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Qué son las células


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Todos los seres vivos, incluso nosotros los seres humanos, estamos compuestos por células. Cada vez que miran una persona, lo que están viendo son un conjunto de aproximadamente 100 billones de células de unos 200 tipos de formas diferentes. Los músculos están formados por células musculares, el hígado por células hepáticas y lo mismo ocurre con los demás órganos; incluso hay células especializadas en la producción de esmalte dental como así otras sustancias para otros órganos.

Para comprender cómo funciona el cuerpo humano, hay que entender plenamente qué son las células. Todo, desde la reproducción humana, pasando por las infecciones hasta llegar a la reparación de huesos quebrados, sucede a nivel celular. Para entender mejor la genética humana o las terapias modernas creadas por la biotecnología, también hay que comprender a las células.

Cuando en las noticias de divulgación científica; ya sea en diarios, revistas, TV o Internet se habla de nuevas terapias o descubrimientos genéticos, algunos de os términos que se suelen mencionar son: Biotecnología, empalme genético, ingeniería genética, ADN recombinante, enfermedades genéticas, terapia genética, mutación de ADN, examen de ADN, entre muchos otros.

Para poder entender todos esos términos, también es necesario comprender cómo funcionan las células, ya que están totalmente relacionados con las células y su funcionamiento.

La genética está cambiando velozmente la estructura de la medicina y sus terapias modernas, o mismo ocurre en otros campos como la agricultura e incluso el sistema legal, el cual necesita modificarse periódicamente para ponerse a la par de las nuevas terapias legalizándolas.

A continuación vamos introducirnos en el funcionamiento de los seres vivos a nivel microscópico y molecular, para entender qué son y cómo funcionan las células. Comenzaremos estudiando las células más simples, las bacterias, ya que conociendo su estructura y entendiendo su funcionamiento, se pueden comprenden los mecanismos principales de todas las células de un organismo humano.

Una vez que se sabe qué es una célula y cómo funciona, se tiene la ventaja de interpretar otros temas vinculados a las células como: qué son los virus, qué son y cómo funcionan los antibióticos, por qué a veces un antibiótico puede matar células normales, qué son las vitaminas y por qué son tan necesarias, e incluso preguntas más complicadas como qué es la vida. Todas esas preguntas tienen respuestas, las cuales solamente se pueden interpretar si sabe antes qué son las células.

 
Partes de una célula

Antes de comenzar deben saber que cada célula es un individuo; un ser vivo que nace vive y muere. Hay células que viven individualmente (seres unicelulares) y otras que viven en comunidad (seres pluricelulares), formando animales seres vivos más complejos; a ese último grupo pertenecen los vegetales, los animales y los hongos.

El cuerpo humano está compuesto por aproximadamente 100 billones de células. Las células humanas más grandes tienen aproximadamente un diámentro de un cabello humano, pero la mayoría de las células son más pequeñas; quizá una décima del diámetro de un cabello humano. Para graficar mejor esto, calculen que un cabello promedio puede tener un diámetro de 100 micrómetros (un micrómetro equivale a una millonésima de metro o a una milésima de milímetro), por lo que estaríamos hablando que un cabello tiene un espesor de aproximadamente una décima de milímetro. Entonces una célula promedio puede tener un diámetro de 10 micrómetros, o sea una centésima de milímetro.

Un dedo humano puede contener aproximadamente 4000 millones de células, dependiendo del tamaño de la persona. Una buena analogía sería comparar a la célula con un grano de lenteja y al dedo con un edificio de 20 metros de altura, o sea que 4000 millones de granos de lenteja pueden llenar un edificio de 20 metros de altura.

Las bacterias son la forma más simple de células que existen. Una célula bacterial es un ser vivo independiente (unicelular). Por ejemplo una bacteria típica es la de Escherichia coli (pronunciada eskerikia coli y abreviada E. coli), con un tamaño de aproximadamente una centésima de una célula humana (alrededor de 3 micrómetros de largo por 0,5 micrómetros de ancho), no es visible a simple vista, por lo que se necesita un microscopio para poder ser visto. Cuando una persona se infecta con este tipo de bacteria, las mismas nadan entre las grandes células del cuerpo humano.

