El mundo de la célula

Gobierno del Distrito Federal

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Dra. Florencia Serranía SotoDirectora General del Sistemade Transporte Colectivo

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Universidad NacionalAutónoma de México

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René Drucker ColínCoordinador de laInvestigación Científica

Julia Tagüeña PargaDirectora General deDivulgación de la Ciencia

Patricia Gómez CanoJefe del Departamento de Difusión de laCoordinación de la Investigación Científica

El mundo de la célulaHoracio Merchant Larios

Dirección General deDivulgación de la Ciencia

Coordinación editorialRosanela Álvarez y Juan Tonda

Diseño de la colecciónElizabeth Cruz

Corrección técnicaMartín Bonfil y Javier Crúz

FormaciónElizabeth Cruz y Kenia Salgado

Asistente editorialLeticia Monroy

Ilustración de portadaRaúl Cruz

Ilustración de interioresRaúl CruzEmmanuel Vela, p. 21

Impreso y hecho en México

Este libro no puede ser reproducido, total ni parcialmente, por ningúnmedio electrónico o de otro tipo, sin autorización escrita de los editores.

Primera edición, 2005

D.R. © Dirección General de Divulgación de la CienciaUniversidad Nacional Autónoma de MéxicoEdificio Universum, tercer piso, Circuito Cultural,Ciudad Universitaria, Coyoacán 04510, México, D.F.

ISBN 970-32-2055-X

Agradecemos el apoyo otorgado por ISA Corporativo

El mundo de la célula

¿Alguna vez te has preguntado de qué estás hecho?A lo mejor sí o tal vez no; seguramente te lo dije-ron en la escuela, pero puede que se te haya olvidado.En tu casa o en la calle, tus padres, hermanos o loscuates te habrán dicho que estamos hechos de carne,sangre y huesos. Sabiendo esto estamos listos parainiciar esta explicación sobre la célula.

Porque las tres cosas, carne, sangre y huesos, es-tán hechas de células. Si pudiéramos contarlas, comolo han hecho algunos investigadores, veríamos queson muchos millones de células amontonadas en di-ferentes formas. Tomando una lupa para observarnuestra piel, podremos ver amplificados los vellosemergiendo de pequeños poros dispersos en una su-perficie más o menos rugosa, dependiendo de la edadque tengas. Aunque los vellos (como los cabellos) yla piel están formados por células muertas, no esposible verlas usando una simple lupa.

6 H o r a c i o M e r c h a n t L a r i o s

Hace más de 300 años, un holandés muy curioso,Anton Van Leeuwenhoek, se puso a pulir lentes muyprecisas e inventó el microscopio. Desde entonces,los microscopios se fueron perfeccionando al gradoque ahora podemos comprar en una juguetería mexi-cana uno más poderoso que los usados por su inventoren Holanda.

Lo que hace el microscopio es aumentar la capaci-dad de nuestros ojos para ver cosas que en realidadestán separadas, y que a simple vista vemos juntas.Por ejemplo, si con un lápiz pones dos puntos sobreun papel blanco, verás con claridad dos cosas separa-das y tendrás razón en afirmar que no hay más de dospuntos. Pero, si pudieras ver esos mismos puntos conun microscopio (aunque sea de juguete), sabrías quecada punto está hecho de cientos o miles de pequeñaspartículas que tu vista no puede separar o distinguir.

Los primeros microscopistas, usando la luz deldía o lámparas de aceite, descubrieron las primerascélulas. Después, la energía eléctrica los proveyó depotentes lámparas con las que, junto con la precisacombinación de lentes y el trabajo de muchos inves-tigadores, lograron una detallada descripción de losdiversos tipos de células. Quedó establecido que to-dos los seres vivos, microbios, plantas y animales(humanos incluidos) estamos formados por células.

