La célula es la unidad estructural y funcional básica de todas las formas de vida . Cada célula consta de citoplasma encerrado dentro de una membrana ; Muchas células contienen orgánulos , cada uno con una función específica. El término proviene de la palabra latina cellula que significa "habitación pequeña". La mayoría de las células sólo son visibles bajo un microscopio . Las células surgieron en la Tierra hace unos 4 mil millones de años. Todas las células son capaces de replicación , síntesis de proteínas y motilidad .
Las células se clasifican a grandes rasgos en dos tipos: células eucariotas , que poseen un núcleo , y células procarióticas , que carecen de núcleo pero tienen una región nucleoide. Los procariotas son organismos unicelulares, como las bacterias , mientras que los eucariotas pueden ser unicelulares, como las amebas , o multicelulares , como algunas algas , plantas , animales y hongos . Las células eucariotas contienen orgánulos que incluyen mitocondrias , que proporcionan energía para las funciones celulares; cloroplastos , que crean azúcares mediante la fotosíntesis , en las plantas; y ribosomas , que sintetizan proteínas.
Las celdas fueron descubiertas por Robert Hooke en 1665, quien las nombró por su parecido con las celdas habitadas por monjes cristianos en un monasterio. La teoría celular , desarrollada en 1839 por Matthias Jakob Schleiden y Theodor Schwann , afirma que todos los organismos están compuestos por una o más células, que las células son la unidad fundamental de estructura y función en todos los organismos vivos, y que todas las células provienen de células preexistentes. células.
Las células se clasifican a grandes rasgos en dos tipos: células eucariotas , que poseen un núcleo , y células procarióticas , que carecen de núcleo pero tienen una región nucleoide. Los procariotas son organismos unicelulares , mientras que los eucariotas pueden ser unicelulares o pluricelulares . [ cita necesaria ]
Los procariotas incluyen bacterias y arqueas , dos de los tres dominios de la vida . Las células procarióticas fueron la primera forma de vida en la Tierra, caracterizadas por tener procesos biológicos vitales entre ellos la señalización celular . Son más simples y más pequeñas que las células eucariotas, y carecen de núcleo y otros orgánulos unidos a membranas . El ADN de una célula procariótica está formado por un único cromosoma circular que está en contacto directo con el citoplasma . La región nuclear del citoplasma se llama nucleoide . La mayoría de los procariotas son los más pequeños de todos los organismos, con un diámetro de entre 0,5 y 2,0 μm. [1] [ página necesaria ]
Una célula procariótica tiene tres regiones:
Las plantas , los animales , los hongos , los mohos limosos , los protozoos y las algas son todos eucariotas . Estas células son unas quince veces más anchas que un procariota típico y pueden tener un volumen hasta mil veces mayor. La principal característica distintiva de los eucariotas en comparación con los procariotas es la compartimentación : la presencia de orgánulos (compartimentos) unidos a una membrana en los que tienen lugar actividades específicas. El más importante de ellos es el núcleo celular , [2] un orgánulo que alberga el ADN de la célula . Este núcleo le da al eucariota su nombre, que significa "verdadero núcleo (núcleo)". Algunas de las otras diferencias son:
Muchos grupos de eucariotas son unicelulares. Entre los grupos multicelulares se encuentran los animales y las plantas. El número de células en estos grupos varía según la especie; Se ha estimado que el cuerpo humano contiene alrededor de 37 billones (3,72×10 13 ) de células, [7] y estudios más recientes sitúan este número en alrededor de 30 billones (~36 billones de células en el hombre, ~28 billones en la mujer). . [8]
Todas las células, ya sean procarióticas o eucariotas , tienen una membrana que envuelve a la célula, regula lo que entra y sale (selectivamente permeable) y mantiene el potencial eléctrico de la célula . Dentro de la membrana, el citoplasma ocupa la mayor parte del volumen de la célula. Excepto los glóbulos rojos , que carecen de un núcleo celular y de la mayoría de los orgánulos para dar cabida al máximo espacio para la hemoglobina , todas las células poseen ADN , el material hereditario de los genes , y ARN , que contiene la información necesaria para construir diversas proteínas , como las enzimas , la maquinaria primaria de la célula. . También existen otros tipos de biomoléculas en las células. Este artículo enumera estos componentes celulares primarios y luego describe brevemente su función.
