperatura ambiental.

Una disolución (o solución) es una mezcla homogénea de dos o más sustancias: las moléculas de la sustancia que se encuentra en menor proporción se encuentran distribuidas por igual en todo el volumen de la otra sustancia. El agua es capaz de disolver las sustancias iónicas y polares porque sus componentes (iones o moléculas) son atraidos por las moléculas de agua, que los rodea y los mantiene separados entre sí. Alrededor de los iones o de las moléculas disueltas se forma una esfera de moléculas de agua, atraídas por las cargas del soluto, que se llama esfera de hidratación, importante para conseguir que las moléculas grandes se mantengan disueltas, incluyendo sustancias cuyas moléculas son de gran tamaño como polisacáridos, proteínas o ácidos nucleicos.
Como el agua es la sustancia más abundante en los seres vivos, la capacidad de una sustancia para disolverse en ella resulta fundamental para su posible uso por parte de los organismo. De este modo se hace importante la diferencia entre sustancias solubles en agua, que reciben el nombre de hidrófilas, y las que se disuelven mal en esta sustancia, llamadas hidrófobas.
El tamaño de los elementos de la materia que se disuelve hace que las mezclas acuosas tengan propiedades diferentes. Se forma una disolución verdadera cuando la sustancia se divide hasta dar lugar a sus constituyentes mínimos (moléculas, iones) y éstos tienen un diámetro menor de 10^-9 m.Si el diámetro de las partículas disueltas está entre 10^-7 m y 10^-9 m se habla de dispersión coloidal. Por último, si las partículas son apreciables a simple vista y son tan pesadas que acaban por precipitar se forma una suspensión. Muchas biomoléculas orgánicas tienen un tamaño lo suficientemente grande como para formar coloides. El agua puede formar coloides estables con grandes moléculas polares como las proteínas o los ácidos nucleicos.

Uno de los factores que influyen en mayor medida en la actividad química de los seres vivos es la acidez o basicidad del medio interno del organismo y del interior celular. 
El enlace entre los átomos de la molécula de agua es polar, lo que hace que dicha molécula pueda llegar a disociarse en dos iones, H⁺ y OH^-:

Los protones, en realidad, se asocian siempre a moléculas de agua:

Esta reacción de disociación es reversible, y muy poco frecuente, pero es suficiente para que en el agua pura haya una cantidad significativa de estos iones reactivos, que tienen una importancia química fundamental porque proporcionan a las disoluciones características de ácidos o de bases.

En Biología resulta útil un concepto “restringido” de ácido y de base: un ácido es una sustancia que, al disolverse, aumenta la concentración de protones (iones H⁺) en el medio. Una disolución ácida es la que tiene más protones que hidroxilos. Por su parte una base es una sustancia que, al disolverse, reduce la concentración de protones en el medio. Una disolución básica es la que tiene menos protones que hidroxilos

En el agua pura, la cantidad de protones (H⁺) y de hidroxilos (OH^-) es la misma, pero algunas sustancias (ácidos y bases), al disolverse, pueden romper ese equilibrio.

La concentración de protones en una disolución puede variar en un rango de billones de veces, por lo que es conveniente medirla usando una escala especial, que reduzca esa variabilidad a valores manejables. Es una escala logarítmica, que se obtiene a partir de la concentración de protones y de hidroxilos en el agua pura:

Si se calcula el logaritmo decimal de esa concentración y se cambia de signo se tiene el pH de una disolución neutra. 

Los valores de la escala pueden variar entre 0 y 14; valores de pH menores de 7 indican que la disolución es ácida, y superiores a 7 que es básica

El pH es una característica muy importante en los medios biológicos, que debe ser mantenida dentro de unos límites adecuados. La mayoría de los organismos no pueden soportar cambios significativos de pH, porque los procesos celulares son muy sensibles a la concentración de protones e hidroxilos.

