BIOLOGIA CELULAR: SINOPSIS

BIOLOGIA CELULAR. 

Retomado. Publicación año 2012.  Sinaloa. Mexico. 

Trabajo de Investigación estudios de Avanzada. Post-Grados. 

Coautores; Amada Aleyda Angulo Rodríguez Alma Rebeca Galindo Uriarte Carolina Pérez Angulo. 

Línea de Investigación: Biología y Principios para estudiar la célula. . 

Descripción de Contenido: 

• Presentacion. 
• Introducción a las células. 
• Unidad y diversidad de las células. 
• Las células vivas tienen propiedades básicas similares. 
• Historia de la biología celular. 
• Teoría celular. 
• Microscopía. 
• Técnicas para estudiar los componentes de la célula. Referencias bibliograficas.

Presentación: 

El reconocimiento de que todos los seres vivos están constituidos por células, es una generalización que llega para satisfacer una búsqueda que duró muchos años en la historia del pensamiento científico, cuyo objetivo era encontrar la parte más pequeña que constituye a los seres vivos. Esta búsqueda de la unidad que caracteriza a los seres vivos como principio de organización y funcionamiento de los propios seres vivientes, pasó por grandes etapas, desde los estudios de Hipócrates, Galeno, Harvey, Descartes, Linneo, Haller, Buffon, Maupertis, Oken, hasta llegar a Schleiden, Schwann y Virchow, quienes concretaron todas las ideas precientíficas para dar forma al paradigma de la teoría celular, que sentólas bases para constituir a la biología como una ciencia. La biología celular se desarrolla apartir de la invención del microscopio. Estos estudios se realizan en muchas universidades de América Latina y el Mundo, Argentina, Brazil, Uruguay, Mexico, Venezuela y Chile entre otros. 

El primer trabajo donde se reportan observaciones microscópicas lo publicóen1667 Roberto Hooke con el título Micrographia, y es en ese libro donde se reporta por primera vez a la palabra célula, término que desapareció con el tiempo y fuére descubierta hasta un siglo después. En los tiempos de 1671, Nehmiah Grewy Marcelo Malpighi, al observar al microscopio estructuras vegetales encontraron formaciones que llamaron utrículos o vesículas, que no era otra que las células vegetales. Anton Van Leeuwenhoek con su propio microscopio de mano descubrelos seres unicelulares de vida libre, bacterias, protozoarios, e incluso espermatozoides y a todos ellos les llamó animálculos. Fué hasta 1838coneltrabajo de Schleiden y Schwann, en que aparece no sólo el término de célula sino la generalización conceptual de la célula como unidad de vida. 

Es entonces, en la primera mitad del siglo XIX cuando se genera el impacto teórico que tuvo la primera gran generalización de la biología como ciencia, que permitió el desarrollo de una de sus grandes ramas y soporte, la biología celular. Estos datos históricos y todas las investigaciones científicas que se han llevado a cabo en diferentes épocas y lugares por parte de una gran cantidad de citólogos, han conducido a ampliar el conocimiento y entendimiento acerca de este fascinante campo de la biología. En este libro se pretende presentar todos los aspectos básicos y actuales de la biología celular que están contemplados en el programa de estudio del sistema de bachillerato formal de la Universidad Autónoma de Sinaloa, México.

Introducción a las células: 

Una pregunta fundamental en biología es ¿qué significa estar vivo? Por ejemplo, las personas, un colibrí, un cactus y una lombriz de tierra están vivos, mientras quelas piedras, las rocas y la arena, no. ¿Pero cuales son las propiedades fundamentales que caracterizan a todos los seres vivos y los distinguen de la materia inerte o no viva? La respuesta inicia con un hecho básico, histórico en la biología, el establecimiento de la teoría celular. Este hecho ocurre a mediados del siglo XIX y marca una revolución en el pensamiento humano ya que afirma que todos los seres vivos están constituidos por células. Al igual que nosotros, cada célula que forma nuestro organismo, puede crecer, reproducirse, procesar información, responder a estímulos y llevar a cabo una asombrosa variedad de reacciones químicas. 

