EL MUNDO DE LA CELULA

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Contenido
• Todos los organismos están formados por células
• Origen y evolución de las células
• Tamaño de las células
• La célula mejor estudiada: procariota gramnegativo Escherichia coli
• Núcleo de los eucariotas: genoma
• Principales componentes estructurales de las células eucarióticas
• Membrana plasmática
• Citosol
• El núcleo de los eucariotas contiene el genoma
• Ribosomas y la síntesis de proteínas
• Retículo endoplasmático
• El aparato de Golgi (o complejo membranal de Golgi): procesamiento postranscripcional de proteínas
• Los lisosomas contienen enzimas hidrolíticas
• Los peroxisomas destruyen el peróxido de hidrógeno (H2O2)
• Las mitocondrias: fuente de energía de las células eucarióticas aeróbicas
• Citoesqueleto
• Cilios y flagelos
• Utilidad de las células y de los organismos en estudios bioquímicos
• Centrifugación diferencial
• Estudios in vitro
 
 
Conceptos clave
1 La célula (del latín cellula,‘celdilla’) es la unidad estructural y funcional de todos los seres vivos, y corresponde a la mínima
unidad que puede realizar todas las reacciones químicas (metabólicas) que le permiten mantenerse y replicarse por sí misma gracias
a que posee toda la información genética de un individuo.
2 Procariotas (del griego pro ‘antes’; y karyon ‘nuez’ o ‘núcleo’) son todos aquellos organismos cuyas células carecen de un núcleo
o envoltura nuclear que separe su material genético o DNA del citoplasma. La inmensa mayoría son organismos unicelulares y se
dividen en dos dominios fundamentales, bacterias y archaeas.
3 Eucariotas (del griego eu ‘bien’ o ‘verdadero’; y karyon ‘nuez’ o ‘núcleo’) son todos aquellos organismos cuyo DNA o material
genético está separado del citoplasma por un núcleo o envoltura nuclear. Comprende tanto organismos unicelulares como
multicelulares, y se clasifican en los reinos animalia, fungi, plantae y protozoa. Todos ellos en conjunto conforman el dominio
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eucaria.
4 La bacteria Escherichia coli, que comprende tanto organismos patógenos como de vida libre, es el procariota mejor estudiado. Su
genoma fue secuenciado por primera vez hace más de 30 años y ahora se conoce el genoma completo de más de 400 cepas, los
cuales contienen entre 4000 y 6000 genes cada uno.
5 Microbiota (del griego mickrós ‘pequeño’ y bioté ‘vida’) es el conjunto de microorganismos que habitan en un ecosistema; en
medicina, se refiere a la comunidad de microbios que habitan dentro de un individuo. El microbioma (griego mickrós ‘pequeño’,
bios ‘vida’ y om ‘oma’) comprende a todo el material genético contenido dentro de la microbiota. Es importante destacar que el
número de genes contenido en el microbioma de un individuo sobrepasa por mucho al del genoma humano, en una proporción de
100 a 1, y puede cambiar en el transcurso de la vida de un individuo.
 
 
El estudio de los seres vivos es tan complejo que resulta indispensable realizarlo en
pequeñas unidades de información. Los cambios químicos que suceden en cada
organismo son estudiados por la bioquímica, y constituyen la base de la vida y sus
manifestaciones. Todo ello, desde luego, no sucede en abstracto, sino que ocurre en el
seno de los seres vivos. Este capítulo ofrece un breve análisis morfológico y descriptivo
de la célula, unidad funcional y estructural de los seres vivos, en la cual se efectúan todos
los cambios químicos que les permiten a éstos vivir. Se espera que el lector, además de
comprender los cambios químicos, los ubique en el compartimiento celular en que se
realizan, y aprecie e integre los inseparables aspectos moleculares y morfológicos de cada
célula. El reconocimiento de la relación entre la estructura molecular y la función celular
es fundamental para estudiar las células vivas, piedra angular de la bioquímica.
Casi todo el avance del conocimiento del mundo natural es resultado de la invención de
un nuevo instrumento, o de la aplicación de uno ya existente a un nuevo contexto. Uno
de estos avances ocurrió a finales del siglo XVI y principios del siglo XVII, cuando Hans
y Sacharias Janssen fabricaron el primer microscopio compuesto. Dicho invento abrió las
puertas a un nuevo mundo desconocido hasta ese entonces: el mundo microscópico.
Posteriormente, Antonie van Leeuwenhoek desarrollo en Holanda, un método para
fabricar lentes esféricas de alta calidad, las cuales utilizó para realizar observaciones muy
detalladas de estructuras microscópicas, las cuales publicó en una serie de cartas enviadas
a la Royal Society de Londres a partir de 1673.
Sus microscopios alcanzaron una resolución tal que le permitieron ser la primera persona en
describir la existencia de protozoarios, bacterias y espermatozoides. Robert Hooke en Londres por su
parte, utilizó un microscopio que él mismo diseñó para examinar diversas estructuras microscópicas,
incluyendo un delgado corte de corcho. Los dibujos de sus observaciones los publicó en 1665 en el
libro Micrographia, en donde empleó por primera vez la palabra célula, para referirse a las pequeñas
cavidades polihédricas que conforman la estructura del corcho, un tejido vegetal (figura 1–1).
 