Los seres vivos pueden mantener el pH de su interior en los valores apropiados gracias a que poseen sistemas tamponadores, que permiten su regulación. Un tampón o buffer es una disolución capaz de absorber protones del medio cuando aumenta su concentración o de donarlos cuando disminuye. Los buffers están compuestos por un ácido  o una base débiles (En disolución no están totalmente disociados) y una de sus sales.

Iones y sales minerales

Además del agua, los seres vivos contienen otras sustancias inorgánicas. En general son sales, que pueden ser tanto binarias como ternarias. En la mayor parte de los casos se encuentran en forma disociada, separadas en los iones que las forman, y por tanto disueltas, aunque también se pueden encontrar asociadas a las moléculas orgánicas o precipitadas.

Los compuestos inorgánicos desempeñan importantes funciones en los seres vivos:

•  Mantienen la concentración salina del medio interno
• Mantienen los procesos osmóticos (paso de solutos a través de la membrana)
• Estabilizan las dispersiones coloidales
• Regulan el pH de la célula y del medio interno
• Forman estructuras esqueléticas, tanto internas como externas

Aproximación al concepto de ser vivo

El estudio de los seres vivos se inició en la antigüedad, centrándose en varios aspectos distintos: el conocimiento del hombre, con el fin de curar las enfermedades, el estudio de las plantas y animales útiles para la agricultura y la ganadería, y la relación entre el hombre y la muerte.

A pesar de esos orígenes remotos la Biología en sí es una ciencia joven: la propia palabra no se utiliza por primera vez hasta el siglo XVIII, y solo se hace popular cuando Lamarck la define en una de sus obras como "la teoría de los cuerpos vivos".

También es Lamarck quien introduce el concepto de "ser vivo" como una categoría diferente a la de "objeto inerte". Antes de los escritos de Lamarck se consideraba que existía un cambio gradual entre minerales, plantas y animales, división que ha llegado incluso hasta nosotros, y que supone que la diferencia entre plantas y animales es similar a la que hay entre plantas y minerales. Lamarck introduce el concepto de unidad de los seres vivos, y con él la idea de una diferencia fundamental entre lo vivo y lo inerte.

Sin embargo, más de doscientos años después del nacimiento oficial de la Biología, seguimos sin tener una definición precisa y aceptada universalmente del concepto de vida, o del propio objeto de estudio de esta ciencia: los seres vivos. 

Es probable que esta dificultad en definir a los seres vivos y a la propia vida se deba a que sus límites son un tanto borrosos; a día de hoy, ni siquiera los biológos se han puesto totalmente de acuerdo en si los virus son o no seres vivos. Tampoco hay un consenso general en si la vida es una propiedad que puede definirse de forma universal o solo en referencia a entidades de nuestro propio planeta, los únicos seres vivos que actualmente conocemos; si encontráramos vida extraterrestre, ¿seriamos capaces de encontrar suficientes características comunes con los seres vivos que conocemos como para incluirlos en una misma categoría?

Los conceptos "borrosos" son bastante frecuentes, y suelen ser difíciles de definir. Por ejemplo, no resulta sencillo distinguir entre un juego y un deporte. Ludwig Wittgenstein, un filósofo alemán del siglo XX, propuso que la forma de delimitar estos conceptos es utilizar la misma estrategia que aplicamos normalmente para decidir si dos personas son familia: valorar si entre ellas hay un "parecido suficiente".  Por tanto, la forma de aproximarse a una definición de ser vivo es tratar de describir todas las características que los organismos tienen entre sí.

Los seres vivos son sistemas

La ciencia suele utilizar "marcos de referencia" que dan sentido a sus teorías. En la actualidad, uno de los paradigmas científicos más utilizados es la Teoría General de Sistemas (TGS), que considera que muchos entes complejos, a los que llama sistemas, tienen características comunes y pueden ser estudiados del mismo modo.

Un sistema es, simplemente, un conjunto de elementos relacionados entre sí. Para la TGS los sistemas se caracterizan porque establecen una relación dinámica con el entorno que los rodea: captan materia y energía del exterior (recursos) y desprenden otras formas de materia y energía (residuos), proceso durante el cual ocurren en su interior ciertas transformaciones, en particular cambios de unas formas de energía a otras y procesos de utilización de la materia y de la energía.