Bueno, casi todos los seres vivos, porque hay otrosmucho más chiquitos que las células llamados virus

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(como los que causan el sida) que no se pueden vercon el microscopio que usa luz. Para verlos, tenemosque emplear el microscopio electrónico, que comoindica su nombre, usa electrones en vez de luz. Ade-más, siendo los electrones partículas que no puedenatravesar las lentes de cristal como lo hace la luz,usan lentes magnéticas que proyectan las imágenessobre una pantalla fluorescente, como en la televisión.

Si tenemos un microscopio de luz (también lla-mado óptico, para distinguirlo del microscopio elec-trónico) podremos observar algunas células comolos microorganismos que viven en los estanques yen los charcos (siempre que no estén todavía dema-siado contaminados con venenos industriales) ycélulas de nuestros fluidos como la saliva, la sangreo el semen. Pero la mayoría de las células de nues-tro cuerpo están fuertemente empaquetadas enconglomerados llamados tejidos, y es necesario ha-cer varios trucos para poder observarlas y estudiarlas.Primero hay que extraerlas, por lo que antes de queempiecen a morirse hay que preservar su estructurade la forma más cercana posible a su estado origi-nal. Para lograr esto, tenemos que sumergirlas en unlíquido llamado fijador del que nos servimos paradecirle a la célula: ¡engarróteseme ahí!

Así, las grandes moléculas (también llamadas ma-cromoléculas) de la célula viva detienen su movi-miento. Con ayuda del microscopio podemos ver

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En el centro está el núcleo rodeado por su envoltura que losepara del citoplasma. En éste se aprecian algunos organeloscomo el aparato de Golgi, mitocondrias, retículo endoplásmicoy varios puntos oscuros correspondientes a los ribosomas.

Imagen de una célula tomada conel microscopio electrónico

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que, al igual que los tabiques de una casa, las ma-cromoléculas están agrupadas ordenadamente.Forman los organelos (también llamados organitosu orgánulos) de la célula que, como veremos, traba-jan en armonía para mantenerla viva. Con el mi-croscopio que usa la luz del día o de una lámparapodemos ver muy pocos organelos. De hecho, losinvestigadores que descubrieron las primeras célu-las sólo vieron tres componentes que llamaron mem-brana, protoplasma y núcleo. Después, valiéndosede ciertos colorantes para teñir a las células y conmejores microscopios, los curiosos de laboratoriodescribieron otros organelos que bautizaron connombres extraños como mitocondrias, vacuolas, cen-trosomas, huso acromático, cromatina, cromosomas,y algunos más. Algunos organelos, como los cloro-plastos, sólo se encuentran en las plantas verdes, alas cuales, como veremos adelante, debemos nues-tra presencia en este mundo.

Con el microscopio electrónico se descubrieronnuevos organelos en la célula antes indistinguiblescon el microscopio de luz, y se pudieron distinguirmejor los detalles de los organelos. Pudo verse quela membrana que envuelve a la célula está formadapor dos capas oscuras y una capa clara en medio delas dos, a manera de un sándwich. Fue sorprenden-te descubrir que ese patrón estructural se repetía enlas membranas que le dan forma a varios organelos

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como mitocondrias, vacuolas, cloroplastos y el núcleode la célula.

Con el microscopio electrónico pudo detectarseque un organelo misterioso, llamado aparato de Gol-gi, estaba constituido por membranas formando cos-talitos apilados uno al lado del otro, y alrededor deél se encontraron pequeñas vesículas, algunas conun contenido denso a las que se les denominó liso-somas. Otro organelo que pudo verse con detalle fueel retículo endoplásmico. Aunque parecido al apara-to de Golgi por estar formado por costalitos o sacos,éstos se distribuyen irregularmente en la célula yson de dos tipos diferentes: el retículo endoplásmicoliso y el retículo endoplásmico rugoso. La diferenciaentre los dos retículos la establece la presencia en susuperficie de otros organelos descubiertos con el mi-croscopio electrónico: los ribosomas. Cuando lasmembranas del retículo endoplásmico carecen departículas ribosomales son lisas, en contraste con lasrugosas, que las tienen adheridas (véase figura 1).