Las bacterias son células mucho más simples que las del cuerpo humano. Una bacteria está recubierta por una membrana celular y el interior de la célula contiene un fluido acuoso denominado citoplasma. El citoplasma está compuesto por un 80% de agua y un 20% de proteínas llamadas enzimas, las cuales fueron fabricadas por la misma célula, moléculas pequeñas como aminoácidos, glucosa y otras. En el centro de la célula hay una pelota o bollo de ADN (ácido desoxirribonucleico), el cual se parece a un bollo de lana. Si se llega a desenredar y extender dicho bollo compuesto por ADN, el mismo sería aproximadamente 1000 veces más largo que la célula. No se preocupen si todavía no entienden qué es el ADN, luego será descrito detalladamente, por ahora simplemente veamos la estrucutra de la célula.

La bacteria de E. coli tiene una característica forma capsular. La porción externa de la célula está compuesta por la membrana celular, que envuelve la cápsula celular. En las bacterias de E. coli en realidad hay dos capas de membrana que protegen la célula. Dentro de la cápsula se encuentra el medio acuoso llamado citoplasma; compuesto por millones de enzimas, azúcares, ATP (trifosfato de adenosina) -del cual ya les contaré-, así como otras moléculas que flotan por el agua que compone la mayoría del citoplasma. En el centro de la célula se encuentra el ADN, el cual es como una cinta enrollada que forma un bollo. En las bacterias, a diferencia de las células animales o vegetales, el ADN no está protegido por una capa, por lo que flota cerca del centro del citoplasma. En la parte externa tiene una serie de filamentos o hebras, llamados flagelos, los cuales permiten que la bacteria pueda moverse o propulsarse. No todas las bacterias tienen flagelos y ninguna célula humana tiene flagelos salvo los espermas.

Celula de bacteria escherichia coli

Las células humanas son mucho más complejas que las bacterianas. Contienen un núcleo en el centro del citoplasma con una membrana nuclear, que envuelve y protege su ADN. Además contiene estructuras adicionales llamadas mitocondrias, aparatos de Golgi y una gran variedad de pequeños órganos avanzados llamados orgánulos. Sin embargo los procesos más importantes de funcionamiento celular son iguales tanto en células bacterianas como en las humanas, por lo que comenzaremos estudiando las bacterias.

Las células bacterianas, a diferencia de las animales, carecen de núcleo que cubre y protege al ADN, el cual se encuentra suelto en el citoplasma de la célula y se lo suele llamar nucleoide. Las células sin núcleo se denominan procariotas (por ejemplo células bacterianas), mientras que aquellas con núcleo eucariotas (por ejemplo células animales).

Qué son las enzimas

En todo momento las funciones de la células son realizadas por enzimas. Cuando se logra entender las enzimas se entiende qué son las células. Una bacteria como la Escherichia coli, tiene en cualquier momento determinado aproximadamente 1000 enzimas flotando en su citoplasma.

Las enzimas tienen propiedades muy interesantes que las convierten en pequeñas máquinas de reacción química. La función de una enzima es la de ayudar a que las reacciones químicas se den velozmente en una célula. Cada enzima a través de reacciones químicas realiza una determinada función, como si se trataran de operarias de una fábrica cada una con distintas tareas. Dichas reacciones sirven para que la célula pueda "construir" partes o "desarmar" otras según sea necesario. De esta manera la célula puede desarrollarse, crecer y reproducirse. Para decirlo de una manera más simple, una célula es una diminuta bolsa llena de sustancias que dan lugar a reacciones químicas las cuales son posibles gracias a las enzimas.

Las enzimas están compuestas por proteínas, las cuales a su vez están compuestas por aminoácidos. Las enzimas están formadas por entre 100 y 1000 aminoácidos unidos en un orden específico y único. La cadena de aminoácidos luego se dobla y toma una determinada forma que la caracteriza. Esa forma determinada que adquiere le permite a la enzima efectuar reacciones químicas específicas. Una enzima actúa como un catalista muy eficiente de reacciones químicas, o sea que acelera las reacciones químicas ocurridas en la célula.