Todos los sistemas tienen ciertas características comunes, que deben ser estudiadas para comprender su funcionamiento:

• Composición: determinada por las sustancias químicas que los forman.
• Estructura: elementos de los que están formados.
• Organización: disposición de sus elementos, y las relaciones que se establecen entre ellos.
• Función: actividad del sistema, es decir, el tipo de transformaciones que lleva a cabo.

La organización de los sistemas, es decir, el conjunto de relaciones e influencias que se establecen entre sus elementos, pueden proporcionarles la capacidad de mantenerse en equilibrio frente a cambios en el ambiente, adaptándose a dichos cambios. Esto hace que algunos sistemas posean propiedades (como la capacidad de autorregularse) que no corresponden a ninguno de sus elementos, y que reciben el nombre de propiedades emergentes. Una frase común que describe esta característica es la afirmación de que "el todo es mayor que la suma de sus partes".

Es posible estudiar los seres vivos en función de la teoría general de sistemas. Según esto, todos los seres vivos son sistemas, porque son conjuntos de elementos relacionados entre sí, y diferenciados del entorno que les rodea.

• Los organismos se relacionan con su ambiente, intercambiando con él materia y energía (son sistemas "abiertos").
• Intercambian información con el entorno, modificando su actividad para adaptarse a esos cambios mediante sistemas de retroalimenación (son sistemas "cibernéticos" y "adaptativos", porque pueden mantener su equilibrio interno, su homeostasis).
• Poseen "memorias" en las que almacenan información acerca de su propia composición, estructura y funcionamiento (son sistemas "históricos").
• Pueden mantener y reparar sus elementos a partir de los recursos que consiguen de su ambiente, y son capaces de replicarse, dando lugar a otros sistemas similares a ellos (son sistemas autoorganizados).
• Están sometidos a cambios aleatorios que pueden modificar su "adaptación" al entorno que les rodea (son sistemas "evolutivos").

 Todas estas características se dan simultáneamente en todos los seres vivos, pero no aparecen a la vez en otros sistemas naturales no biológicos. Además, son independientes de la composición química concreta de los organismos y de su estructura, de modo que podrían considerarse características universales de cualquier posible ser vivo.

Los seres vivos que conocemos

Además de las características "universales" todos los seres vivos que conocemos tienen otras características comunes:

• Composición química: todos los seres vivos están formados por los mismos tipos de compuestos químicos, diferentes de los que forman la materia inerte.
• Estructura: todos los organismos poseen una estructura común, que es capaz de realizar todas las funciones que caracterizan al individuo en su conjunto y que contiene toda su información genética: estructura celular.
• Recursividad: los seres vivos son sistemas complejos, formados por partes que son, a su vez, sistemas. Esta complejidad se repite en varios niveles (niveles de organización).

Los organismos tienen partes complejas, formadas a su vez por otros elementos que también son sistemas complejos. Los elementos tienen una estructura determinada, que se manifiesta en una forma tridimensional precisa. Las diferentes partes de los individuos juegan un papel en la supervivencia del mismo, tanto a escala macroscópica como microscópica, y se relacionan entre sí de forma dinámica y regulada. La función de cada parte está relacionada con su estructura, lo que diferencia a la biología de otras ciencias.

Los seres vivos también se caracterizan por participar muy activamente en procesos de transformación de la energía. El estado vivo se caracteriza por un intenso flujo de energía, que mantiene a los organismos en desequilibrio termodinámico con su entorno, de modo que el equilibrio solo se alcanza cuando el organismo muere. Durante su vida, para mantenerse en un estado estable necesitan obtener continuamente energía de su entorno, actividad que llevan a cabo mediante estructuras específicas.

Del mismo modo, todos los organismos poseen estructuras específicas para captar información del entorno y responder a ella.