Como vemos entonces, la imagen dada por el mi-croscopio de luz se enriqueció con el microscopioelectrónico. El protoplasma alrededor del núcleo, queparecía un fluido más o menos homogéneo, resultóser una estructura altamente organizada que contie-ne los diversos organelos, además de una especie deesqueleto celular (el citoesqueleto) formado por pro-teínas arregladas como fibrillas.

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Figura 1. Esquema de una célula mostrando el ADN en elnúcleo. El ARN mensajero (ARN m) sale del núcleo, se une alos ribosomas (r) para formar una proteína (p). El retículoendoplásmico (re) envía vacuolas (flecha 1) al aparato deGolgi (g). De aquí, salen vacuolas a la superficie (flecha2) para secretar productos elaborados por la célula. La fle-cha 3 muestra vacuolas penetrando a la célula con pro-ductos nutritivos. La flecha 4 indica una moléculapegándose a su receptor en la membrana celular. Ésta esla forma en que la célula se comunica con otras célulasdel organismo. Se muestran dos mitocondrias (m).

Esquema de una célula

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Hasta aquí es necesario recordar que, para descri-bir los organelos principales que forman a la célula,tuvimos que fijarla, y por lo tanto matarla. Si quere-mos saber cómo funciona estando viva, es indis-pensable combinar nuestras simples observaciones enel microscopio con técnicas derivadas de la fisiolo-gía, la física y la química.

Primero se desarrolló la bioquímica, con la quelos investigadores descubrieron cómo interactúan lasmoléculas para obtener la energía requerida para man-tener viva a la célula. Se supo que las mitocondriasactúan como verdaderos transformadores, obtenien-do la energía del azúcar que ingerimos con los a-limentos y guardándola en pequeñas moléculas detrifosfato de adenosina (conocido como ATP). Comola electricidad o la gasolina de un motor, el ATP lesirve a la célula para realizar sus diversas funciones.Sin embargo, la fuente original de esa energía es nadamenos que el Sol (¡cosa que ya sabían nuestros an-tepasados!). Los cloroplastos de las plantas verdescapturan la energía solar y con ella fabrican molécu-las de azúcar que, a su vez, es transformada en ATPpor las mitocondrias.

Sabiendo de dónde viene la energía que nuestrascélulas requieren, veamos cómo trabajan. Desde lue-go, deben “comer”, para lo cual ingieren su alimentopor un proceso llamado pinocitosis. Es decir, tomandel medio que las rodea gotitas de agua con molé-

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culas disueltas que les sirven para obtener energía(azúcares y grasas) o como tabiques para construirsu propia estructura (proteínas). En vez de boca, lacélula emplea la membrana que la envuelve y captu-ra las gotitas de alimento en vesículas (vacuolas)llevándolas a su interior para digerirlas. Los lisoso-mas, fabricados por el aparato de Golgi, también sonvesículas que se fusionan con las vacuolas y se en-cargan de realizar la digestión del alimento ingerido.

Como la digestión consiste en romper las grandesmoléculas ingeridas en pequeños componentes, los li-sosomas llevan sustancias llamadas enzimas, encar-gadas de hacer el trabajo. Las enzimas digestivasson proteínas fabricadas por el retículo endoplásmicorugoso y el aparato de Golgi. Aunque todas las célulasusan enzimas digestivas para digerir lo que ingie-ren, algunas se especializan en producir enzimas paradigerir lo que está afuera de la célula. Así lo hacenlas células que cubren las paredes de nuestro estóma-go e intestino. Pero no todas las proteínas funcionancomo enzimas digestivas. Muchas de ellas actúan co-mo señales que les sirven a las células para comunicarseentre sí, como las hormonas. En este caso, las célu-las requieren también de receptores que las capacitanpara identificar la señal y modificar su comporta-miento de acuerdo con la instrucción recibida.