Estas habilidades definen la vida. Nosotros y otros organismos pluricelular es contienen miles de millones o billones de células organizadas en estructuras complejas, pero muchos organismos son solo una simple célula. Aún estos organismos unicelulares exhiben todas las propiedades que distinguen lo viviente, lo que indica que la célula es la unidad fundamental de la vida, es decir, la vida comienza en las células. Todos los organismos vivos están formados por células, de tal manera que ningún organismo puede ser considerado un ser vivo, si no contiene al menos una célula. La célula, como nos dice el investigador mexicano Ismael Ledezma, es la parte más pequeña que constituye a los seres vivientes, el común denominador, esto es, la unidad que caracteriza a los seres vivos, el principio o unidad fundamental para la organización y funcionamiento del cuerpo y en última instancia, de la vida. 

Si las células son la unidad básica de la materia viviente, nada inferior a la célula puede ser considerado un ser vivo. Los virus, por ejemplo, son paquetes compactos de información genética (en forma de ADN o de ARN) revestido, en general por proteínas, pero carecen de la capacidad de reproducirse por sí mismos. En cambio, se copian solo parasitando la maquinaria reproductiva de las células que invaden. Los virus son inertes e inactivos cuando están fuera de las células hospedadoras, pero ejercen un control nocivo una vez que ingresan. Por lo tanto, a los virus no se les considera seres vivos, debido a que no pueden crecer o reproducirse por sí mismos. 

Por lo tanto, a los virus no se les considera seres vivos, debido a que no pueden crecer o reproducirse por sí mismos. Los virus son estudiados por la biología porque producen numerosas enfermedades en los seres vivos. Si no produjeran enfermedades, es muy probable que no se supiera de su existencia. Algunas de estas enfermedades son: la varicela, gripe, sida, dengue, rabia, poliomielitis, hepatitis, resfrío común, etc. La biología estudia las células con base asu constitución molecular y la forma en que juntas y organizadas constituyen organismos muy complejos como el ser humano. Para comprender como funciona, se desarrolla y envejece el cuerpo humano y que falla en caso de enfermedad, es necesario conocer la estructura y el funcionamiento de las células que lo integran. Nos desarrollamos a partir de una sola célula, el cigoto. 

En 1827, el médico alemán Karl von Baer, descubrió que los animales crecen apartir de ovocitos provenientes de los ovarios de la madre. La fecundación de lo vocito por células espermáticas produce un cigoto, una célula visualmente pequeña de 200 micrómetros (µm) de diámetro. Todo ser humano comienza como un cigoto, en el cual están todas las instrucciones necesarias para construir el cuerpo humano, constituido por aproximadamente 100 billones de células (1014), lo que es una maravilla. El desarrollo comienza con la división del cigoto en dos, cuatro y ocho células que forman el embrión en su fase más temprana a continua proliferación celular y, luego la diferenciación en distintos tipos de células dan lugar a cada tejido de nuestro cuerpo. 

Una célula inicial resultante de la fecundación, genera cientos de diversas clases de células que difieren en contenido, forma, tamaño, color, movilidad y composición de la superficie. Los genes controlan la diversificación celular, para constituir diferentes clases de células, por ejemplo, musculares, dérmicas, óseas, neuronas, glóbulos rojos, glóbulos blancos, etc. Esto no es suficiente para producir un organismo humano. Las células deben organizarse en tejidos, órganos, aparatos o sistemas, que constituirán un nuevo ser vivo. 

Concluyendo, las células son las unidades fundamentales de la vida, y la biología celular es el medio al que debemos recurrir para encontrar la respuesta a la pregunta de qué es la vida y cómo funciona. Además, la biología celular puede proporcionarnos respuestas a los interrogantes sobre nosotros mismos: ¿De dónde venimos? ¿Cómo nos desarrollamos a partir de un solo ovocito fecundado?¿Porqué enfermamos, envejecemos y morimos? Actualmente la biología celular es una ciencia rica, integradora que reúne las siguientes disciplinas: bioquímica, biofísica, microscopía, genética, fisiología, computación y biología del desarrollo. Cada uno de estos campos tiene su propio interés y estilo de experimentación.

Unidad y diversidad de las células. 