Organización, recursividad y niveles de organización de los seres vivos

 La organización es una característica de ciertos sistemas que consiste en que sus elementos se disponen ordenadamente y actúan de modo coordinado, lo que les permite realizar un determinado fin o función. La organización depende de la estructura del sistema, es decir, del conjunto de elementos que lo forman, y de las relaciones que se establecen entre esos componentes.

Los seres vivos son sistemas recurrentes o recursivos: cada organismo está formado por elementos que son, a la vez, sistemas. Esta complejidad estructural se repite varias veces, de modo que cada tipo de sistema constituye un nivel de organización.

Los niveles de organización son, por lo tanto, los diferentes grados en los que se puede apreciar la organización de la materia viva, dando lugar a la aparición de propiedades emergentes.

Los niveles de organización fundamentales de la materia viva son los que tienen capacidad de regular su funcionamiento de forma autónoma y de adaptarse por sí mismos a los cambios de su entorno:

• Los ecosistemas son conjuntos complejos que pueden alcanzar estados de equilibrio dinámico entre sus diferentes componentes y que evolucionan conjuntamente como consecuencia de cambios ambientales.
• Los organismos o individuos son entidades autónomas, capaces de realizar por sí mismos las funciones que caracterizan al estado vital. Están sujetos a evolución mediante selección natural.
• Las céulas pueden ser individuos completos por sí mismos, o formar parte de organismos pluricelulares como entidades autónomas desde el punto de vista funcional.

Más allá del ciclo celular: Vida y muerte de la célula

Muchas veces el estudio de la vida de la célula se centra en lo que hemos dado en llamar el ciclo celular. Desde este punto de vista podemos llegar a tener la impresión de que cualquier célula vive eternamente, permanentemente ocupada en recuperarse de un proceso de división celular para entrar, a continuación, en una nueva mitosis que dará lugar a nuevas células hijas dispuestas a repetir el proceso hasta el infinito.

Sin embargo, esta visión está a enorme distancia de la realidad. En un organismo pluricelular, en particular en los animales, el número y el tamaño de las células se regulan para permitir que el organismo en su conjunto funcione adecuadamente. Para conseguir este control, no solo es necesario que se tomen decisiones acerca de cuándo una célula debe dividirse, sino que también deben eliminarse aquellas células que ya no son necesarias para el conjunto, para lo cual existen mecanismos fisiológicos de muerte celular programada.

Dividirse o no dividirse...

No todas las células de un organismo se dividen de forma repetida. De hecho, muchas de ellas lo hacen unas pocas veces, o incluso ninguna. Desde esta perspectiva pueden diferenciarse tres grandes categorías celulares dentro de un individuo: las células lábiles son las que atraviesan sucesivos ciclos de división. Suelen encontrarse en tejidos sujetos a un importante deterioro, como la epidermis o las mucosas de los aparatos digestivo y respiratorio, y sus continuas divisiones tienen como finalidad remplazar a las que han sido eliminadas en el seno del mismo tejido. En el otro extremo del abanico se encuentran las células permanentes. Se trata de células muy especializadas, como las musculares o las nerviosas, que han perdido totalmente (o casi totalmente) la capacidad para reproducirse. Entre ambos tipos se encuentran las células estables, que constituyen la mayor parte de los tejidos de un organismo. Las células permanentes y las estables se encuentran en la fase G0 del ciclo celular, aunque siguen manteniendo la capacidad de dividirse, lo que hacen después de que se haya producido una agresión con el resultado de muerte de otras células de su entorno. La entrada en mitosis de las células estables o permanentes está regulada, y solo se produce cuando estas células reciben ciertos estímulos externos, los llamados factores mitógenos.