En nuestro cuerpo, las células se especializan parallevar a cabo diferentes funciones. Por ejemplo, las

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células cardiacas se contraen rítmicamente, hacien-do latir al corazón que impulsa la sangre a través delsistema circulatorio, que es como una extensa tube-ría. La pared de los tubos la forman células especia-lizadas en intercambiar nutrientes y gases (oxígenoy dióxido de carbono) con todas las células del orga-nismo. El largo tubo digestivo, que va de la boca alano, pasando por el estómago y los intestinos, tieneuna pared interior forrada por células especializa-das que, como se mencionó antes, producen sustan-cias digestivas, además de absorber las que nos sirvende alimento. Otro tipo de células, llamadas neuro-nas, se especializan en transportar señales eléctricas,y forman los nervios y el cerebro, encargado de co-ordinar la actividad del organismo.

A pesar de que las células especializadas se venmuy diferentes entre sí, todas ellas conservan bási-camente los mismos organelos arriba descritos. Demanera que la especialización celular (llamada tam-bién diferenciación), puede entenderse mejor cono-ciendo el papel que desempeñan los organelos en elfuncionamiento de la célula. Aunque todos ellos sonimportantes, uno de ellos contiene la mayor partede las instrucciones que la célula necesita para rea-lizar todas sus actividades: el núcleo con sus cro-mosomas. Aquí encontramos a la famosa moléculadel ácido desoxirribonucleico mejor conocida comoADN. Parecida a una muy larga escalera de caracol,

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en sus millones de peldaños están inscritas, en formade clave, las diversas funciones celulares. A diferen-cia de la escalera que conocemos, la escalera del ADNpuede separarse a todo lo largo en dos medias esca-leras. La separación se hace partiendo a la mitad cadapeldaño. En estos peldaños se encontró la clavesecreta que contiene las famosas instrucciones gené-ticas (véase figura 2). ¿Cómo?

Cada mitad de la escalera de caracol está forma-da por una cadena de moléculas llamadas nucleó-tidos, a su vez formados por tres componentes. Dosde ellos son iguales en todos los nucleótidos: el azú-car desoxirribosa y el fosfato (que sería el pasamanosde la escalera). Sin embargo, el tercer elemento de-nominado genéricamente base nitrogenada, puede serde cuatro diferentes clases: adenina (A), timina (T),guanina (G) o citosina (C). Si imaginamos que cadamedio peldaño es diferente, según la base nitrogena-da que le toque, veremos al unir las dos mitades,una escalera de caracol con peldaños de dos tipos(A y T o G y C). Si contamos los peldaños de tres entres (tripletes), tendremos combinaciones AGA, GAG,AAA , GGG, ACA, ATA, CAC, etc. Al descifrar el significa-do de cada triplete se pudieron leer de corrido lasinstrucciones que contiene y de qué manera se ex-presan en la célula.

Aunque las instrucciones del ADN son importan-tes, la célula sabe cómo y cuándo leerlas, y tiene

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Figura 2. Un tramo de la molécula de ADN está siendo co-piada en un ARN mensajero con la intervención de proteí-nas. Al salir del núcleo se asocian a ribosomas y formannuevas proteínas que pueden quedarse en el citoplasmao regresar al núcleo. Se muestra una mitocondria (m) quegenera la energía requerida para la mayoría de las fun-ciones de la célula.

