12.3: Celdas - Unidades Básicas de Vida

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Como unidad fundamental de la biosfera, es apropiado elegir las células vivas, las cuales fueron discutidas en el Capítulo 7, Sección 7.2, como entidades en las que ocurren los procesos bioquímicos. Una sola célula visible solo bajo un microscopio puede realizar todas las funciones requeridas para que un organismo procese los nutrientes y la energía y se reproduzca. O las células pueden ser entidades altamente especializadas, como el hígado humano, el cerebro y los glóbulos rojos.

La estructura celular tiene una influencia importante en la determinación de la naturaleza de los biomateriales generados por procesos bioquímicos en las células. Las células musculares consisten principalmente en proteínas estructurales fuertes capaces de contraerse y moverse. Las células óseas secretan una mezcla de proteínas que luego se mineraliza con calcio y fosfato para producir hueso sólido. Las paredes de las células en las plantas están compuestas en gran parte de celulosa fuerte, que conforma la robusta estructura de la madera.

Como se señala en la Sección 7.2, existen dos clases generales de celdas. Las células procariotas son aquellas que componen bacterias y organismos unicelulares simples que compusieron toda la vida en la Tierra durante los primeros aproximadamente 2 mil millones de años de vida en el planeta. Estas células tienen solo alrededor de 1—2 micrómetros de tamaño, solo tienen apéndices externos limitados y tienen estructuras internas relativamente menos (aunque aún complejas). Las células eucariotas componen todos los organismos que no sean bacterias, suelen tener un tamaño de 10μm o más, a menudo tienen apéndices externos y generalmente muestran estructuras internas bien diferenciadas con numerosas partes distintas. Estas células aparecieron hace apenas unos mil 500 millones de años en los 3,5 mil millones de años estimados que la vida ha existido en la Tierra. La Figura 12.1 representa células procariotas y células eucariotas vegetales y animales.

Tres características distinguen en gran medida las células eucariotas vegetales de las células animales en que las células vegetales tienen una pared celular, una gran vacuola central y cloroplastos. La pared celular le da fuerza y rigidez a la célula vegetal. La vacuola ocupa la mayor parte del volumen celular y permite el contacto con los gases. Los cloroplastos son sitios en los que la clorofila utiliza energía luminosa (h ν) para sintetizar carbohidratos como lo demuestra la siguiente reacción para la generación fotosintética de azúcar de glucosa:

\[\ce{6CO2 + 6H2O + (light energy, } h \nu \ce{) \rightarrow C6H12O6 (glucose) + 6O2}\]

Demostrado por la reacción anterior, la fotosíntesis fue la responsable de los mayores cambios que la biosfera haya ocasionado jamás en la atmósfera y la geosfera. Esto ocurrió con la evolución de las cianobacterias (antes pensadas como algas y llamadas “algas verdeazuladas”) hace unos 3 mil millones de años, los primeros organismos capaces de realizar la fotosíntesis y producir oxígeno, que para ellos era un producto de desecho. Esto elevó el contenido de oxígeno de la atmósfera de prácticamente cero al valor actual de 21% (por volumen de aire seco). El resultado fue la conversión de la atmósfera a un medio oxidante. Se formaron grandes depósitos de minerales sólidos de hierro que ahora se utilizan para el mineral de hierro cuando el oxígeno atmosférico reaccionó con Fe disuelto en los océanos para producir óxido de hierro sólido.

\[\ce{4 Fe^{2+} + O2 + 4H2O \rightarrow 2Fe2O3 + 8 H^{+}}\]

Parte del oxígeno generado por la fotosíntesis se disolvió en agua, donde estuvo disponible para el desarrollo de organismos que utilizaron oxígeno para metabolizar la materia orgánica. Mientras que la superficie de la Tierra había sido un lugar inhóspito para la existencia de la vida, el oxígeno liberado por la fotosíntesis permitió la formación de la capa filtrante de radiación ultravioleta de ozono (O ₃) en la estratosfera que hizo posible la vida fuera de los confines protectores del agua. Así la vida se hizo posible en la superficie terrestre de la Tierra, se formó el suelo, ayudado por la acción meteorizante de organismos, incluidas las cianobacterias que crecieron en las superficies rocosas, las plantas que crecían en el suelo se establecieron bien y los animales se desarrollaron. Los enormes cambios posibles por la acción de las cianobacterias unicelulares que realizan la fotosíntesis son evidentes.