 Hay otra perspectiva interesante que considerar: la capacidad potencial de las células de seguir ciclos de división que den lugar a otras células, similares a ellas o más diferenciadas. Desde este punto de vista, las células de un organismo se pueden clasificar en tres tipos: células madre, células precursoras y células diferenciadas. Las células madre totipotentes son capaces de autorrenovarse indefinidamente y de dar lugar a la formación de células de diferentes tipos si reciben los estímulos adecuados. Las células precursoras (o progenitoras), tienen carácter pluripotente. Estas células pueden dar lugar a otras similares a ellas mismas, pero esta capacidad de renovación es solo temporal. Por otra parte, también son capaces de dar lugar a algunos tipos celulares diferentes a ellas mismas, aunque solo a unas cuantas estirpes distintas. Por último, las células diferenciadas solo pueden dividirse un número limitado de veces y que son unipotentes, porque sus divisiones dan lugar a un solo tipo celular. En general, las divisiones dan lugar a células idénticas a las progenitoras, pero también puede ocurrir que las células hijas sean algo más especializadas que las progenitoras, pero siempre pertenecen a la misma estirpe celular que las células originales.

La historia de la familia

Las células adultas del organismo son el producto de una línea ininterrumpida de divisiones celulares que las relaciona directamente con el cigoto a través de una serie de células que son sus "antepasadas" y que constituyen su estirpe celular.

El cigoto es una célula particular desde el punto de vista de su ciclo vital. Se trata de una célula totipotente, porque va a dar lugar a todos los tipos celulares del organismo, pero que no puede autorenovarse, ya que su división da lugar a dos células diferentes a ella. Los productos de las primeras divisiones del cigoto son igualmente células totipotentes: las ocho primeras células formadas en el desarrollo embrionario del ratón tienen capacidad para generar, cada una de ellas, un ratón completo si son separadas de forma natural (gemelos monocigóticos) o artificial.

Este tipo de células reciben el nombre de células madre embrionarias, y se caracterizan por mantener permanentemente su capacidad de autorenovación (mediante divisiones celulares simétricas) y por poder originar todos los tipos celulares del organismo, en presencia de los factores de crecimiento y diferenciación adecuados. Cuando el embrión de ratón sufre una división más (en el estadío de 16 células), se pierde esa totipotencia absoluta, de modo que la separación de los elementos ya no permite generar embriones completos. Se habla entonces de células madres de potencial restringido.

Las células madre con potencial restringido, cuando se dividen, lo hacen de modo asimétrico: una de las células conserva su capacidad totipotente, contribuyendo al mantenimiento del número de células madre en el órgano del que forman parte, pero la otra se transforma en una célula precursora. Las células precursoras son pluripotentes, lo que significa que  solo pueden dar lugar a un número limitado de estirpes celulares. Su capacidad de reproducción también es limitada, de modo que, incluso en las mejores condiciones, solo pueden sufrir un cierto número de ciclos de división, al cabo de las cuales mueren. Este número de divisiones máximo queda "fijado" en las células que derivan de esta precursora, de modo que en generaciones sucesivas el número de ciclos reproductivos se va reduciendo progresivamente, aun cuando las células se cultiven en medios "frescos" (libres de otras células) y con todos los factores de crecimiento posibles. Este proceso de envejecimiento recibe el nombre de senescencia celular.

La presencia en el entorno de las células precursoras de ciertas sustancias (factores de crecimiento) hace que éstas sigan procesos de división asimétrica, que van a dar lugar a células más diferenciadas que sus progenitoras. El proceso puede ser complejo, incluyendo la intervención de diferentes combinaciones de estas sustancias que dan lugar a la aparición de diferentes tipos celulares para cada combinación de factores. Un ejemplo típico es la hematopoyesis, en la que a partir de un único tipo celular pueden formarse todos los tipos de células sanguíneas gracias a la presencia de diferentes factores de crecimiento, que interaccionan entre sí de un modo bastante complicado.

¿En qué fase del ciclo está...?

Aún recuerdo la ocasión en que le pregunté a mi profesor de Citología acerca de la fase del ciclo en la que se encuentra una célula que no va a volver a dividirse. La respuesta, como me merecía, fue otra pregunta: "¿En qué mes del embarazo está una mujer que no está embarazada?". A continuación, no perdió la oportunidad de hacer un juego de palabras para redondear la explicación: "El ciclo celular is not a cycle, is a bicycle".