Nueva proteína

Ribosomas

ARN m

ARN detransferencia

Nuevaproteína

Proteína

ARN

mensajero

ADN

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además las herramientas para hacerlo. Las proteí-nas son los componentes celulares más importantespara la lectura de la información almacenada en alADN. Forman parte de los organelos celulares, don-de están más o menos tranquilas; o bien, se muevenactivamente dentro de la célula. Lo interesante delas proteínas es que su función depende de su for-ma, la cual cambia continuamente. Los cambios de-penden de su interacción con otras moléculas conlas que pueden acoplarse como la llave a una cerra-dura. Las proteínas que hacen eso se llaman enzimasy son, en realidad, las herramientas que mantienen“viva” a la célula. Así como las enzimas digestivasarriba mencionadas se acoplan con grandes molécu-las para romperlas en fragmentos cortos, otras enzimasse encargan de unir pequeñas unidades molecula-res para formar grandes moléculas como el ADN.

Para leer las instrucciones del ADN, ciertas proteí-nas identifican una secuencia de los peldaños de laescalera de caracol, los separan y abren la escale-ra en dos mitades. Después, se desplazan a lo largode un tramo y lo copian. Durante este proceso, co-nocido como transcripción, al irse moviendo las en-zimas “lectoras”, van formando al ARN mensajero,molécula químicamente similar al ADN (pero que enlugar de timina, T, lleva uracilo, U, y consta de unasola cadena). Al abandonar el núcleo celular y lle-gar al citoplasma, el ARN mensajero se asocia con

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los ribosomas y pequeñas moléculas de ARN de trans-ferencia. Éstas llevan pegado en un extremo unaminoácido y en el otro un triplete (CGA, GAA, UGC, etc.)que corresponde a un aminoácido diferente. Aquí es-tá la clave donde se traduce la información del ADNen proteínas. Como al ARN mensajero lo forman ca-denas de tripletes copiados del ADN, los ARN detransferencia se encargan a su vez de acomodar alos aminoácidos formándolos uno a uno.

Pero..., ¿qué es un aminoácido?

Las famosas proteínas son como un rosario, dondelas cuentas las forman los aminoácidos. Pero, a dife-rencia del rosario, las cuentas (los aminoácidos) sonde 20 tipos diferentes. Por lo tanto, tendremos unnúmero casi infinito de posibles rosarios (proteínas)diferentes, dependiendo del tipo de aminoácidos quelo forman y del orden que lleven. Cientos de milesde proteínas actúan coordinadamente en la célula.Algunas de ellas regresan al núcleo para leer lasinstrucciones escritas en el ADN por el proceso detranscripción antes descrito (véase figura 3).

Aunque las grasas, azúcares y otras sustanciasquímicas no son proteínas y por lo tanto no estáncodificadas en el ADN, su producción sí lo está, peroen forma indirecta. La mayoría de las moléculas no

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Figura 3. Representación esquemática de la molécula deADN. Aunque se conoce como La doble hélice de Watson yCrick, para facilitar su explicación, en el texto se la llamaescalera de caracol.

A T

G C

A T

G C

A T

G C

A T

A T

A T

G C

G C

G C

A T

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proteicas que forman parte de la célula se formangracias a la actividad coordinada de las enzimas que,como mencionamos antes, son proteínas.

Si las proteínas son las herramientas que la célulausa para leer la información del ADN y ellas, a su vez,son parte de las mismas instrucciones, entonces, ¿esel ADN lo más importante en la célula? Ciertamenteno, ya que su expresión depende de los demás com-ponentes de la célula, y ninguno de ellos se puedeconsiderar menos importante. El ADN, como tal, esincapaz de organizar a una célula aunque le ponga-mos todos los componentes químicos que sabemosestán en la célula viva. Algo ocurrió hace muchos mi-llones de años que llevó, gradualmente, a formar laprimera célula. A partir de entonces, esa maravillo-sa estructura fue capaz de replicarse a sí misma yevolucionar en esas formas tan diversas de vida (mi-crobios, plantas y animales) que nos rodean.