La membrana celular , o membrana plasmática, es una membrana biológica selectivamente permeable [ cita necesaria ] que rodea el citoplasma de una célula. En los animales, la membrana plasmática es el límite exterior de la célula, mientras que en las plantas y procariotas suele estar recubierta por una pared celular . Esta membrana sirve para separar y proteger una célula del entorno que la rodea y está formada principalmente por una doble capa de fosfolípidos , que son anfifílicos (en parte hidrofóbicos y en parte hidrofílicos ). Por lo tanto, la capa se denomina bicapa de fosfolípidos o, a veces, membrana de mosaico fluido. Incrustada dentro de esta membrana hay una estructura macromolecular llamada porosoma, el portal secretor universal de las células, y una variedad de moléculas de proteínas que actúan como canales y bombas que mueven diferentes moléculas dentro y fuera de la célula. [2] La membrana es semipermeable y selectivamente permeable, ya que puede dejar pasar una sustancia ( molécula o ion ) libremente, de forma limitada o no pasar a través de ella. [ cita requerida ] Las membranas de la superficie celular también contienen proteínas receptoras que permiten a las células detectar moléculas de señalización externas, como las hormonas . [9]
El citoesqueleto actúa para organizar y mantener la forma de la célula; ancla los orgánulos en su lugar; ayuda durante la endocitosis , la absorción de materiales externos por una célula, y la citocinesis , la separación de las células hijas después de la división celular ; y mueve partes de la célula en procesos de crecimiento y movilidad. El citoesqueleto eucariota está compuesto por microtúbulos , filamentos intermedios y microfilamentos . En el citoesqueleto de una neurona los filamentos intermedios se conocen como neurofilamentos . Hay una gran cantidad de proteínas asociadas con ellos, cada una de las cuales controla la estructura de una célula dirigiendo, agrupando y alineando filamentos. [2] El citoesqueleto procariótico está menos estudiado, pero participa en el mantenimiento de la forma, la polaridad y la citocinesis de las células. [10] La subunidad proteica de los microfilamentos es una pequeña proteína monomérica llamada actina . La subunidad de los microtúbulos es una molécula dimérica llamada tubulina . Los filamentos intermedios son heteropolímeros cuyas subunidades varían entre los tipos de células en diferentes tejidos. Algunas de las proteínas de las subunidades de los filamentos intermedios incluyen vimentina , desmina , lamina (láminas A, B y C), queratina (múltiples queratinas ácidas y básicas) y proteínas de neurofilamentos ( NF–L , NF–M ).
Existen dos tipos diferentes de material genético: ácido desoxirribonucleico (ADN) y ácido ribonucleico (ARN). Las células utilizan el ADN para almacenar información a largo plazo. La información biológica contenida en un organismo está codificada en su secuencia de ADN. [2] El ARN se utiliza para el transporte de información (p. ej., ARNm ) y funciones enzimáticas (p. ej., ARN ribosómico ). Las moléculas de ARN de transferencia (ARNt) se utilizan para agregar aminoácidos durante la traducción de proteínas .
El material genético procariótico está organizado en un cromosoma bacteriano circular simple en la región nucleoide del citoplasma. El material genético eucariota se divide en diferentes [2] moléculas lineales llamadas cromosomas dentro de un núcleo discreto, generalmente con material genético adicional en algunos orgánulos como mitocondrias y cloroplastos (ver teoría endosimbiótica ).
Una célula humana tiene material genético contenido en el núcleo celular (el genoma nuclear ) y en las mitocondrias (el genoma mitocondrial ). En los seres humanos, el genoma nuclear se divide en 46 moléculas de ADN lineales llamadas cromosomas , incluidos 22 pares de cromosomas homólogos y un par de cromosomas sexuales . El genoma mitocondrial es una molécula de ADN circular distinta del ADN nuclear. Aunque el ADN mitocondrial es muy pequeño en comparación con los cromosomas nucleares, [2] codifica 13 proteínas implicadas en la producción de energía mitocondrial y ARNt específicos.
El material genético extraño (más comúnmente ADN) también puede introducirse artificialmente en la célula mediante un proceso llamado transfección . Esto puede ser transitorio, si el ADN no está insertado en el genoma de la célula , o estable, si sí lo está. Ciertos virus también insertan su material genético en el genoma.
Los orgánulos son partes de la célula que están adaptadas y/o especializadas para llevar a cabo una o más funciones vitales, análogas a los órganos del cuerpo humano (como el corazón, los pulmones y los riñones, donde cada órgano realiza una función diferente). [2] Tanto las células eucariotas como las procarióticas tienen orgánulos, pero los orgánulos procarióticos son generalmente más simples y no están unidos a membranas.