Al salir de una mitosis, la célula entra, en principio, en una fase G1. Sin embargo, para que esta etapa avance es necesario que el medio le proporcione determinados factores de crecimiento producidos por las células que la rodean. Si esto no ocurre, la célula inicia un periodo denominado G0 que en muchos textos es definido como una fase de quiescencia.

No existen diferencias morfológicas ni estructurales entre las células que se encuentran en G1 y las que están en G0. Más aún, en respuesta a los estímulos adecuados la célula quiescente puede activarse, pasando a una fase G1 y siguiendo el ciclo hacia el proceso de división. Este es el mecanismo que se produce cuando una célula diferenciada de un tejido debe dividirse para reemplazar a otra que ha muerto.

Sin embargo, sí que existen diferencias bioquímicas entre ambos periodos. La tasa de síntesis de proteínas es considerablemente más baja en las células que se encuentran en G0, ya que no tienen la necesidad de crecer rápidamente, y también son distintos los genes que se expresan. En concreto, las proteínas reguladoras del ciclo celular (quinasas dependientes de ciclinas, por ejemplo). También parece haber diferencia en las variantes de las histonas que se expresan en ambas fases, en relación con las funciones reguladoras de la expresión génica que realizan estas proteínas.

Envejecimiento celular

 Las células que se dividen activamente llegan a alcanzar un estado que se denomina senescencia celular. Parece bien establecido que la entrada en esta fase se debe al acortamiento de los telómeros de los cromosomas: los extremos terminales de los cromosomas están constituidos por un gran número de repeticiones de una secuencia rica en G+C, que no se replica normalmente en los periodos S del ciclo celular. En vez ello, en cada replicación del ADN quedan sin copiar entre 50 y 200 pares de bases, con lo que los telómeros se van acortando progresivamente.

En las células germinales este acortamiento es compensado por la acción de una enzima, la telomerasa, que añade el fragmento que falta, pero en las células no totipotentes no se expresa la telomerasa, por lo que los telómeros van reduciendo su tamaño. Cuando alcanzan un tamaño crítico (unos 4-6 Kb frente a una longitud normal de 10-15 Kb) la célula deja de replicarse y adquiere características morfológicas y fisiológicas diferentes. Ha alcanzado el periodo de senescencia.

Las células senescentes pueden distinguirse por su aspecto característico: suelen presentar una morfología aplanada y alargada, mostrando la formación de focos de heterocromatina en el núcleo y la acumulación de gránulos de lipofucsina, un pigmento marrón-dorado compuesto por lipoproteínas y que se forma en los lisosomas como resultado de la oxidación de los ácidos grasos insaturados.

Otra característica importante de las células senescentes es que incrementan su actividad secretora, vertiendo a su entorno cantidades considerables de diferentes proteínas, mayoritariamente con actividad proteolítica o, en general, hidrolítica, además de compuestos que desencadenan respuestas inflamatorias en el tejido circundante (citoquinas) y algunos factores de crecimiento. Se ha sugerido que estas sustancias podrían alterar el funcionamiento del tejido, e incluso serían responsables de ciertas efermedades, entre las que se han propuesto la arteriosclerosis o la psoriasis.

La causa fisiológica más habitual de la senescencia celular es el acortamiento de los telómeros, pero hay otros fenómenos que también pueden provocarla, como los daños en el ADN o las respuestas erróneas de la célula a los factores de crecimiento y proliferación que recibe.

La muerte celular

El funcionamiento normal de un organismo pluricelular puede requerir, en ciertas ocasiones, la muerte de algunas de sus células como un mecanismo más que contribuya a mantener su homeostasis. En ciertos casos, será necesario que las células dañadas sean eliminadas, para que su funcionamiento incorrecto no perjudique al resto, mientras que en otras ocasiones, incluso, la muerte celular puede ser imprescindible para que prosiga el propio desarrollo del individuo, como es el caso de la metamorfosis de los insectos, o la individualización de los dedos durante el desarrollo embrionario de mamíferos. Por eso no es extraño que las células posean, en su programación genética, mecanismos que den lugar a su propia desaparición, mediante lo que se ha dado en llamar muerte celular programada o, de un modo un tanto más literario, suicidio celular programado.