Por ejemplo, la maltosa es un tipo de azúcar compuesta por dos moléculas de glucosa unidas; la enzima llamada maltasa tiene una forma particular que le permite romper el enlace que mantiene unidas a las dos moléculas de glucosa soltándolas. Lo único que puede hacer la maltasa es romper moléculas de maltosa en sus dos moléculas de glucosa, pero lo hace de manera veloz y eficiente. Otros tipos de enzimas pueden unir átomos y moléculas formando nuevas sustancias. Romper moléculas en sus partes constitutivas y unir moléculas para crear nuevas sustancias es lo que hacen las enzimas, y hay una enzima específica para cada reacción química necesaria para que la célula siga funcionando correctamente.

Funcion de la enzima maltosa

En la imagen puede verse de manera gráfica una enzima en acción. Una molécula de maltosa viene flotando y es capturada en un sitio específico de una enzima de maltasa, llamado sitio activo. El sitio activo de la enzima de maltasa rompe el enlace de la molécula de maltosa soltando las dos molécula de glucosa que la componen.

Es posible que hayan escuchado alguna vez de personas que son intolerantes a la lactosa, o incluso puede que alguno de ustedes lo sea; este problema se debe a que un tipo de azúcar presente en la leche, llamado lactosa, no puede romperse en sus moléculas de glucosa que la componen; por lo que no puede ser digerida. La razón por la que no pueden romperse las moléculas de lactosa en aquellas personas es porque sus células intestinales no producen la enzima lactasa. Esto demuestra cómo la falta de tan sólo una enzima puede conducir a muchos problemas en una persona. Para solucionar ese problema, una persona intolerante a la lactosa puede tragar una gota de lactasa antes de tomar leche, sin embargo no todas las deficiencias de enzimas son tan fáciles de solucionar.

Molecula de glucosa
Estructura de una molécula de glucosa, compuesta por átomos de hidrógeno (H), oxígeno (O) y carbono (C)


Dentro de una bacteria hay aproximadamente 1000 tipos de enzimas, siendo la lactasa una de ellas. Todas las enzimas flotan en el citoplasma aguardando a las sustancias químicas que les corresponden a cada tipo de ellas. Hay desde cientos hasta millones de copias de cada tipo diferente de enzima, dependiendo de la importancia y frecuencia de la reacción química de la que participa. Estas enzimas hacen de todo, desde romper enlaces de glucosa para utilizar  dichas moléculas como fuente de energía de la célula hasta la producir nuevas enzimas y permitir que la célula se pueda reproducir. Por lo tanto son las enzimas las que hacen todo el trabajo dentro de las células.

 
Qué son las proteínas

 
Como ya se mencionó, las enzimas están compuestas por proteínas. Una proteína es una cadena de aminoácidos. Un aminoácido es una pequeña molécula que actúa como componente de formación de cualquier tipo de proteína. Si se deja a un lado los lípidos o grasas, el 20% del peso de un cuerpo humano está compuesto por proteínas, pero la gran mayoría es agua seguido de minerales, como por ejemplo calcio en los huesos.

Los aminoácidos se llaman así porque contienen un grupo químico molecular denominado amino NH2, compuesto por dos átomos de hidrógeno H y uno de nitrógeno N; y otro grupo llamado carboxilo COOH, compuesto por un átomo de carbono C, dos de oxígeno O y uno de hidrógeno H; el carboxilo es un tipo de ácido; de ahí entonces que se denominen aminoácidos (amino NH2 - ácidos COOH).

En la imagen de abajo puede verse la estructura de dos tipos de aminoácidos. En ella se puede ver que la parte de arriba de ambos aminoácidos son iguales; y lo único que varía es la parte de abajo (con un átomo H en el áminoácido denominado glicina y un grupo CH3 en aquel llamado alanina). Esto sucede en todos los aminoácidos, donde lo único que varía es la parte de abajo. Mientras en algunos aminoácidos la parte variable puede ser bien grande en otros no lo es. El cuerpo humano contiene 20 tipos de aminoácidos diferentes, y en la naturaleza existen aproximadamente unos 100 tipos de aminoácidos diferentes.