Hay varios tipos de orgánulos en una célula. Algunos (como el núcleo y el aparato de Golgi ) son típicamente solitarios, mientras que otros (como las mitocondrias , los cloroplastos , los peroxisomas y los lisosomas ) pueden ser numerosos (de cientos a miles). El citosol es el líquido gelatinoso que llena la célula y rodea los orgánulos.
Muchas células también tienen estructuras que existen total o parcialmente fuera de la membrana celular. Estas estructuras se destacan porque no están protegidas del ambiente externo por la membrana celular. Para ensamblar estas estructuras, sus componentes deben atravesar la membrana celular mediante procesos de exportación.
Muchos tipos de células procariotas y eucariotas tienen pared celular . La pared celular actúa para proteger la célula mecánica y químicamente de su entorno y es una capa adicional de protección a la membrana celular. Los diferentes tipos de células tienen paredes celulares compuestas de diferentes materiales; Las paredes celulares de las plantas están compuestas principalmente de celulosa , las paredes celulares de los hongos están compuestas de quitina y las paredes celulares de las bacterias están compuestas de peptidoglicano .
Algunas bacterias tienen una cápsula gelatinosa fuera de la membrana y la pared celular. La cápsula puede ser de polisacárido como en los neumococos , meningococos o polipéptido como Bacillus anthracis o ácido hialurónico como en los estreptococos . Las cápsulas no están marcadas mediante protocolos de tinción normales y pueden detectarse con tinta china o azul de metilo , lo que permite un mayor contraste entre las células para la observación. [13] : 87
Los flagelos son orgánulos para la movilidad celular. El flagelo bacteriano se extiende desde el citoplasma a través de la membrana celular y sale a través de la pared celular. Son apéndices largos y gruesos en forma de hilos, de naturaleza proteica. Un tipo diferente de flagelo se encuentra en las arqueas y un tipo diferente en los eucariotas.
Una fimbria (plural fimbria también conocida como pilus , plural pili) es un filamento corto, delgado, parecido a un cabello, que se encuentra en la superficie de las bacterias. Las fimbrias están formadas por una proteína llamada pilina ( antigénica ) y son responsables de la unión de las bacterias a receptores específicos de las células humanas ( adhesión celular ). Hay tipos especiales de pili involucrados en la conjugación bacteriana .
La división celular implica que una sola célula (llamada célula madre ) se divide en dos células hijas. Esto conduce al crecimiento en organismos multicelulares (el crecimiento de tejido ) y a la procreación ( reproducción vegetativa ) en organismos unicelulares . Las células procariotas se dividen mediante fisión binaria , mientras que las células eucariotas suelen sufrir un proceso de división nuclear, llamado mitosis , seguido de división de la célula, llamada citocinesis . Una célula diploide también puede sufrir meiosis para producir células haploides, normalmente cuatro. Las células haploides sirven como gametos en organismos multicelulares y se fusionan para formar nuevas células diploides.
La replicación del ADN , o el proceso de duplicar el genoma de una célula, [2] siempre ocurre cuando una célula se divide mediante mitosis o fisión binaria. Esto ocurre durante la fase S del ciclo celular .
En la meiosis, el ADN se replica sólo una vez, mientras que la célula se divide dos veces. La replicación del ADN sólo ocurre antes de la meiosis I. La replicación del ADN no ocurre cuando las células se dividen por segunda vez, en la meiosis II . [14] La replicación, como todas las actividades celulares, requiere proteínas especializadas para realizar el trabajo. [2]
Las células de todos los organismos contienen sistemas enzimáticos que escanean su ADN en busca de daños y llevan a cabo procesos de reparación cuando se detectan. Se han desarrollado diversos procesos de reparación en organismos que van desde bacterias hasta humanos. La prevalencia generalizada de estos procesos de reparación indica la importancia de mantener el ADN celular en un estado intacto para evitar la muerte celular o errores de replicación debidos a daños que podrían conducir a una mutación . La bacteria E. coli es un ejemplo bien estudiado de un organismo celular con diversos procesos de reparación del ADN bien definidos . Estos incluyen: reparación por escisión de nucleótidos , reparación de errores de coincidencia de ADN , unión de extremos no homólogos de roturas de doble hebra, reparación recombinacional y reparación dependiente de la luz ( fotorreactivación ). [15]
Entre sucesivas divisiones celulares, las células crecen gracias al funcionamiento del metabolismo celular. El metabolismo celular es el proceso mediante el cual las células individuales procesan moléculas de nutrientes. El metabolismo tiene dos divisiones distintas: catabolismo , en el que la célula descompone moléculas complejas para producir energía y poder reductor , y anabolismo , en el que la célula utiliza energía y poder reductor para construir moléculas complejas y realizar otras funciones biológicas.