La mayoría de las células son invisibles para el ojo humano; presentan una sorprendente variedad de tamaños y formas. Se ha demostrado que la forma está condicionada por la función que realizan. Algunas de las células bacterianas más pequeñas tienen forma cilíndrica de menos de 1 µm de longitud, mientras que las neuronas son de forma compleja con numerosas prolongaciones delgadas que miden varios metros de longitud. La mayoría de las células vegetales midende20-30 µm de longitud, tienen forma poligonal y pared celular rígida. En promedio, las células del reino animal miden de 10-60 µm de diámetro; su membrana celulares muy delgada y flexible. 

No existe relación entre el tamaño del organismo y el tamaño de sus células; tampoco existe relación entre el tamaño celular y su función. En biología se utiliza de manera habitual el sistema métrico decimal (SMD). El centímetro es la centésima parte de un metro, el milímetro es la milésima parte del metro. Un centímetro tiene 10 milímetros. Si a un milímetro se le divide en mil partes, una de esas partes es un micrómetro (µm), es decir, el micrómetro es la milésima parte del milímetro y si a un micrómetro lo dividimos en mil partes, una de esas partes se llama nanómetro (nm), éste, es la milésima parte del micrómetro y la millonés imparte del milímetro. 

Algunas células se mueven con rapidez y tienen estructuras que cambian también rápidamente. Las amebas y glóbulos blancos pueden variar su forma a medida que se desplazan mediante la formación de pseudópodos. Los espermatozoides tienen un gran flagelo que les permite la locomoción. Otras células son en gran parte estacionarias y estructuralmente estables como es el caso de las células epiteliales que recubren cavidades. Las células también son muy diversas en cuanto a sus requerimientos químicos. Algunas necesitan oxígeno para vivir y para otras éste es letal. Algunas requieren poco más que aire, luz solar y agua como materiales básicos; otras necesitan una mezcla de moléculas complejas producidas por otras células. 

Las células vivas tienen propiedades básicas similares.

A pesar de que todos los organismos vivos presentan muchísimas variaciones en su aspecto exterior, son fundamentalmente similares en el interior. Actualmente, gracias a los descubrimientos de la bioquímica y de la biología molecular, se sabe que las células se parecen entre sí de una manera asombrosa en los detalles de sus propiedades químicas y que comparten la misma maquinaria para la mayoría de sus funciones básicas. Todas las células están compuestas por las mismas clases de moléculas que participan en los mismos tipos de reacciones químicas. 

En todos los organismos vivos, las instrucciones genéticas (genes) están almacenadas en moléculas de ADN, escritas en el mismo código químico, construidas con los mismos componentes básicos químicos, interpretadas esencialmente por la misma maquinaria química y duplicadas de la misma forma para permitir la reproducción del organismo. En cada célula, las instrucciones contenidas en el ADN son transcriptas, en ARN mensajero. Asu vez, los mensajes transportados por esta molécula son traducidos a proteínas. Las proteínas están compuestas por aminoácidos, y todos los organismos vivos utilizan el mismo conjunto de 20 aminoácidos para fabricar proteínas. De esta manera, la misma maquinaria bioquímica básica, ha servido para generar toda la gran diversidad de organismos vivos. 

Historia de la biología celular. 

Por lo general, las células son muy pequeñas para observarlas a simple vista. Fue gracias a la invención del microscopio en el siglo XVII que se les pudo observar. Apartir de este momento y durante cientos de años, todo lo que se supo sobre las células se descubrió con este instrumento. La invención del microscopio óptico dependió de los avances en la producción y perfeccionamiento de las lentes de cristal. 

Las células fueron descritas por primera vez en 1665 por el científico inglés RobertHooke, en su libro Micrographia. Utilizando un microscopio que el mismo fabricó, observó un delgado corte de un trozo de corcho, dibujó y describió lo observado. 

Hooke eligió el término célula porque el tejido le recordaba las pequeñas habitaciones (celdas) en las que viven los monjes. Curiosamente lo que Hookeobservó no eran realmente células vivas, sino las paredes celulares que quedarondespués de que murieran las células vegetales del corcho. La palabra célula propuesta por Hooke desaparece en el tiempo inmediato y es redescubierta por Stefano G. Gallini y Jacob Fidelis Ackermann entre 1792 y 1793, es decir, después de más de un siglo. 