Apoptosis en el desarrollo embrionario de los dedos

 De hecho, existen diferentes mecanismos de muerte celular programada, que se desencadenan cuando la célula atraviesa distintas circunstancias. El más conocido de todos ellos es la apoptosis, que se produce durante los periodos de desarrollo, pero las células también pueden morir siguiendo mecanismos bioquímicos diferentes, tales como la necrosis, o la catástrofe mitótica. Los genes y las proteínas implicadas en cada caso son diferentes, como también lo son los procesos celulares que se desencadenan y el aspecto de las células que mueren.

Atendiendo a las causas que pueden provocar la muerte de las células nos encontramos, en primer lugar, con la muerte programada que tiene lugar durante un proceso de desarrollo. En este caso, el mecanismo celular que tiene lugar se conoce como apoptosis, neologismo derivado del griego que significa "caída de". La apoptosis se desencadena como resultado de la acción de factores estimulantes, procedentes del exterior de la célula, que se unen a receptores específicos situados en la membrana plasmática, a los que se da el nombre de "receptores de muerte".  La transducción de esta señal provoca la activación de un conjunto de proteínas denominadas caspasas. Se trata de enzimas proteolíticas que están presentes en la célula en forma inactiva, y que responden a un mecanismo de regulación en cascada. A lo largo de la apoptosis, en el núcleo el ADN se fragmenta y se forman gránulos de heterocromatina, mientras que en el citoplasma la estructura de los orgánulos se conserva, pero la célula se divide en burbujas ("blebs") que encierran los diferentes elementos celulares. Finalmente, los blebs son eliminados por el sistema inmunitario del organismo.

Cuando la célula sufre falta de nutrientes se desencadena en ella un proceso llamado autofagia. En el citoplasma se forman sistemas de doble membrana que envuelven a los orgánulos formando vesículas que posteriormente se fusionan con los lisosomas, dando lugar a unos cuerpos que reciben el nombre de autofagosomas. En su interior, las proteasas de los lisosomas destruyen los orgánulos atrapados. Simultáneamente a este proceso (macroautofagia) se produce también la digestión de los componentes solubles del citoplasma (microautofagia).

Realmente la autofagia no es un mecanismo de muerte celular, sino un procedimiento que permite el reciclaje de los componentes celulares. Sin embargo, si la falta de nutrientes se mantiene, o si los mecanismos de apoptosis fallan, la autofagia sí puede desembocar en la destrucción irreversible de la célula.

La muerte celular también puede deberse a errores en el funcionamiento de la propìa célula. En particular, la división celular es un momento delicado y muy controlado de la vida de la célula, y si en uno de los puntos de control del ciclo se detecta un error se desencadena un mecanismo específico de muerte celular: la catástrofe mitótica. En este caso se produce micronucleación y plurinucleación, es decir, el núcleo se rompe en múltiples fragmentos más pequeños.

Por último, cuando la célula sufre algún tipo de daño tanto interno (fallos metabólicos o genéticos, por ejemplo) como externo (choque osmótico, hipoxia...) acaba produciéndose un proceso de necrosis, diferente de la apoptosis y que sigue mecanismos moleculares diferentes. Los orgánulos se deforman, especialmente las mitocondrias y el retículo. La célula aumenta su volumen, y se incrementa la presión interior hasta que la membrana plasmática acaba por estallar. A diferencia de lo que ocurre en la apoptosis, en la necrosis no se produce la formación de heterocromatina ni la rotura del ADN.

En realidad, el panorama de la muerte celular es más complejo. Se han descrito otros mecanismos menos habituales (paraptosis, piroptosis, mitoptosis...) y queda por comprender correctamente el papel fisiológico que juegan cada uno de los mecanismos, y su relación con diferentes enfermedades, en particular con el cáncer. Lo que sí está claro es que el envejecimiento y la muerte de las células son una parte sustancial de la vida de los organismos pluricelulares.