Fundamentos de la Célula: Descubrimiento, Microscopía y Orgánulos Esenciales

Descubrimiento y Estudio de la Célula

Hitos Históricos en la Biología Celular

• 1665: Robert Hooke descubre la célula al observar una lámina de corcho.
• El tamaño medio de una célula eucariota es de aproximadamente 50 µm (micrómetros).
• Zacharias Janssen es reconocido por inventar el microscopio compuesto a finales del siglo XVI, instrumento esencial para la visualización celular.
• Siglo XVII: Antonie van Leeuwenhoek perfeccionó el microscopio simple, fabricando sus propias lentes de gran calidad, con las que fue el primero en observar microorganismos y describir diversos tipos celulares, como espermatozoides y glóbulos rojos. Inicialmente, hacía sus propias lentes para examinar la calidad de sus telas.
• Teoría Reticular o Fibrilar: Sostenida por autores como Albrecht von Haller en el siglo XVIII, consideraba que los seres vivos estaban fundamentalmente constituidos por fibras continuas, y que las estructuras globulares (células) eran artefactos o espacios entre estas fibras.
• Teoría Celular (1838-1839): Formulada por el botánico Matthias Schleiden (1838) y el zoólogo Theodor Schwann (1839), supuso un cambio paradigmático y se opuso a la teoría reticular. Sus postulados fundamentales son:
  • Todos los seres vivos están formados por una o más células.
  • La célula es la unidad anatómica (estructural) y fisiológica (funcional) de todos los organismos.
• 1831: El botánico Robert Brown describe por primera vez el núcleo celular en células vegetales.
• 1855: Rudolf Virchow complementó la teoría celular con el postulado “Omnis cellula e cellula”, que significa que toda célula procede de otra célula preexistente, estableciendo así que la célula es la unidad reproductiva de los seres vivos.

Métodos de Estudio Celular

Microscopía

Existen principalmente dos tipos de microscopios ópticos:

• Microscopios Simples (lupas): Constan de una sola lente o un sistema de lentes simples que actúan como una única lente convergente.
• Microscopios Compuestos: Constan de, como mínimo, dos juegos de lentes (el objetivo y el ocular), cuyos elementos ópticos pueden ser muy pequeños y están diseñados para obtener un mayor aumento.

Aspectos importantes en la microscopía:

• Corrección de Aberraciones Cromáticas: Las lentes simples descomponen la luz blanca en sus colores, causando halos coloreados alrededor de la imagen (aberración cromática). Ernst Abbe fue pionero en el diseño de lentes, como las lentes apocromáticas y planapocromáticas, que corrigen estas distorsiones de color y la curvatura de campo, mejorando significativamente la calidad de la imagen.
• Aumento: Es la capacidad del microscopio para ampliar la imagen de un objeto. Depende del índice de refracción del medio que atraviesa la luz y de la longitud de onda de la fuente luminosa.
  • La longitud de onda de la luz blanca visible es de aproximadamente 400 nm (violeta) a 750 nm (rojo).
  • Cuanto menor es la longitud de onda, mayor es la resolución (y potencialmente el aumento útil). Por ello, algunos microscopios utilizan filtros azules (menor longitud de onda dentro del espectro visible).
  • Un buen microscopio óptico compuesto puede alcanzar hasta unos 1500-2000 aumentos.
  • Microscopio Electrónico: En lugar de luz visible, utiliza un haz de electrones, cuya longitud de onda asociada es mucho menor. Esto permite obtener aumentos y una resolución muy superiores a los del microscopio óptico.
• Poder de Separación (Resolución): Es la capacidad de un microscopio para distinguir como separados dos puntos muy próximos en un objeto. Es un factor más crítico que el simple aumento para la calidad de la observación.