En el cuerpo humano hay dos tipos de aminoácidos, los esenciales y los no esenciales. Los aminoácidos no esenciales son aquellos que pueden ser producidos por el cuerpo a partir de otras sustancias químicas que tiene en reserva. Por otro lado los aminoácidos esenciales no pueden ser creados por el cuerpo, por lo que la única manera de obtenerlos es a través de los alimentos. A continuación se muestran los diferentes tipos de aminoácidos del cuerpo humano:
 
Aminoácidos no esenciales:

  • Alanina (producido a partir de ácido pirúvico)
  • Arginina (producido a partir de ácido glutámico)
  • Asparagina (producido a partir de ácido aspártico)
  • Ácido aspártico (producido a partir de ácido oxaloacético)
  • Cisteína (producido a partir de homocisteína que a su vez proviene de la metionina)
  • Ácido glutámico (producido a partir de ácido oxoglutárico)
  • Glutamina (producido a partir de ácido glutámico)
  • Glicina (producido a partir de serina y treonina)
  • Prolina (producido a partir de ácido glutámico)
  • Serina (producido a partir de glucosa)
  • Tirosina (producido a partir de fenilalanina)

 

Aminoácidos esenciales:

  • Histidina
  • Isoleucina
  • Leucina
  • Lisina
  • Metionina
  • Fenilalanina
  • Treonina
  • Triptófano
  • Valina

Las proteínas son ingeridas en las dietas humanas a partir de fuentes alimenticias de origen animal y vegetal. La mayoría de las fuentes alimenticias de origen animal, como la carne, huevo o leche; proveen las denominada proteína completa; la cual se llama así por contener todos los aminoácidos esenciales en cantidades apropiadas. Los vegetales son por lo general bajos o carentes de ciertos aminoácidos esenciales. Por ejemplo el arroz es bajo en isoleucina y lisina, sin embargo otros vegetales son deficientes en distintos aminoácidos; por lo que la mejor manera de obtener todos los aminoácidos esenciales, es combinando diferentes tipos de comidas de manera balanceada durante el día. Algunas fuentes vegetales contienen alto grado de proteínas; las nueces, los porotos o frijoles, la soja son todos ricos en proteínas; combinándolos se pueden cubrir los niveles necesarios de aminoácidos esenciales de un cuerpo humano promedio.
 
Una vez ingeridos, el sistema digestivo rompe las proteínas en sus aminoácidos constitutivos, para que estos últimos penetren el torrente sanguíneo y se puedan dirigir hasta las distintas células del cuerpo, donde serán utilizados como materia prima para la formación de enzimas y proteínas estructurales que forman parte de las estructuras celulares.

Alanina
Glicina
Dos Aminoácidos no esenciales: alanina y glicina

 

Funcionamiento de las enzimas


Hay todo tipo de enzimas funcionando dentro de las bacterias y células humanas. Las células utilizan enzimas en su interior para poder crecer, desarrollarse, reproducirse, crear energía e incluso secretarlas fuera de sus paredes o membranas celulares. Por ejemplo las bacteria de E. coli secretan enzimas que rompen las grandes moléculas de nutrientes en sus partes constitutivas para que éstos puedan ingresar en las células a través de sus membranas celulares. Entre algunas de las tantas enzimas existentes se incluyen:

  • Proteasa y Peptidasa: Una proteasa es una enzima que puede romper una proteína larga en cadenas de aminoácidos más pequeñas llamadas péptidos (para que se hagan una idea, las proteínas están compuestas por más de 51 aminoácidos mientras que los péptidos por menos de ese número de aminoácidos). Las enzimas peptidasas rompen los péptidos en aminoácidos individuales. Por ejemplo los detergentes para ropa pueden contener proteasas y peptidasas las cuales sirven para poder quitar manchas de sangre, rompiendo sus moléculas de proteínas. Algunos tipos de proteasas especializadas solamente pueden romper una clase específica de proteínas, mientras que otros tipos de proteasas pueden romper casi cualquier tipo de proteína. También existen los inhibidores de proteasas, los cuales se utilizan por ejemplo en medicamentos contra el SIDA; ya que el virus de HIV (Virus de Inmunodeficiencia Humana) utiliza ciertas proteasas especializadas durante su ciclo de reproducción, los inhibidores de proteasa sirven para bloquear y frenar la reproducción del virus.
  • Amilasa: Las enzimas de amilasa pueden romper el almidón en sus moléculas de azucar constitutivas. La saliva humana así como el intestino delgado contienen amilasa. Luego los azúcares obtenidos son tratados por enzimas como la maltasa, lactasa o sucrosa; terminando de romperlos en moléculas de glucosa para que puedan ser digeridos.
  • Lipasa: Las enzimas de lipasa rompen moléculas de lípidos o grasas.
  • Celulasa: Las enzimas de celulasa, rompen moléculas de celulosa en azúcares más simples. Bacterias especializadas ubicadas en los intestinos de las vacas y termitas secretan enzimas de celulasa, permitiendo así que las vacas puedan comer pasto y las termitas madera, ya que las enzimas de celulasa de las bacterias que contienen les rompen las moléculas de celulosa en azúcares simples que pueden ser asimilados por sus organismos y digeridos.