De manera que las células siempre se forman apartir de otras células. También los humanos, comotodos los animales y las plantas constituidas pormuchas células, nos desarrollamos a partir de unacélula. En el ovario de las mujeres se forman unas cé-lulas especiales llamadas ovocitos (véase figura 4).Cuando uno de ellos es fertilizado por un espermato-zoide, se transforma en cigoto. Al dividirse en muchascélulas, da origen al embrión, que al desarrollarse for-mará un nuevo individuo. Cuando crecemos, nuestras

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células se multiplican y tenemos cada vez más de ellasen nuestro cuerpo.

Pero, ¿qué pasa cuando llegamos a la vida adultay dejamos de crecer? En realidad en muchas partesde nuestros tejidos las células continúan proliferandosiempre, y en algunas como en la piel proliferan aúnpoco después de morirnos. Entonces, ¿qué pasa con

Figura 4. Ilustración de un ovocito de ratón tomado deloviducto unos minutos después de salir del ovario. Enesta etapa espera al espermatozoide para ser fertilizado einiciar el desarrollo de un nuevo individuo.

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las células nuevas cuando alcanzamos cierta edad yya no crecemos?

Desde que se inicia el desarrollo, pasando por lasetapas de embrión, feto, bebé, niño, adolescente,adulto, etc., miles de células mueren en nuestro cuer-po. Su muerte es un proceso normal de nuestra vida,de manera que son reemplazadas por las células quese multiplican, manteniendo así el tamaño y la fun-ción de nuestros órganos. Los procesos de prolife-ración y muerte celular son controlados por factoresquímicos como las hormonas que, al unirse a susreceptores, sirven para que las células envíen y recibaninstrucciones. Las que conservan su capacidad paramultiplicarse se dividen en dos por el proceso de mi-tosis, cuando reciben la señal en su receptor de mem-brana. Para que al dividirse no se vayan haciendocada vez más chiquitas, las células crecen antes de cadadivisión. Lo más interesante es que en su núcleo elADN se duplica cuando la célula está creciendo y lascélulas hijas conservan una copia de él. Como elproceso de división es repetitivo, los investigadoresle llaman el ciclo celular.

Después de dividirse, algunas células van per-diendo su capacidad para dividirse y se especializanen alguna función, como mencionamos antes. Lasque se dividen continuamente en la mayoría de nues-tros órganos (piel, estómago, sangre, intestino, etc.)se llaman células precursoras o troncales (en España

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se las conoce como células estaminales), y a partir deellas se originan las células especializadas. Sin em-bargo, en ocasiones, las células pierden su capacidadpara responder a las señales que controlan su diferen-ciación, proliferación o muerte, y continúan multi-plicándose. Entonces forman tumores, que puedenser benignos, como los callos o las verrugas, peroque si se extienden y destruyen otros tejidos causanla enfermedad llamada cáncer, que como sabemospuede ser mortal si no es atendida a tiempo.

A pesar de que entendemos mejor el funciona-miento de las células, todavía falta mucho por cono-cer sobre su origen y la manera en que se organizanpara formar y mantener al organismo. La investiga-ción continúa, y ojalá el conocimiento obtenido sirvapara comprender mejor la naturaleza de los seresvivos que nos rodean, de los que los humanos sólosomos una parte.

Horacio Merchant Larios

Horacio Merchant es doctor en ciencias médicas por la Fa-

cultad de Medicina de la UNAM. Es investigador emérito del

Instituto de Investigaciones Biomédicas de la UNAM. Ha es-

crito una centena de artículos para revistas, varios capítulos

de libros, textos de divulgación de la ciencia y artículos pe-

riodísticos. Pertenece al Sistema Nacional de Investigado-

res y a diversas asociaciones profesionales. De 1993 a 1995

fue presidente de la Sociedad Iberoamericana de Biología

Celular. En noviembre de 2001 fue galardonado con el Pre-

mio Universidad Nacional en el área de investigación en cien-

cias naturales. En la actualidad es jefe del Departamento de

Biología Celular y Fisiología del Instituto de Investigacio-

nes Biomédicas de la UNAM.