Organización de la Materia Viva: Teoría Celular, Tipos de Células y Metabolismo

La organización de la materia viva

Teoría celular

• Todos los seres vivos están formados por una o más unidades llamadas células (unidad estructural).
• La célula es la mínima unidad de materia que lleva a cabo las funciones básicas de un ser vivo (célula como unidad funcional).
• Las células se forman solo a partir de células preexistentes (unidad de origen).
• Toda célula contiene materia genética con características específicas del ser vivo y se transmite a su descendencia (unidad genética).

La célula como unidad estructural

Características comunes a todas las células:

• Están compuestas por biomoléculas.
• Poseen el mismo tipo de material genético: ADN.
• Presentan una envoltura que separa su interior del exterior.
• Llevan a cabo reacciones químicas, catalizadas por enzimas.

Tipos de organización celular

Células procariotas

• Son menos complejas y evolutivamente más antiguas.
• Su ADN se encuentra disperso en el citoplasma.
• Único orgánulo presente: ribosomas.
• Ejemplos: bacterias y cianobacterias (Reino Monera).
• Reproducción: bipartición.

Células eucariotas

• El ADN se encuentra en el núcleo, separado del resto del contenido citoplasmático.
• Presentan numerosos orgánulos rodeados de membrana.
• Ejemplos: protoctistas (protozoos y algas), hongos, vegetales y animales.
• Reproducción: mitosis.

Evolución celular

Existen dos teorías que explican el origen de las células eucariotas:

• Teoría endógena: las células eucariotas son el resultado del aumento de tamaño de una célula procariota, acompañado de una diferenciación interna.
• Teoría endosimbiótica: propuesta por Lynn Margulis para explicar el origen de las mitocondrias y los cloroplastos. Una célula procariota grande incorporó a una procariota pequeña y estableció con ella una relación permanente. En lugar de digerirla, ambas entraron en una relación de simbiosis o mutualismo en la que ambas se benefician: la célula grande obtiene un excedente de ATP (moneda de intercambio energético, que almacena y libera energía en sus enlaces), y la célula hospedadora proporcionaba un medio ambiente estable y rico en nutrientes a la otra. Con el tiempo, esta unión hizo que las células eucariotas heterótrofas (como las animales) no pudieran vivir sin mitocondrias, y las eucariotas fotosintéticas (como las vegetales) no pudieran vivir sin cloroplastos.

Características generales de las células

Célula procariota

• Membrana citoplasmática: sitúa las enzimas encargadas del metabolismo celular.
• Pared celular: recubre la membrana, la protege y le da consistencia. Algunas presentan una cápsula externa a la pared para su protección.
• Citoplasma: contiene el ADN libre (cromosoma bacteriano), que se replica y permite la transmisión de la información genética a la descendencia, y que se transcribe a ARN, el cual permite fabricar proteínas.
• Ribosomas: encargados de la síntesis de proteínas.
• Algunas presentan flagelos.

Célula eucariota

Presenta tres partes principales: núcleo (contiene el ADN y controla las funciones celulares), membrana (límite entre interior y exterior) y citoplasma (entre la membrana y el núcleo).

La forma de la célula eucariota está adaptada a la función que cumple.

Estructura de la célula eucariota

• Membrana plasmática: regula el transporte de sustancias entre el exterior y el interior. Puede ser:
  • Transporte pasivo: no requiere energía, gracias a poros y a la ósmosis.
  • Transporte activo: selectivo, permite introducir o sacar una sustancia determinada, con gasto de energía.
• Retículo endoplasmático: formado por láminas, puede ser liso o rugoso (con ribosomas adheridos).
• Aparato de Golgi: formado por sacos que almacenan las proteínas producidas por los ribosomas; organiza la circulación y el transporte, y madura y acumula proteínas y lípidos.
• Lisosomas: contienen enzimas hidrolíticas para la digestión intracelular de materiales nutritivos.
• Vacuolas: almacenan sustancias nutritivas, de desecho y pigmentos.
• Mitocondrias: son la fábrica de energía de la célula. Realizan reacciones que permiten obtener energía oxidando sustancias nutritivas: la oxidación de la glucosa libera energía que se almacena como ATP. Contienen también ADN, ARN y ribosomas propios.
• Cloroplastos: contienen enzimas y clorofila para la fotosíntesis. Presentan moléculas de ADN, ARN y ribosomas propios.
• Núcleo: dirige la vida celular y forma los cromosomas en la división celular.

La célula como unidad funcional

Metabolismo

El metabolismo es el conjunto de reacciones que los organismos utilizan para intercambiar materia y energía con el medio, y que permiten a la célula mantener su composición frente a los cambios del ambiente. Tiene dos finalidades:

1. Obtener energía utilizable por la célula: catabolismo.
2. Fabricar sus propios compuestos a partir de nutrientes para estructuras o almacén de reserva, procesos que requieren energía (ATP): anabolismo.

Catabolismo: producción y almacenamiento de energía

Respiración celular: reacciones bioquímicas en las que los compuestos orgánicos son degradados completamente por oxidación hasta convertirse en sustancias inorgánicas, liberando energía aprovechable por la célula. Necesita oxígeno y glucosa.