Paralelamente a Robert Hooke, hubo otros investigadores que querían conocer todo lo que el microscopio podía revelar. Entre ellos Marcelo Malpighi y Nehmiah Grew en 1671, por separado, estudiaron la estructura de los órganos vegetales encontrando pequeñas cavidades que llamaron utrículos o vesículas para referirse a lo que Hooke llamó células. Mucho más tarde, los científicos reconocieron que el contenido que encierran las paredes celulares es la parte más importante de las células vivas. Por aquellos mismos años, el naturalista holandés Anton Van Leeuwen hoek examinó células vivas con unas pequeñas lentes que había fabricado, ya que era un experto en el pulido de lentes y fue capaz de ampliar imágenes poco más de 200 veces. Entre sus descubrimientos más importantes están las bacterias, protistas, células de la sangre y espermatozoides. 

No obstante, Leeuwenhoek era un comerciante y no estaba formalmente preparado como científico. Sin embargo, su habilidad, curiosidad y diligencia a la hora de compartir sus descubrimientos con los científicos de la Sociedad Real de Londres, dio a conocer la vida microscópica a los científicos de todo el mundo. Desafortunadamente, Leeuwenhoek no compartió las técnicas y por eso fue que hasta 100 años después, a finales del siglo XIX, cuando los microscopios se desarrollaron lo suficiente como para que los biólogos centraran seriamente su atención en el estudio de las células. Casi durante 200 años, el microscopio óptico sería un instrumento exótico, accesible sólo para pocas personas con recursos económicos. 

En el siglo XIX comenzó a ser ampliamente utilizado para la observación de las células. La aparición de la biología celular como una ciencia independiente fué un proceso gradual al que contribuyeron muchos investigadores, aunque en general se considera que su nacimiento oficial está marcado por las publicaciones de dos biólogos alemanes: la del botánico Matthias Schleiden en 1838 y la del zoólogo Theodor Schwann en 1839. Publicaciones que fueron la base para el establecimiento de la teoría celular. En sus artículos Schleiden y Schwann documentaron los resultados de una investigación sistemática realizada con el microscopio óptico; de tejidos de plantas, en el caso de Schleiden, de tejidos animales por Schwann. Ambos mostraron que las células eran los componentes básicos de todos los tejidos vivos. 

Teoría celular.

En su artículo Matthias Schleiden, afirmó que todas las plantas están constituidas de células. Mientras que Theodor Schwann, concluyó que todos los animales están formados por células. Ambos científicos utilizaron el razonamiento inductivo para concluir que todas las plantas y animales estaban formadas por células. Posteriormente, el físico alemán Rudolf Virchow, observó que las células se dividían y daban lugar a células hijas. En 1855, Virchow propuso que las células nuevas se forman sólo por la división de células previamente existentes, completando así la teoría celular. 

El trabajo de estos tres científicos: Schleiden, Schwann y Virchow fueron confirmados por otros biólogos y contribuyeron en gran medida al desarrollo del concepto fundamental de la biología, la teoría celular, cuyos postulados son: Todos los seres vivos están constituidos por células. l Las células son las unidades básicas de la estructura (organización) y función de los seres vivos. l Todas lascélulas proceden de otras células, es decir, se producen nuevas células a partir de células existentes. 

Hacia finales del siglo XIX fueron identificados los principales organelos que se conocen ahora. La mitocondria fue observada por varios autores, y fue nombrada así por Carl Benda en 1898, el mismo año en que Camillo Golgi descubrió el aparato que lleva su nombre. En 1879, Walther Flemming, empleando el colorante de hematoxilina, descubrió que solo teñía de azul el núcleo; tiñó unos pequeños gránulos que estaban en el interior del núcleo y los llamó cromatinas. Flemming también observó y descubrió la división cromosómica que ocurre durante el proceso de la mitosis, y acuñó este término. La palabra cromosoma fue usada por primera vez por Wilhelm Waldeyer en 1888. 

Microscopía. 

