Teoría Celular: Fundamentos y Descubrimientos Clave

La teoría celular explica que la célula es la unidad básica de los seres vivos. Su desarrollo fue posible gracias al avance en los microscopios y técnicas de laboratorio. Si existe algo que no tiene células no está vivo, como un virus, ya que solo cumplen la función de reproducción.

• En 1665, Robert Hooke observó con un microscopio un trozo de corcho y vio que estaba formado por pequeñas estructuras a las que llamó «células».
• En 1831, Robert Brown descubrió el núcleo de la célula.
• En 1839, Schleiden (botánico) y Schwann (zoólogo) propusieron los dos primeros puntos de la teoría celular:
  • Todos los seres vivos están formados por células o sustancias producidas por ellas.
  • La célula es la unidad básica de organización de los seres vivos.
• En 1855, Rudolf Virchow añadió que: Toda célula proviene de otra célula, mediante su división.
• En 1902, Sutton y Boveri introdujeron un cuarto postulado: La célula es la unidad genética, ya que contiene los cromosomas que transmiten la herencia.
• En 1933, Santiago Ramón y Cajal confirmó que las células nerviosas también eran independientes, validando la teoría para todo tipo de tejidos.
• En 1950, el desarrollo del microscopio electrónico permitió descubrir en detalle las estructuras internas de las células, revolucionando el estudio de la citología.

Forma y Tamaño de las Células

Las células tienen formas y tamaños muy variados:

Forma

Puede ser esférica, estrellada, alargada, etc. Esto depende del tipo de célula, su edad y su función. Algunas células, como las amebas o los leucocitos, no tienen una forma fija.

Tamaño

Las células son muy pequeñas, generalmente miden alrededor de unas pocas micras (µm).

Características Comunes de las Células

La célula es la unidad más simple capaz de realizar las tres funciones vitales: nutrición, relación y reproducción. Aunque hay mucha diversidad en formas y tamaños, todas las células tienen algunas características comunes:

• Membrana Plasmática: Es una capa doble de lípidos con proteínas incrustadas o adheridas. Los lípidos actúan como una barrera que separa el interior de la célula del medio externo.
• Citoplasma: Es el líquido interno de la célula (citoplasma o citosol). En él se encuentran orgánulos y estructuras como las macromoléculas.
• Material Genético: Está formado por moléculas de ADN. El ADN puede estar dentro de un núcleo (rodeado por una membrana) o directamente en el citoplasma, en una región llamada nucleoide.

Según la presencia o ausencia de núcleo, las células se clasifican en:

• Procariotas: No tienen núcleo; el ADN está en el citoplasma.
• Eucariotas: Tienen núcleo, donde se encuentra el ADN.

Células Procariotas: Estructura y Función

Las células procariotas son pequeñas (1-10 μm) y tienen una estructura sencilla. Por eso, se cree que fueron las primeras.

• Membrana Plasmática: Tiene pliegues llamados mesosomas, que participan en la división celular, la respiración y la fotosíntesis.
• Pared Celular: Está formada por peptidoglicano o mureína, que protege y da forma a la célula.
• Citoplasma: Contiene vesículas como carboxisomas, clorosomas, vesículas de gas y reservas de sustancias como almidón, PHA, PHB o gránulos de fósforo (volutina). También tienen ribosomas de tipo 70s, que son los encargados de fabricar proteínas.
• Material Genético: Su ADN es una molécula circular y doble. Además, tienen fragmentos pequeños de ADN llamados plásmidos, que les otorgan propiedades especiales, como resistencia a antibióticos.
• División Celular: Se dividen por bipartición (una célula se divide en dos iguales). También pueden intercambiar material genético mediante procesos como conjugación, transformación o transducción.
• Cianobacterias: Tienen estructuras en su citoplasma llamadas tilacoides, donde se encuentran los pigmentos para la fotosíntesis, como la clorofila. También contienen pigmentos como ficoeritrina (rojo) y ficocianina (azul) en unas estructuras llamadas ficobolisomas.

Células Eucariotas: Características y Organización

Las células eucariotas son más grandes que las procariotas (miden entre 20 y 50 micrómetros) y pueden formar varios organismos:

• Organismos unicelulares (una sola célula).
• Organismos pluricelulares sin especialización entre sus células.
• Organismos pluricelulares con células especializadas que forman tejidos.

Incluyen a los protozoos, algas, hongos, plantas y animales.