Los azúcares complejos se pueden descomponer en moléculas de azúcar más simples llamadas monosacáridos , como la glucosa . Una vez dentro de la célula, la glucosa se descompone para producir trifosfato de adenosina ( ATP ), [2] una molécula que posee energía fácilmente disponible, a través de dos vías diferentes. En las células vegetales, los cloroplastos crean azúcares mediante la fotosíntesis , utilizando la energía de la luz para unir moléculas de agua y dióxido de carbono .
Las células son capaces de sintetizar nuevas proteínas, que son esenciales para la modulación y el mantenimiento de las actividades celulares. Este proceso implica la formación de nuevas moléculas de proteínas a partir de componentes básicos de aminoácidos basados en información codificada en ADN/ARN. La síntesis de proteínas generalmente consta de dos pasos principales: transcripción y traducción .
La transcripción es el proceso en el que la información genética del ADN se utiliza para producir una cadena de ARN complementaria. Esta cadena de ARN luego se procesa para dar ARN mensajero (ARNm), que puede migrar libremente a través de la célula. Las moléculas de ARNm se unen a complejos proteína-ARN llamados ribosomas ubicados en el citosol , donde se traducen en secuencias polipeptídicas. El ribosoma media en la formación de una secuencia polipeptídica basada en la secuencia del ARNm. La secuencia de ARNm se relaciona directamente con la secuencia del polipéptido uniéndose a moléculas adaptadoras de ARN de transferencia (ARNt) en bolsas de unión dentro del ribosoma. Luego, el nuevo polipéptido se pliega formando una molécula de proteína tridimensional funcional.
Los organismos unicelulares pueden moverse para encontrar alimento o escapar de los depredadores. Los mecanismos comunes de movimiento incluyen flagelos y cilios .
En los organismos multicelulares, las células pueden moverse durante procesos como la cicatrización de heridas, la respuesta inmune y la metástasis del cáncer . Por ejemplo, en la curación de heridas en animales, los glóbulos blancos se desplazan al lugar de la herida para matar los microorganismos que causan la infección. La motilidad celular implica muchos receptores, entrecruzamiento, agrupación, unión, adhesión, proteínas motoras y otras. [16] El proceso se divide en tres pasos: protrusión del borde anterior de la célula, adhesión del borde anterior y desadherencia en el cuerpo celular y la parte posterior, y contracción citoesquelética para tirar de la célula hacia adelante. Cada paso está impulsado por fuerzas físicas generadas por segmentos únicos del citoesqueleto. [17] [16]
En agosto de 2020, los científicos describieron una forma en que las células, en particular las células de un moho mucilaginoso y las células derivadas del cáncer de páncreas de ratón, pueden navegar eficientemente a través de un cuerpo e identificar las mejores rutas a través de laberintos complejos: generando gradientes después de descomponer los quimioatrayentes difundidos que les permitirá detectar los próximos cruces del laberinto antes de llegar a ellos, incluso en las esquinas. [18] [19] [20]
Los organismos multicelulares son organismos que constan de más de una célula, a diferencia de los organismos unicelulares . [21]
En los organismos multicelulares complejos, las células se especializan en diferentes tipos de células que se adaptan a funciones particulares. En los mamíferos, los principales tipos de células incluyen células de la piel , células musculares , neuronas , células sanguíneas , fibroblastos , células madre y otras. Los tipos de células difieren tanto en apariencia como en función, pero son genéticamente idénticos. Las células pueden ser del mismo genotipo pero de diferente tipo celular debido a la expresión diferencial de los genes que contienen.
La mayoría de los tipos de células distintas surgen de una única célula totipotente , llamada cigoto , que se diferencia en cientos de tipos de células diferentes durante el curso del desarrollo . La diferenciación de las células está impulsada por diferentes señales ambientales (como la interacción entre células) y diferencias intrínsecas (como las causadas por la distribución desigual de las moléculas durante la división ).