 
Las bacterias secretan enzimas fuera de sus membranas celulares. Las moléculas que circundan alrededor suyo son partidas en pedazos (las proteínas en péptidos, los péptidos en aminoácidos, los almidones en azúcares, los azúcares en glucosa, etc), por lo que son suficientemente pequeños para poder atravesar la membrana celular e ingresar así al citoplasma; por ejemplo así es como la bacteria de Escherichia coli come.

Dentro de una célula, hay cientos de enzimas especializadas que efectúan tareas específicas que son necesarias para que la célula pueda seguir viviendo. Algunas de las enzimas más interesantes que se pueden encontrar dentro de las células incluyen:

  • Enzimas de energía: Un conjunto de 10 enzimas que permiten que la célula efectúe la glucólisis o glicólisis. Otras ocho enzimas realizan el ciclo del ácido cítrico también llamado ciclo de Krebs. Estos dos procesos o ciclos juntos convierten a la glucosa y oxígeno en trifosfato de adenosina o ATP (del inglés Adenosine TriPhosphate). En células aeróbicas (o sea consumidoras de oxígeno) como la Escherichia coli y las células humanas, cada molécula de glucosa permite producir 36 moléculas de ATP. La molécula de ATP es una molécula de combustible que provee energía a las distintas enzimas de la célula. Por lo tanto la glucosa (proveniente de alimentos que contienen azúcares, almidón o hidratos de carbono) y el oxígeno (proveniente de la respiración en humanos) constituyen la materia prima del combustible necesario para que las células tengan energía suficiente para efectuar las diversas tareas que les permiten seguir viviendo.
  • Enzimas de restricción: Muchas bacterias pueden producir enzimas de restricción, las cuales reconocen patrones específicos en cadenas de ADN y cortan dichos segmentos o patrones del ADN. Cuando un virus (de lo que ya les hablaré más adelante) inyecta su ADN dentro de una célula viva, la enzima de restricción reconoce el ADN viral y lo quita de la cadena de ADN de la célula, destruyendo así al virus antes de que llegue a reproducirse.
  • Enzimas de manipulación de ADN: Hay enzimas especializadas que pueden efectuar distintas tareas dentro del ADN de una célula. Por ejemplo hay enzimas que pueden moverse a través de las cadenas de ADN y repararlas. También existen enzimas que pueden desenrollar las cadenas de ADN para poder hacer copias de las mismas y reproducirlas, se llaman ARN polimerasas. Incluso existen enzimas que pueden adherirse a pequeños patrones o segmentos de ADN y bloquear el acceso a aquellas secciones del ADN.
  • Enzimas de producción de enzimas: Y obviamente la célula necesita también las enzimas que producen a las otras enzimas.

Si nos ponemos a analizar, una célula no es otra cosa más que un gran conjunto de reacciones química y las enzimas son las encargadas de hacer que esas reacciones ocurran apropiadamente.
 

Cómo se producen las enzimas

Cuando la membrana que cubre una célula se encuentra intacta y produce todas las enzimas necesarias para funcionar apropiadamente, la misma seguirá viviendo. Las enzimas permiten a la célula crear energía a partir de moléculas de glucosa, construir las piezas o bloques que forman parte de la membrana celular, reproducirse así como producir nuevas enzimas.