• Ambos llegan a la célula y, atravesando la membrana por transporte pasivo, se acumulan en el citoplasma hasta entrar en contacto con las membranas de las mitocondrias, donde ingresan.
• En la respiración aerobia, la glucosa y el oxígeno se transforman en sustancias más sencillas, CO₂ y H₂O, liberando energía que la célula puede utilizar para diversas funciones.
• Para evitar que el organismo se sobrecaliente, las mitocondrias realizan reacciones químicas que acumulan esta energía en compuestos químicos (ATP), liberándola posteriormente.
• Una molécula de glucosa produce 36 moléculas de ATP.

Fermentación: proceso anaerobio (sin oxígeno) que se realiza en el citoplasma celular, donde la oxidación orgánica es incompleta. Produce menos energía (una molécula de glucosa produce 2 moléculas de ATP) y se obtienen productos característicos (por ejemplo, la fermentación láctica). Es propia de organismos menos evolucionados que necesitan poca energía, como bacterias y levaduras.

Anabolismo: síntesis de sustancias nuevas

• Fotosíntesis: síntesis de materia orgánica a partir de materia inorgánica. Se realiza en los cloroplastos (la parte verde de la planta). Requiere energía del sol y compuestos inorgánicos: CO₂, sales minerales y agua. Consta de una fase luminosa y una fase oscura; en esta última, los productos obtenidos en la fase luminosa se utilizan para reducir el CO₂ a moléculas orgánicas, que se distribuyen al resto de células vegetales para realizar sus funciones.
• Síntesis de proteínas: síntesis de materia orgánica. Los organismos autótrofos producen aminoácidos mediante la fotosíntesis. Sin embargo, los heterótrofos toman proteínas animales o vegetales, muy diferentes a las que necesitan sus células, por lo que deben descomponerlas en aminoácidos y, con ellos, volver a formar proteínas. Este proceso se realiza en los ribosomas gracias al ARN mensajero y al ARN de transferencia: el ARN de transferencia del citoplasma capta los aminoácidos que han penetrado en la célula y los conduce hasta el ribosoma; el ARN mensajero, formado en el núcleo, actúa como molde y ordena el encaje de los ARN de transferencia.

Función de relación

Las células captan estímulos y elaboran una respuesta, mediante tres etapas: recepción de la información, integración de la información y producción de la respuesta.

Función de reproducción

Ciclo celular

Es el proceso de división celular. Comprende la mitosis (división del núcleo) y la citocinesis (división del citoplasma), mediante las cuales una célula madre origina nuevas células hijas. Las células se reproducen duplicando su contenido y luego dividiéndose en dos, lo que asegura que cada descendiente tenga su copia de material genético y la mitad de los orgánulos citoplasmáticos que tenía la célula original.

En los organismos pluricelulares, la división celular mediante mitosis permite crecer y reparar tejidos. La reproducción de los seres pluricelulares requiere células sexuales (gametos), que se originan mediante una división celular especial: la meiosis.

Reproducción celular procariota

Bipartición: el ADN de la bacteria se duplica, obteniendo dos copias idénticas; después se duplican sus orgánulos, la célula aumenta de tamaño y se forman invaginaciones de la membrana que crecen hacia el interior hasta separar dos zonas del citoplasma. En esta separación se forma una nueva pared bacteriana.

Reproducción celular eucariota no sexual

En primer lugar se divide el núcleo en dos partes mediante mitosis; después se divide el citoplasma, repartiéndose entre las dos células hijas en un proceso llamado citocinesis.

Mitosis

Comienza tras la autoduplicación del ADN al final de la interfase. Las dobles hélices se abren y se copian, formándose dos cromátidas hermanas unidas, que después se espiralizan y forman los cromosomas. Fases en la célula animal: profase, metafase, anafase y telofase.

Citocinesis

Presenta varias modalidades:

• Bipartición: la más sencilla, en organismos unicelulares. Al final de la telofase se forman invaginaciones de la membrana hasta separar las dos células hijas.
• Gemación: en organismos unicelulares, por evaginación se forma una yema que recibe uno de los núcleos y una porción del citoplasma (uno de los orgánulos formados es de menor tamaño).
• Esporulación o división múltiple: el núcleo sufre mitosis sucesivas, formándose varios núcleos que se rodean de membrana y forman, dentro de la célula progenitora, nuevas células; al romperse la membrana de esta, las nuevas células salen al exterior.

Reproducción celular sexual: meiosis

Se produce en células germinales, dando lugar a gametos (en animales) o meiosporas (en plantas). Se diferencia de la mitosis en que solo se transmite a cada célula nueva un cromosoma de cada una de las parejas de la célula original. La meiosis consta de dos divisiones celulares:

• Meiosis I: los cromosomas homólogos se aparean y se produce el entrecruzamiento, donde un fragmento de una cromátida de un cromosoma homólogo se rompe e intercambia con el del otro, produciendo una combinación de material genético.
• Meiosis II: las cromátidas hermanas se separan y emigran a los polos opuestos. Alrededor de cada cromátida, ahora llamada cromosoma, se forma una envoltura, obteniendo cuatro células haploides distintas entre sí.