Preparación de Muestras y Técnicas de Estudio Celular

• Para la observación microscópica, especialmente de tejidos, las muestras suelen requerir ser procesadas en cortes finos, con un grosor del orden de micras (por ejemplo, 5-10 µm, aunque el texto original menciona 50 µm, lo cual es más grueso y podría ser para observaciones específicas o preparaciones en fresco). Estos cortes se obtienen con instrumentos llamados micrótomos.
• Tras el corte, la muestra generalmente debe ser fijada para preservar su estructura y evitar la degradación.
• Fraccionamiento Celular: Para estudiar componentes subcelulares o sustancias específicas, se utilizan técnicas de fraccionamiento celular, que implican la lisis (rotura) de las células y la separación de sus orgánulos y moléculas. Algunos métodos incluyen:
  • Homogeneización: Proceso mecánico o químico para romper las membranas celulares y liberar el contenido celular, creando un homogenado.
  • Centrifugación (y ultracentrifugación): Es un sistema que somete el homogenado celular a fuerzas centrífugas elevadas en tubos de ensayo. Las partículas (orgánulos, moléculas) se separan en función de su tamaño, forma y densidad, sedimentando a diferentes velocidades.

Orgánulos Celulares Clave

Mitocondrias

Las mitocondrias son orgánulos característicos de las células eucariotas (tanto animales como vegetales y hongos). Su función principal es la obtención de energía utilizable por la célula (en forma de ATP) mediante el proceso de respiración celular. Se encuentran en cantidades variables en el citoplasma, siendo especialmente abundantes en células con una elevada demanda energética (ej. células musculares, neuronas).

Estructura de la Mitocondria:

• Membrana mitocondrial externa: Lisa y permeable a muchas moléculas pequeñas.
• Membrana mitocondrial interna: Presenta numerosos plegamientos hacia el interior llamados crestas mitocondriales, que aumentan su superficie. Es selectivamente permeable y contiene los componentes de la cadena de transporte de electrones y la ATP sintasa.
• Espacio intermembranoso: Compartimento entre las dos membranas.
• Matriz mitocondrial: Espacio interno delimitado por la membrana interna. Contiene enzimas del ciclo de Krebs, ADN mitocondrial (ADNmt) circular, ribosomas propios (mitorribosomas) y gránulos.

Funciones Principales de la Mitocondria:

• Producción de ATP (trifosfato de adenosina) a través de la respiración celular.
• Participación en otras rutas metabólicas, como la síntesis de algunos aminoácidos y grupos hemo.
• Regulación de la apoptosis (muerte celular programada).
• Síntesis de su propio ADN mitocondrial y algunas de sus propias proteínas.

Cloroplastos

Los cloroplastos son orgánulos típicos de las células vegetales y de las algas. Contienen clorofila y otros pigmentos, y son el sitio donde se lleva a cabo la fotosíntesis, proceso mediante el cual la energía lumínica se convierte en energía química almacenada en moléculas orgánicas.

Estructura del Cloroplasto:

• Cubierta o envoltura: Constituida por una doble membrana lipoproteica:
  • Membrana plastidial externa: Permeable.
  • Membrana plastidial interna: Menos permeable, regula el paso de sustancias hacia el interior.
• Estroma: Es el espacio interno gelatinoso delimitado por la membrana interna. Contiene:
  • ADN plastidial (circular y propio del cloroplasto).
  • Plastorribosomas (similares a los ribosomas bacterianos).
  • Diversas enzimas, incluyendo las responsables de la fase oscura de la fotosíntesis (Ciclo de Calvin).
  • Gránulos de almidón y gotas lipídicas.
• Tilacoides o lamelas: Son un sistema de sacos aplanados interconectados, suspendidos en el estroma. La membrana tilacoidal contiene los pigmentos fotosintéticos (clorofilas, carotenoides) y los componentes de la cadena de transporte de electrones de la fase luminosa.
  • Tilacoides de grana (o granum, plural grana): Pilas de tilacoides con forma de disco.
  • Tilacoides de estroma (o lamelas intergrana): Conectan los diferentes grana entre sí.

Funciones Principales del Cloroplasto:

• Realización de la fotosíntesis, que se divide en dos fases principales:
  • Fase luminosa (o dependiente de la luz): Ocurre en las membranas de los tilacoides. Implica la captación de energía lumínica por los pigmentos fotosintéticos, la fotólisis del agua (liberación de O2), la generación de ATP y la producción de NADPH (poder reductor).
  • Fase oscura (o independiente de la luz, Ciclo de Calvin): Ocurre en el estroma. Utiliza el ATP y el NADPH generados en la fase luminosa para fijar el dióxido de carbono (CO2) atmosférico y sintetizar hidratos de carbono (glucosa y otros azúcares).
• Síntesis de aminoácidos y ácidos grasos.