Figura 12.1 Representaciones de células procariotas (izquierda), células animales eucariotas (centro) y células vegetales eucariotas (derecha). Las células eucariotas son muy complejas y no se muestran todos los muchos orgánulos

Las células procariotas características de las bacterias están encerradas por fuertes paredes celulares compuestas en gran parte de carbohidratos que mantienen unidas las células. La membrana plasmática controla el paso de materiales dentro y fuera de la célula y es el sitio de fotosíntesis en bacterias fotosintéticas. El citoplasma gelatinoso compuesto en gran parte de proteínas y agua llena la célula. No hay un núcleo definido, pero la célula tiene una masa de material genético (ADN) que compone un nucleoide. El ADN dirige el metabolismo celular y la reproducción. Las proteínas se elaboran en la célula en ribosomas que se distribuyen alrededor del interior de la célula. Los ribosomas y otros cuerpos en la célula procariota no están encerrados por membranas definidas separadas como es el caso de las células eucariotas más complejas.

Principales características de las células eucariotas

Las células animales y vegetales que se muestran en la Figura 12.1 representan los dos tipos principales de células eucariotas que componen todos los organismos que no sean bacterias y cianobacterias. Las principales características de las células eucariotas incluyen las siguientes:

Membrana celular, que encierra la célula y determina lo que entra y sale de la célula interior. La membrana celular tiene permeabilidad variable para diversas sustancias de manera que una de sus funciones cruciales es la regulación del paso de iones, nutrientes, sustancias liposolubles (“liposolubles”), productos metabólicos, tóxicos y metabolitos tóxicos dentro y fuera del interior de la célula, protegiendo así el contenido de la célula de influencias externas indeseables. Uno de los efectos adversos de algunos tóxicos es el daño a la membrana celular haciendo que la célula funcione incorrectamente.
Núcleo celular, que controla la función celular y el material genético requerido para la reproducción. El ácido desoxirribonucleico (ADN) discutido en la Sección 7.6 es la sustancia clave en el núcleo. El daño al ADN por sustancias extrañas puede causar mutaciones, cáncer, defectos de nacimiento, función defectuosa del sistema inmunológico y otros efectos tóxicos.
El citoplasma compuesto por un relleno proteico soluble en agua llamado citosol llena el interior de la célula no ocupada por el núcleo u otros cuerpos. Cuerpos de orgánulos celulares, como mitocondrias o cloroplastos, están suspendidos en el citoplasma.
Las mitocondrias median la conversión y utilización de energía donde los carbohidratos, las proteínas y las grasas se descomponen para producir dióxido de carbono, agua y energía, que luego es utilizada por la célula. El mejor ejemplo de esto es la oxidación del azúcar glucosa, C ₆ H ₁₂ O ₆ en un proceso llamado respiración celular (ver Reacción 12.4.1).
Los ribosomas están involucrados en la síntesis de proteínas.
El retículo endoplásmico es el sitio de metabolismo enzimático de algunos tóxicos.
Lisosoma, un tipo de orgánulo que contiene sustancias potentes capaces de hidrolizar y descomponer el material alimenticio que ingresa a la célula a través de una vacuola alimentaria.
Los cuerpos de Golgi son cuerpos aplanados de material en algunos tipos de células que sirven para retener y liberar sustancias producidas por las células.
Las paredes celulares proporcionan rigidez y resistencia en las paredes celulares compuestas principalmente de celulosa (ver Sección 7.3 y Figura 7.3).
Las vacuolas dentro de las células vegetales a menudo contienen materiales disueltos en agua.
Cloroplastos en células vegetales que son los sitios de fotosíntesis, el proceso químico que utiliza la energía de la luz solar para convertir el dióxido de carbono y el agua en materia orgánica que se almacena en los cloroplastos como granos de almidón.