 
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Figura 1-1. Microscopios utilizados para realizar las primeras observaciones de células en el siglo XVI. (A)
Réplica del microscopio de un lente empleado por Antonie van Leewenhoeck (1632-1723) para realizar las
primeras observaciones de bacterias, como las obtenidas a partir de muestras bucales. (B) Ilustración que
muestra un esquema del microscopio compuesto de Robert Hooke (1635-1703), así como la portada del libro
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“Micrographia”, publicado en 1665 y que corresponde a su obra más conocida. En ella se incluyen ilustraciones
de estructuras microscópicas elaboradas por él mismo, como por ejemplo las “células” que componen la
estructura del corcho. Robert Hooke fue el primero en proponer el uso del término “célula” dentro de un contexto
biológico. Imágenes cortesía de Jeroen Rouwkema y de la Royal Society of London (panel A) y Octavo
Corporation y Warnock Library (panel B; http://www.rarebookroom.org/).
 
 
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http://www.rarebookroom.org/
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Todos los organismos están formados por células
Casi 150 años después de las observaciones de Robert Hooke, Matthias Schleiden
propuso que la estructura de todos los tejidos de las plantas se basaba en una
organización constituida por células. Poco después, Theodor Schwann amplió la idea, al
señalar que todos los tejidos animales también estaban organizados por células, y
propuso que la unidad fundamental de la vida era la célula.
La teoría celular moderna puede resumirse en los siguientes cuatro postulados:
 
1. Las células producen toda la materia viva.
2. Las células provienen de otras células.
3. El material genético requerido para el mantenimiento de las células existentes y para
la generación de nuevas células pasa de una generación a otra.
4. Las reacciones químicas de un organismo, es decir, el metabolismo, se realizan en
las células.
 
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Origen y evolución de las células
No obstante la gran diversidad que manifiestan los seres vivos que habitan el planeta,
todos ellos comparten características comunes que nos permiten concluir que todos ellos
derivan de un mismo ancestro común. Se estima que la vida en la Tierra se generó poco
después de la formación de ésta hace 4 500 millones de años. De esta forma, se calcula
que el último ancestro común la habitó hasta hace 4 200 millones de años.
 
De este ancestro, surgieron los dos dominios o grupos de organismos unicelulares más distintos
entre sí: el dominio de las eubacterias o simplemente bacterias, y el dominio de las archaeobacterias o
sólo archaeas. Estos dos dominios están conformados por células de tipo procariota debido a que
carecen de núcleo.
 
 
Las bacterias suelen habitar en los suelos, la superficie de las aguas y los tejidos de
otros seres vivos o muertos. Las archaeas son, en comparación, de reciente
descubrimiento, y por ello se han estudiadoen menor medida. Se describieron al inicio
habitando en condiciones extremas, como lagos salados, ojos de agua con pH ácido o
temperatura elevada, o regiones profundas del océano, aunque ahora se sabe que poseen
también una amplia diversidad de hábitat. Dentro de cada uno de estos dos dominios se
encuentran numerosos subgrupos que se distinguen por el ambiente en que se desarrollan
y al cual se encuentran mejor adaptados. En algunos de esos ambientes hay oxígeno en
abundancia, por lo que los organismos que viven en ellos tienen metabolismo aerobio.
Otros están prácticamente privados de oxígeno, lo cual fuerza a los organismos residentes
a realizar su metabolismo en ausencia de esta molécula, por lo que se les llama
anaerobios; los organismos anaerobios estrictos mueren en presencia de oxígeno.
 