¿Pero de dónde vienen estas células? ¿Cómo las produce la célula cada vez que las necesita? ¿Cómo hacen las enzimas para producir nuevas enzimas? ¿Cómo hacen las células para autoreplicarse? ¿Qué es en sí el milagro de la vida, el cual convierte a un gran conjunto de complejas reacciones químicas en vida?

La respuesta a todas esas preguntas se encuentra en el ADN (Ácido DesoxirriboNucleico). El ADN guía o indica a la célula cómo producir nuevas enzimas; como analogía se podría decir que el ADN es el libro de recetas de cocina de las células.

El ADN de la célula es un complejo entramado compuesto por cuatro sustancias diferentes, llamadas nucleótidos o bases. Sería como tener un abecedario de tan sólo cuatro letras. El ADN es una larga cadena de estos bloques llamados nucleótidos. En una célula de Escherichia coli, el ADN tiene un largo de 4 millones de combinaciones de distintos tamaños y cantidades de estos 4 nucleótidos o bases (los cuales serán descritos en la próxima sección). Si se llegara a extender el ADN de la E. coli tendría un largo de 1,36 mm (aproximadamente 1000 veces más largo que la bacteria); esto sería como hacer un bollo con un hilo muy fino de 100 metros de largo en un bollo de 10 cm. Pero el ADN humano es muchísimo más largo que el de una bacteria, por lo que se empaqueta en 23 estructuras llamadas cromosomas que permiten que se ajuste y encaje el ADN dentro de la célula.

Lo más impresionante del ADN es que no es otra cosa más que un manual o guía que indica a la célula cómo producir las distintas enzimas. Eso es todo lo que hace el ADN. Las 4 millones de bases o nucleótidos que componen el ADN de la E. coli, le indican a dicha célula cómo producir las aproximadamente 1000 enzimas distintas que utiliza para seguir viviendo. Cada gen es una sección del ADN que actúa como "receta" de una determinada enzima.

A continuación veremos cómo es el proceso de producción de una enzima a partir de las instrucciones del ADN.
 

Qué es el ADN

Es posible que hayan escuchado hablar de que el ADN es una molécula con forma de doble espiral, o sea que vendría a estar formado por dos especies de tiras muy largas retorcidas entre sí.

El ADN se encuentra en todas las células en pares de nucleótidos, o sea bases nitrogenadas. Las bases son moléculas químicas que contienen un compuesto o grupo de átomos denominado carboxilo (formado por hidrógeno y oxígeno). Las bases nitrogenadas además contienen átomos de nitrógeno. En el ADN hay cuatro tipo de nucleótidos. Cada par de bases está formado por dos nucleótidos enlazados entre sí. Los cuatro tipos de base o nucleótidos del "abecedario" del ADN son:

  • Adenina
  • Citosina
  • Guanina
  • Timina

La adenina y la timina siempre se juntan en pares, mientras que la citosina siempre se junta con la guanina en pares. Los pares siempre se vinculan en forma de peldaños en una escalera.

Cadena de ADN
Cadena de ADN en donde se muestra un gen (sección o segmento del ADN) con sus pares de nucleótidos

 
En una bateria de E. coli, el ADN tiene forma de "escalera" con aproximadamente 4 millones de pares. Sus dos puntas se juntan para formar un anillo y luego toma forma de bollo para poder estar dentro de la célula. El anillo completo es conocido como genoma y los científicos han logrado decodificarlo por completo. O sea, que los científicos ya conocen todos los pares de bases o nucleótidos necesarios para formar el ADN de una bacteria de E. coli.
 
Continúa en Qué son las celulas - Parte II >>


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 Si el artículo de la

 Si el artículo de la sangre me gustó mucho, esta preciosa explicación que has dado del increible y minusculo mundo celular me ha parecido aún mucho mas interesante. Por favor no dejes de  escribir que estaremos aquí atentos para agradecer tu esfuerzo

Saludos
 

 Cuesta trabajo para el ser

 Cuesta trabajo para el ser humano comprender ese maravilloso microcosmos, que se esconde en cada milímetro de nuestro. Es un engranaje tan perfecto que cuesta creer que exista en realidad

 

Me gusto mucho el articulo,

Me gusto mucho el articulo, como complemento a aquellos que se colocan en la web de tipos de hongos

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