Una de las herramientas más importantes que usan los biólogos para estudiar las estructuras celulares es el microscopio. El microscopio óptico (MO) es el más utilizado por la mayoría de los estudiantes. Debido a que contiene varias lentes; el microscopio óptico moderno se denomina microscopio óptico compuesto. En este microscopio la luz visible pasa a través de la muestra que se está observando por medio de las lentes. Estas refractan (desvían) la luz, ampliando la imagen. La claridad con la que se puede ver un objeto pequeño, la determinan dos características: el aumento y el poder de resolución.

El aumento es la diferencia entre el tamaño de la imagen vista con el microscopio y el tamaño real del objeto. Los mejores microscopios ópticos normalmente amplían un objeto más de 1000 veces. La resolución o poder de resolución, es la capacidad para distinguir detalles finos en una imagen; se define como la distancia mínima entre dos puntos a la cual ambos se pueden ver separados y no como un único punto borroso. El poder de resolución depende de la calidad de las lentes y de la longitud de onda de la luz de iluminación. Mientras más pequeña es la longitud de onda, la resolución aumenta. 

La luz visible utilizada por los microscopios ópticos tiene longitudes de onda que oscilan entre los 400 y 700 nm; esto limita la resolución de estos microscopios a detalles no más pequeños que el diámetro de una célula bacteriana de aproximadamente 0.2 µm. A principios del siglo XX surgieron version es mejoradas del microscopio óptico así como también de compuestos que teñían las diferentes estructuras celulares. Cuando los biólogos utilizaron estas herramientas, descubrieron que las células tienen muchas estructuras internas diferentes, los organelos. 

La contribución de los químicos orgánicos al desarrollo de colorantes biológicos, fue una valiosa aportación, ya que el interior de muchas células es transparente. Sin embargo, la mayoría de los métodos utilizados para preparar y teñir células para su observación, también las matan en el proceso. En la actualidad pueden estudiarse las células vivas utilizando microscopios ópticos con sistemas ópticos especiales: microscopio de campo brillante, microscopio de campo oscuro, microscopio de contraste de fase, microscopio de contraste de interferencia diferencial de Nomarski, microscopio de fluorescencia, microscopio con focal, etc. 

Aún con éstos microscopios mejorados y las técnicas para teñir células, los microscopios ópticos solo pueden distinguir los detalles más grandes de muchas de las partes de las células. En la mayoría de los casos, sólo se puede ver claramente el contorno de los organelos más grandes. Sin embargo, para obtener el máximo aumento y la mejor resolución, se debe utilizar el microscopio electrónico, que puede revelar detalles de hasta unos pocos nanómetros. En 1937, Ernst Ruskay Max Knoll, físicos alemanes, construyeron el primer microscopio electrónico. 

El microscopio electrónico (ME) es utilizado para estudiar los detalles más finos, es decir, la ultraestructura de las células. Su uso se generalizó en la década de1950. La microscopía electrónica permite a los biólogos observar la estructura de las membranas biológicas, que tienen solo dos moléculas de espesor. Incluso con este microscopio se puede observar algunas de las grandes moléculas individuales de una célula. Los microscopios electrónicos proporcionan una imagen de alta resolución que se puede ampliar enormemente. Mientras que el mejor microscopio óptico tiene un poder de resolución aproximadamente 500 veces mayor que la del ojo humano, el microscopio electrónico multiplica el poder de resolución en más de 10,000 veces. 

Los dos tipos de microscopios electrónicos son: microscopio electrónico de transmisión y el microscopio electrónico de barrido. El microscopio electrónico de transmisión (met) es, en principio, similar a un microscopio óptico, pero emplea un haz de electrones en lugar de un haz de luz, y bobinas magnéticas para enfocar el haz en lugar de lentes de cristal. La muestra debe de ser muy delgada por lo que se le hacen cortes extraordinariamente finos (50-100 nm de grosor) con una cuchilla de diamante. 

Enseguida se coloca el corte sobre una rejilla metálica. Por lo general, el contraste se introduce tiñendo la muestra con metales pesados. El MET tiene un aumento útil de hasta un millón de veces y, en muestras biológicas, puede resolver detalles de alrededor de 2 nm. En el microscopio electrónico de barrido (meb), el haz de electrones no pasa a través de la muestra. En su lugar ésta se recubre con una fina película de oro o algún otro metal. 