• Membrana Plasmática: Similar a la de las procariotas, pero con esteroles (un tipo de lípido) que le dan más rigidez.
• Pared Celular: No siempre está presente, pero puede ser de celulosa (en vegetales) o de quitina (en hongos).
• Citoplasma: Contiene muchos orgánulos con funciones específicas, como: Retículo endoplasmático, Aparato de Golgi (AG), Vacuolas, mitocondrias, cloroplastos (en vegetales), lisosomas y peroxisomas. Citoesqueleto: una estructura de túbulos y filamentos que da forma y soporte a la célula.
• Ribosomas: Son de tipo 80S (más grandes que los de procariotas).
• Material Genético: Está en forma de varias moléculas de ADN lineal, protegido dentro de un núcleo. También hay ADN fuera del núcleo, en las mitocondrias y los cloroplastos.
• División Celular: Puede ocurrir por mitosis (para crecimiento y reparación) o meiosis (para formar células sexuales).

Células Animales vs. Células Vegetales: Diferencias Clave

Aunque todas las células eucariotas comparten algunas estructuras básicas (como el núcleo, el citoesqueleto, las mitocondrias, las vacuolas, los lisosomas y los sistemas de membranas), existen dos tipos principales: células animales y células vegetales. Estas diferencias se deben a millones de años de evolución.

Células Vegetales

• Tienen una pared celular hecha de celulosa, que les da forma y soporte.
• Poseen una vacuola grande que almacena sustancias.
• Contienen cloroplastos, que realizan la fotosíntesis (producen energía a partir de la luz).
• Su reserva de energía está en forma de almidón (un polisacárido).
• También tienen orgánulos llamados glioxisomas, que participan en la conversión de grasas en azúcares.

Células Animales

• Tienen una capa externa llamada glicocálix, formada por mucopolisacáridos, que protege la célula.
• Contienen un diplosoma (dos centriolos) que ayuda en la división celular.
• Algunas tienen estructuras para el movimiento, como cilios o flagelos.
• Su reserva de energía está en forma de glucógeno (otro tipo de polisacárido).

Aminoácidos: Los Bloques de Construcción de las Proteínas

Los aminoácidos son las unidades básicas que forman las proteínas. Se distinguen porque tienen un grupo amino (-NH2) y un grupo carboxilo (-COOH) unidos a un átomo de carbono llamado Cα. A este carbono también se le une un átomo de hidrógeno (H) y una cadena lateral (R) que cambia según el tipo de aminoácido.

Propiedades de los Aminoácidos

• Los aminoácidos son sólidos, cristalinos y solubles en agua.
• Debido a que el carbono central (Cα) es asimétrico o «quiral» (excepto en la glicina, donde no es asimétrico), los aminoácidos pueden tener isomería espacial e isomería óptica.
• Tienen un comportamiento anfótero, es decir, pueden actuar como ácidos o como bases dependiendo del pH:
  • A pH básico, los aminoácidos actúan como ácidos y liberan protones (H+).
  • A pH ácido, se comportan como bases y captan protones (H+). Es decir, los aminoácidos tienen función tamponadora.
• El punto isoeléctrico (pI) es el pH en el cual un aminoácido tiene la misma cantidad de cargas positivas y negativas, es decir, está en su forma neutra o bipolar.

Estructura y Clasificación de las Proteínas

Estructura de las Proteínas

Las proteínas tienen una estructura tridimensional que se organiza en cuatro niveles: estructura primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria.

Estructura Primaria

Es el orden en el que están unidos los aminoácidos, es decir, la secuencia lineal de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos, formando una cadena. El orden de la estructura primaria es clave, porque determina la forma final de la proteína y su función.

Estructura Secundaria

Consiste en el plegamiento de una cadena polipeptídica en el espacio debido a la capacidad de giro del Cα. Se conocen tres tipos de estructuras secundarias en función de la periodicidad que se observa en la difracción de rayos X.

• Hélice α (5,5 Å): La cadena polipeptídica se enrolla sobre sí misma a modo de tirabuzón, habiendo 3,6 aa por vuelta. La hélice se estabiliza por puentes de H que se establecen entre los grupos -CO- y -NH- de distintos aa. Las cadenas laterales R se disponen hacia fuera de la hélice.
• Hélice de colágeno (7 Å): Es similar a la anterior pero más alargada debido a la presencia de pro e hidroxipro, que dificultan la formación de puente de H, por lo que presenta 3 aa por vuelta.
• Lámina β (6,6 Å): La cadena polipeptídica se pliega en zig-zag para formar una lámina en la que varios segmentos en zig-zag se unen por puentes de H. Los grupos laterales R quedan hacia arriba y hacia abajo de la lámina.