La multicelularidad ha evolucionado de forma independiente al menos 25 veces, [22] incluso en algunos procariotas, como cianobacterias , mixobacterias , actinomicetos o metanosarcina . Sin embargo, los organismos multicelulares complejos evolucionaron sólo en seis grupos de eucariotas: animales, hongos, algas pardas, algas rojas, algas verdes y plantas. [23] Evolucionó repetidamente para las plantas ( Chloroplastida ), una o dos veces para los animales , una vez para las algas pardas y quizás varias veces para los hongos , los mohos mucilaginosos y las algas rojas . [24] La multicelularidad puede haber evolucionado a partir de colonias de organismos interdependientes, de la celularización o de organismos en relaciones simbióticas .
La primera evidencia de multicelularidad proviene de organismos similares a las cianobacterias que vivieron hace entre 3 y 3.500 millones de años. [22] Otros fósiles tempranos de organismos multicelulares incluyen la disputada Grypania espiralis y los fósiles de las lutitas negras de la Formación Fósil B del Grupo Paleoproterozoico Francevillian en Gabón . [25]
La evolución de la multicelularidad a partir de ancestros unicelulares se ha replicado en el laboratorio, en experimentos de evolución que utilizan la depredación como presión selectiva . [22]
El origen de las células tiene que ver con el origen de la vida , con el que inició la historia de la vida en la Tierra.
Las pequeñas moléculas necesarias para la vida pueden haber sido transportadas a la Tierra en meteoritos, creadas en respiraderos de aguas profundas o sintetizadas por rayos en una atmósfera reductora . Hay pocos datos experimentales que definan cuáles fueron las primeras formas autorreplicantes. El ARN puede haber sido la primera molécula autorreplicante , ya que puede almacenar información genética y catalizar reacciones químicas. [26]
Las células surgieron hace unos 4 mil millones de años. [27] [28] Lo más probable es que las primeras células fueran heterótrofas . Las primeras membranas celulares eran probablemente más simples y más permeables que las modernas, con una sola cadena de ácido graso por lípido. Los lípidos forman espontáneamente vesículas de dos capas en el agua y podrían haber precedido al ARN. [29] [30]
Las células eucariotas se crearon hace unos 2.200 millones de años en un proceso llamado eucariogénesis . Se acepta ampliamente que esto implicó una simbiogénesis , en la que arqueas y bacterias se unieron para crear el primer ancestro común eucariota. Esta célula tenía un nuevo nivel de complejidad y capacidad, con un núcleo [32] [33] y mitocondrias aeróbicas facultativas . [31] Evolucionó hace unos 2 mil millones de años hasta convertirse en una población de organismos unicelulares que incluía al último ancestro común eucariota, ganando capacidades a lo largo del camino, aunque la secuencia de los pasos involucrados ha sido cuestionada y es posible que no hayan comenzado con la simbiogénesis. . Presentaba al menos un centriolo y cilio , sexo ( meiosis y singamia ), peroxisomas y un quiste latente con una pared celular de quitina y/o celulosa . [34] [35] A su vez, el último ancestro común eucariota dio origen al grupo de la corona de los eucariotas , que contiene los ancestros de animales , hongos , plantas y una amplia gama de organismos unicelulares. [36] [37] Las plantas se crearon hace alrededor de 1.600 millones de años con un segundo episodio de simbiogénesis al que se agregaron cloroplastos , derivados de cianobacterias . [31]
En 1665, Robert Hooke examinó una fina lámina de corcho bajo su microscopio y vio una estructura de pequeños recintos. Escribió: "Pude percibir muy claramente que estaba todo perforado y poroso, muy parecido a un panal , pero que sus poros no eran regulares". [38] Para respaldar aún más su teoría, Matthias Schleiden y Theodor Schwann también estudiaron células tanto de animales como de plantas. Lo que descubrieron fueron diferencias significativas entre los dos tipos de células. Esto planteó la idea de que las células no sólo eran fundamentales para las plantas, sino también para los animales. [39]
... Pude percibir muy claramente que estaba todo perforado y poroso, como un panal de miel, pero que los poros no eran regulares [...] estos poros, o células, [...] Fueron de hecho los primeros poros microscópicos que vi, y tal vez, que alguna vez fueron vistos, porque no me había reunido con ningún escritor o persona que hubiera hecho alguna mención de ellos antes de esto...– Hooke describiendo sus observaciones sobre una fina lámina de corcho. Ver también: Robert Hooke Archivado el 6 de junio de 1997 en la Wayback Machine.