3: Estructura celular I

Tradicionalmente, los organismos celulares se han dividido en dos amplias categorías, en función de su tipo celular. Son procariotas o eucariotas. En general, los procariotas son más pequeños, más simples, con muchas menos cosas, lo que haría que los eucariotas fueran más grandes, más complejos y más abarrotados. El quid de su diferencia clave se puede deducir de sus nombres: “cariosa” es una palabra griega que significa “nuez” o “centro”, una referencia al núcleo de una célula. “Pro” significa “antes”, mientras que “Eu” significa “verdadero”, lo que indica que los procariotas carecen de un núcleo (“antes de un núcleo”) mientras que los eucariotas tienen un núcleo verdadero. Más recientemente, los microbiólogos se han estado rebelando contra el término procariota porque agrupa tanto a las bacterias como a las arqueas descubiertas más recientemente en la misma categoría. Ambas células son procariotas porque carecen de núcleo y otros orgánulos (como mitocondrias, aparato de Golgi, retículo endoplásmico, etc), pero no están estrechamente relacionadas genéticamente. Entonces, para honrar estas diferencias este texto se referirá a los grupos como las arqueas, las bacterias y los eucariotas e intentará dejar fuera de ella la referencia procariota.

Morfología celular

La morfología celular es una referencia a la forma de una célula. Puede parecer un concepto trivial pero a una célula no lo es. La forma dicta cómo esa célula crecerá, se reproducirá, obtendrá nutrientes, se moverá, y es importante para la célula mantener esa forma para que funcione correctamente. La morfología celular se puede utilizar como característica para ayudar a identificar microbios particulares, pero es importante señalar que las células con la misma morfología no están necesariamente relacionadas. Las bacterias tienden a mostrar las morfologías celulares más representativas, con los ejemplos más comunes enumerados aquí:

Morfologías de células bacterianas.

• Cocos (pl. cocos) — un coco es una célula de forma esférica.
• Bacillus (pl. bacilos) — un bacilo es una célula en forma de varilla.
• Varillas curvadas — obviamente se trata de una varilla con algún tipo de curvatura. Hay tres subcategorías: el vibrio, que son varillas con una sola curva y las espírillas/espiroquetas, que son varillas que forman formas espirales. Spirilla y espiroquetas se diferencian por el tipo de motilidad que exhiben, lo que significa que es difícil separarlas a menos que estés mirando una montura húmeda.
• Los organismos pleomórficos — pleomórficos presentan variabilidad en su forma.

Hay formas adicionales vistas para las bacterias, y una matriz aún más amplia para las arqueas, que incluso se han encontrado como formas de estrella o cuadradas. Los microbios eucariotas también tienden a exhibir una amplia gama de formas, particularmente las que carecen de una pared celular como los protozoos.

Tamaño de Celda

El tamaño celular, al igual que la morfología celular, tampoco es una materia trivial, para una célula. Hay razones por las que la mayoría de las células arqueales/bacterianas son mucho más pequeñas que las células eucariotas. Gran parte tiene que ver con las ventajas derivadas de ser pequeñas. Estas ventajas se relacionan de nuevo con la relación superficie-volumen de la celda, una relación de la capa celular externa en contacto con el ambiente en comparación con el líquido en su interior. Esta relación cambia a medida que una celda aumenta de tamaño. Veamos una celda de 2 μm en comparación con una celda que es el doble de grande a 4 μm.

r = 1 μm área de superficie = 12.6 μm2 volumen = 4.2 μm3

r = 2 μm área de superficie = 50.3 μm2 volumen = 33.5 μm3

La relación superficie-volumen de la celda más pequeña es 3, mientras que la relación superficie-volumen de la celda más grande disminuye a 1.5. Piense en la superficie celular como la capacidad de la célula para aportar nutrientes y dejar salir los productos de desecho. Cuanto mayor sea la superficie, más posibilidades existen para participar en estas actividades. En base a esto, la celda más grande tendría una ventaja. Ahora piensa en el volumen como que representa lo que la celda tiene que soportar. A medida que disminuye la relación superficie-volumen, indica que la célula tiene menos oportunidades de aportar los nutrientes necesarios para apoyar las actividades de la célula, actividades como el crecimiento y la reproducción. Entonces, las células pequeñas crecen y se reproducen más rápido. Esto también significa que evolucionan más rápido con el tiempo, dándoles más oportunidades para adaptarse a los entornos.