Estructura Terciaria

Es la forma en la que la cadena de aminoácidos, ya doblada en su estructura secundaria, se pliega aún más hasta lograr su forma final en el espacio. Esta estructura se mantiene por las interacciones entre las cadenas laterales R de los aminoácidos, que pueden incluir: interacciones hidrofóbicas, puentes de hidrógeno, fuerzas de Van der Waals, interacciones electrostáticas y puentes disulfuro.

Las proteínas en su estructura terciaria ya pueden tener actividad funcional y se pueden organizar de dos formas principales:

• Estructura globular: Es una forma compacta, estable y más o menos esférica, soluble en agua. Forma coloides polares. Un ejemplo es la mioglobina.
• Estructura fibrilar: Es una forma alargada e insoluble en agua, formada por el enrollamiento de hélices alfa, es decir, es igual que la estructura secundaria pero plegada. Forma coloides apolares. Un ejemplo son las queratinas.

Estructura Cuaternaria

La estructura cuaternaria de las proteínas se refiere a cuando varias cadenas de proteínas, que ya tienen una estructura terciaria, se unen mediante enlaces débiles. Esta unión da lugar a proteínas funcionales llamadas oligoméricas. Cada una de estas cadenas se llama protómero, y pueden ser iguales o diferentes entre sí. Ejemplos de proteínas con estructura cuaternaria incluyen la hemoglobina y el colágeno.

Propiedades de las Proteínas

• Solubilidad: Las proteínas fibrilares no se disuelven en agua, mientras que las proteínas globulares sí. Esto se debe a que tienen grupos R (en sus aminoácidos) que pueden ionizarse y formar enlaces de hidrógeno con el agua, creando una capa de hidratación. Sin embargo, como las proteínas son moléculas grandes, no se disuelven de manera real sino que forman dispersiones coloidales.
• Desnaturalización: Ocurre cuando las proteínas pierden su estructura cuaternaria, terciaria y secundaria debido a la ruptura de los enlaces que las mantienen unidas. Esta pérdida de estructura puede ser causada por cambios en el pH, la temperatura o la concentración de sales, y provoca que la proteína pierda su función. La desnaturalización es irreversible, aunque en casos muy aislados se pueden renaturalizar.
• Capacidad amortiguadora de pH: Las proteínas pueden neutralizar cambios en el pH, gracias a que tienen grupos amino y carboxilo en sus cadenas laterales. Estos grupos pueden captar o liberar protones (H+), lo cual ayuda a mantener el equilibrio de pH.
• Especificidad: Las proteínas realizan su función uniéndose de manera selectiva a otras moléculas. Los grupos R de los aminoácidos crean una superficie activa que permite esta interacción mediante enlaces débiles. La especificidad de esta unión depende del plegamiento único de cada proteína, que se deriva de su estructura primaria.

Clasificación de las Proteínas

Las proteínas se dividen en dos tipos:

• Holoproteínas: Están compuestas solo por aminoácidos.
• Heteroproteínas: Están compuestas por aminoácidos y otros compuestos no proteicos, llamados grupos prostéticos.

Funciones de las Proteínas en los Seres Vivos

• Función estructural: Las proteínas forman parte de las membranas celulares (como las glucoproteínas), y también del citoesqueleto, los cilios y los flagelos. Las histonas están en los cromosomas. A nivel de tejidos, el colágeno y la elastina forman la matriz del tejido conectivo.
• Función hormonal: Algunas proteínas actúan como hormonas, como la insulina, la calcitonina o la hormona del crecimiento (GH).
• Función de transporte: Destacan las proteínas que ayudan a transportar moléculas a través de la membrana celular, las que transportan electrones (como los citocromos), las que llevan lípidos en la sangre y los pigmentos respiratorios (como la hemoglobina).
• Función inmunológica: Proteínas como las inmunoglobulinas (anticuerpos) participan en la defensa del organismo, y otras, como la trombina y el fibrinógeno, ayudan en la coagulación de la sangre.
• Función homeostática: Algunas proteínas ayudan a mantener el pH en equilibrio, evitando cambios bruscos en el cuerpo.
• Función contráctil: Proteínas como la actina y la miosina permiten la contracción de los músculos. La dineína ayuda en el movimiento de cilios y flagelos.
• Función enzimática: Las enzimas son proteínas que facilitan las reacciones químicas dentro de las células, haciendo que el metabolismo funcione adecuadamente.
• Función de reserva de aminoácidos: Algunas proteínas almacenan aminoácidos que el organismo puede usar en caso de necesidad. Ejemplos de estas son la ovoalbúmina del huevo, la caseína de la leche y la gliadina del trigo.

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