Cuando el haz de electrones golpea varios puntos de la superficie de la muestra, se emiten electrones secundarios cuya intensidad varía dependiendo del contorno de la superficie. Los patrones de emisión registrados de los electrones secundarios proporcionan una imagen 3-D (tridimensional) de la superficie. El MEB da información acerca de la forma y características externas de la muestra que no se pueden obtener con el MET. El MEB puede resolver detalles de un rangode2a20nm, lo que depende del aparato. 

En resumen, el MO, el MET y el MEB se enfocan utilizando principios similares. Un haz de luz o un haz de electrones se proyectan por medio de un condensador sobre la muestra y se amplifican a través del objetivo y el ocular en el caso del microscopio óptico y por el objetivo y el proyector en el caso del MET. La imagen del MET se proyecta en una pantalla fluorescente y la del ME Ben una especie de pantalla de televisión. 

Técnicas para estudiar los componentes de la célula.

El ME es una herramienta potente para estudiar las estructuras celulares, pero tiene limitaciones ya que los métodos utilizados para preparar las células para microscopía electrónica las mata y pueden alterar su estructura. Para determinar las funciones de los organelos, los biólogos utilizan diversas técnicas bioquímicas. El fraccionamiento celular es una técnica para purificar diferentes partes de la célula de tal manera que se puedan estudiar mediante métodos físicos y químicos. Por lo general, las células se fraccionan tan suavemente cómo es posible y la mezcla, denominada extracto celular, se somete a una fuerza centrífuga en un instrumento llamado centrífuga. 

Las potentes ultracentrífugas pueden centrifugar a velocidades que superanlas100,000 revoluciones por minuto (rpm), generando una fuerza de 500,000porG(una G equivale a la fuerza de la gravedad). La fuerza centrífuga separa el extracto en dos fracciones: un sedimento y un sobrenadante. El sedimento que se forma en el fondo del tubo contiene los materiales más pesados, los núcleos celulares. El sobrenadante es el líquido que queda por encima del sedimento y contiene las partículas menos densas o ligeras, moléculas disueltas e iones. 

Después de eliminar el sedimento, el sobrenadante se puede nuevamente centrifugar a mayor velocidad, es decir, cada vez a mayor número de revoluciones por minuto, para obtener un sedimento que contiene los sedimentos celulares más pesados como son las mitocondrias y los cloroplastos. Esta técnica se denomina centrifugación diferencial. Las membranas y organelos de los sedimentos(precipitados) resuspendidos pueden purificarse adicionalmente mediante centrifugación en gradiente de densidad. En este procedimiento, el tubo de centrífuga se llena con una serie de soluciones de densidad decreciente. Por ejemplo, se pueden utilizar soluciones de sacarosa. 

La concentración de sacarosa es mayor en el fondo del tubo y disminuye gradualmente, de tal manera que la concentración menor está en la parte superior. El sedimento resuspendido se coloca en una capa sobre la parte superior del gradiente de densidad. Puesto que la densidad de los organelos es diferente, durante la centrifugación cada uno migra y forma una banda en la posición del gradiente en la que su densidad iguale la de la solución de sacarosa. Los organelos purificados se examinan mediante pruebas bioquímicas para determinar qué clase de proteínas y otras moléculas los constituyen. También se estudia la naturaleza de las reacciones químicas que tienen lugar dentro de ellos. 

Datos de Referencias Bibliográficas.

___________________Universidad Autónoma de Sinaloa Mexico. Año. 2012. Dirección General de Escuelas Preparatorias Academia Estatal de BiologíaCircuito interior oriente s.n. Ciudad Universitaria, Culiacán, Sinaloa, México. C.P. 80010 Tel. 667-712-16-56, fax 712-16-53; ext. 111. 

___________________Datos en la web: 12-12-2025. http://dgep.uas.uasnet.mxPortada: Yeimy López Camacho Formación: Yeimy López Camacho IránUbaldoSepúlveda León Cuidado de la edición: Amada Aleyda Angulo RodríguezAlmaRebeca Galindo Uriarte Carolina Pérez Angulo