Hay que tener en cuenta que la diferencia de tamaño (células bacterias/arqueales = más pequeñas, células eucariotas = mayores) es en promedio. Una célula bacterial/arqueal típica es de unos pocos micrómetros de tamaño, mientras que una célula eucaritótica típica es aproximadamente 10x más grande. Hay algunas bacterias monstruosas que caen fuera de la norma en tamaño y aún así logran crecer y reproducirse muy rápidamente. Uno de esos ejemplos es Thiomargarita namibiensis, que puede medir de 100-750 μm de longitud, en comparación con la longitud más típica de 4 μm de E. coli. T. namibiensis logra mantener su rápido ritmo reproductivo al producir vacuolas o burbujas muy grandes que ocupan una gran porción de la célula. Estas vacuolas reducen el volumen de la celda, aumentando la relación superficie-volumen. Otras bacterias muy grandes utilizan una membrana con volantes para su capa superficial externa. Esto aumenta la superficie, lo que también aumenta la relación superficie-volumen, permitiendo que la célula mantenga su velocidad reproductiva rápida.

Componentes de Celda

Todas las células (bacterianas, arqueales, eucariotas) comparten cuatro componentes comunes:

• Citoplasma — El citoplasma es el líquido gelatinoso que llena cada célula, proporcionando un ambiente acuoso para las reacciones químicas que tienen lugar en una célula. Se compone principalmente de agua, con algunas sales y proteínas.
• ADN — El ácido desoxirribonucleico o ADN es el material genético de la célula, las instrucciones para las capacidades y características de la célula. Este conjunto completo de genes, denominado genoma, se localiza en una región de forma irregular conocida como el nucleoide en células bacterianas y arqueales, y encerrado en un núcleo unido a la membrana en células eucariotas.
• Ribosomas — las fábricas productoras de proteínas de la célula son los ribosomas. Compuesto tanto por ARN como por proteína, existen algunas diferencias claras entre las que se encuentran en bacterias/arqueas y las que se encuentran en eucariotas, particularmente en términos de tamaño y ubicación. Los ribosomas de bacterias y arqueas se encuentran flotando en el citoplasma, mientras que muchos de los ribosomas eucariotas se organizan a lo largo del retículo endoplásmico, un orgánulo eucariota. Los ribosomas se miden utilizando la unidad Svedberg, la cual corresponde a la velocidad de sedimentación cuando se centrifuga. Los ribosomas bacteriales/arqueales tienen una medida de 70S como valor de sedimentación, mientras que los ribosomas eucariotas tienen una medida de 80, una indicación tanto de su mayor tamaño como de su masa.
• Membrana plasmática: uno de los límites externos de cada célula es la membrana plasmática o la membrana celular. (También se puede encontrar una membrana plasmática en otros lugares, como la membrana que limita el núcleo eucariota, mientras que el término membrana celular se refiere específicamente a este límite de la célula propiamente dicha). La membrana plasmática separa el contenido interno de la célula del ambiente circundante. Si bien no es una capa fuerte, la membrana plasmática participa en varios procesos cruciales para la célula, particularmente para bacterias y arqueas, que típicamente solo tienen una membrana:
  • Actúa como una barrera semipermeable para permitir la entrada y salida de moléculas seleccionadas. Funciona para dejar entrar nutrientes, excretar productos de desecho y posiblemente mantener alejadas sustancias peligrosas como toxinas o antibióticos.
  • Realiza procesos metabólicos participando en la conversión de la luz o energía química en una forma fácilmente útil conocida como ATP. Esta conservación de energía implica el desarrollo de una fuerza motriz protónica (PMF), basada en la separación de cargas a través de la membrana, al igual que una batería.
  • “Se comunica” con el ambiente uniéndose o tomando pequeñas moléculas que actúan como señales y proporcionan información importante para la célula. La información podría relacionarse con nutrientes o toxinas en la zona, así como información sobre otros organismos.

Célula Procariota Típica.

Célula Eucariota Típica. Por Mediran (Obra propia) [CC BY-SA 3.0], vía Wikimedia Commons

Los eucariotas tienen numerosos componentes adicionales llamados orgánulos, como el núcleo, la mitocrondria, el retículo endoplásmico, el aparato de Golgi, etc. Todos estos son compartimentos unidos a la membrana que albergan diferentes actividades para la célula. Debido a que cada estructura está limitada por su propia membrana plasmática, proporciona a la célula múltiples ubicaciones para que ocurran funciones membranosas.

Estructura de membrana plasmática

Al hablar de los detalles de la membrana plasmática se complica un poco, ya que bacterias y eucariotas comparten la misma estructura básica, mientras que las arqueas tienen marcadas diferencias. Por ahora vamos a cubrir la estructura básica, mientras que las modificaciones y variaciones arqueales serán cubiertas en el capítulo sobre arqueas.

La membrana plasmática a menudo es descrita por el modelo de mosaico de fluidos, que explica el movimiento de varios componentes dentro de la propia membrana. La estructura general se explica por la separación de sustancias individuales en función de su atracción o repulsión del agua. La membrana se compone típicamente de dos capas (una bicapa) de fosfolípidos, que forman la estructura básica. Cada fosfolípido está compuesto por una región polar que es hidrófila (“amante del agua”) y una región no polar que es hidrófoba (“temerosa del agua”). Los fosfolípidos se ensamblarán espontáneamente de tal manera que mantengan las regiones polares en contacto con el ambiente acuoso fuera de la célula y el citoplasma en su interior, mientras que las regiones no polares se secuestran en el medio, al igual que la jalea en un sándwich.

Los fosfolípidos en sí están compuestos por una cabeza polar cargada negativamente que es un grupo fosfato, conectada por un enlace de glicerol a dos colas de ácidos grasos. El grupo fosfato es hidrofílico mientras que las colas de ácidos grasos son hidrófobas. Si bien la membrana no se considera particularmente fuerte, se ve algo fortalecida por la presencia de componentes lipídicos adicionales, como los esteroides en eucariotas y los hopanoides similares a esteroles en bacterias. Incrustadas y asociadas con la bicapa fosfolipídica se encuentran diversas proteínas, con innumerables funciones. Las proteínas que están incrustadas dentro de la bicapa en sí se denominan proteínas integrales mientras que las proteínas que se asocian en el exterior de la membrana se denominan proteínas periféricas. Algunas de las proteínas periféricas están ancladas a la membrana a través de una cola lipídica, y muchas se asocian con proteínas integrales específicas para cumplir funciones celulares. Las proteínas integrales son del tipo dominante, representando alrededor del 70-80% de las proteínas asociadas a una membrana plasmática, mientras que las proteínas periféricas representan el 20-30% restante.

Estructura Membrana Plasma.

La cantidad de proteína que compone una membrana plasmática, en comparación con el fosfolípido, difiere según el organismo. Las bacterias tienen una relación proteína a fosfolípido muy alta, alrededor de 2. 5:1, mientras que los eucariotas presentan una relación de 1:1, al menos en su membrana celular. Pero recuerda que los eucariotas tienen múltiples membranas plasmáticas, una por cada organelo. La relación proteína a fosfolípido para su membrana mitocondrial es de 2. 5:1, al igual que la membrana plasmática bacteriana, proporcionando evidencia adicional para la idea de que los eucariotas evolucionaron a partir de un ancestro bacteriano.

Palabras clave

procariota, eucariota, morfología, coccus, bacillus, vibrio, spirilla, espiroqueta, pleomórfica, relación superficie-volumen (S/V), citoplasma, ADN, genoma, nucleoide, núcleo, ribosoma, unidad Svedberg, membrana plasmática, membrana celular, fuerza motriz protónica (PMF), modelo fluido-mosaico, fosfolípido, hidrófilo, hidrófobo, cabeza polar, grupo fosfato, enlace glicerol, cola de ácidos grasos, esteroides, hopanoides, bicapa fosfolipídica, proteína integral, proteína periférica.

Preguntas/Objetivos Esenciales

1. ¿Por qué los microbiólogos cuestionan las formas tradicionales de pensar sobre los “procariotas”?
2. ¿Cuáles son las 3 formas básicas de Bacterias?
3. ¿En qué se diferencian típicamente los microbios pertenecientes a las categorías de Eucariotas vs. Bacteria/Archaea en términos de tamaño? ¿Cómo afecta el tamaño a una celda? ¿Qué papel juega la relación superficie:volumen? ¿Cómo pueden las células evitar las limitaciones impuestas por la relación superficie:volumen?
4. ¿Cuáles son las dos formas en que las bacterias pueden adaptarse a ser grandes? Dar ejemplos específicos.
5. ¿Cuáles son los componentes básicos de cualquier célula?
6. ¿Cuáles son los papeles de la membrana plasmática?
7. ¿Qué es el modelo de mosaico de fluidos?
8. Comprender la estructura básica de los fosfolípidos de la membrana plasmática y el papel que juega en el diseño de la membrana.
9. ¿Qué otros lípidos se encuentran en la membrana plasmática?
10. ¿Cuáles son las 2 categorías de proteínas que se encuentran en la membrana plasmática y en qué se diferencian?
11. ¿Cómo se unen los fosfolípidos y la proteína para formar una membrana plasmática funcional?
12. ¿Cuál es la importancia de la relación proteína-fosfolípido en términos de evolución?

Preguntas Exploratorias (OPCIONAL)

1. ¿Cuál es la bacteria o arquea más grande jamás descubierta? ¿Cuál es el eucariota más pequeño jamás descubierto?