A continuación, un evento de fusión o simbiosis entre una archaea y una bacteria dio origen al
tercer dominio de seres vivos, los eucariotes. Dicho evento se estima ocurrió hace más de 2 000
millones de años. De dicha fusión, la bacteria simbiótica ancestral se alojaría en el seno de la archaea y
se convertiría en lo que ahora se conoce como mitocondria. De esta forma, todas las células eucariotes
son el resultado de la herencia de dos genomas distintos, uno proveniente de la bacteria ancestral y otro
del archaea. En términos generales, los eucariotes guardan de las archaeas los genes responsables de la
duplicación del DNA, la transcripción del RNA y la síntesis de proteínas, mientras que del genoma
bacteriano se conserva mayoritariamente, los genes que dan lugar a la síntesis de enzimas y otras
actividades metabólicas. Eventos de fusión adicionales dieron lugar a otros organelos como por
ejemplo, el cloroplasto en plantas (derivado de una cianobacteria ancestral). De hecho, es importante
tener presente que, a lo largo de la historia de los seres vivos, la transferencia horizontal de genes entre
diferentes especies, ha sido un evento recurrente (figura 1-2).
 
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Figura 1-2. Ilustración que muestra la compleja historia natural de los diferentes dominios de seres vivos. A partir
de lo que se denomina como último ancestro común, dos grupos distintos surgieron, dando lugar a las bacterias y
las archaeas. Eventos de simbiosis entre una archaea ancestral y bacterias dieron lugar a las células eucarióticas y
el surgimiento de organelos como las mitocondrias y los cloroplastos. Es notorio el complejo enramado que
representa los distintos eventos de transferencia horizontal de genes que han ocurrido a lo largo de la historia de
los seres vivos. Figura modificada de WF Doolittle (1999) Science 284: 2124.
 
 
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Tamaño de las células
La mayor parte de las células son de tamaño microscópico (figura 1-3). En general, las
células animales y vegetales tienen dimensiones que van de 10 a 30 micras). Esta unidad,
muy usada en los estudios de microscopia óptica, equivale a la milésima parte de un
milímetro o la millonésima parte de un metro: 1 micra = 1 µm = 0.001 mm = 1 × 10–6
m), mientras que el tamaño de las bacterias suele ser de 1 a 2 µm. Al parecer, el tamaño
mínimo de la célula está definido por el menor número de biomoléculas que requiere para
realizar sus funciones. El micoplasma, que es la bacteria más pequeña conocida, mide
sólo 300 nanómetros (1 nm = 0.001 µm = 1 × 10–9 m), con un volumen de 10–14 mL; si
un ribosoma mide 20 nm, entonces el micoplasma contiene unas cuantas decenas de
ellos, y éstos ocupan una parte importante del volumen celular total. No obstante, a pesar
de la aparente simplicidad del micoplasma, su estructura es en extremo compleja, como
puede apreciarse en la figura 1-4.
 
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Figura 1-3. Poder de resolución del ojo humano, microscopio fotónico (MF) y microscopio electrónico (ME). El
eje vertical está en escala logarítmica para poder acomodar el tamaño de los objetos. El color más oscuro de las
flechas de la derecha representa el límite de resolución estándar y el color más claro el límite de resolución en
condiciones especiales.
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Figura 1-4. Representación de una célula de Mycoplasma mycoides, con diámetro de sólo 250 nm. En el esquema
destaca lo abigarrado del contenido celular, en el cual están representadas todas las macromoléculas a escala, de
acuerdo a su concentración y formas reales dentro de la célula. Las principales macromoléculas mostradas son:
1) hebras de DNA; 2) DNA polimerasa; 3) ribosoma; 4) piruvato deshidrogenasa; 5) ATP sintasa; 6) proteosoma;
7) membrana plasmática; 8) cubierta de lipoglucano (cadenas de oligosacáridos unidos a los lípidos de la
membrana). Ilustración cortesía de David S. Goodsell, Scripps Research Institute.
 
En contraste, el volumen máximo de la célula parece estar determinado por la difusión
de los solutos en sistemas acuosos. El acceso de los nutrimentos del medio a la célula
está limitado por la velocidad de su difusión hacia todas las regiones del citoplasma. Una
célula que requiere oxígeno para la liberación de la energía contenida en los nutrimentos
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(organismo aerobio) debe obtener el oxígeno del medio, por difusión simple a través de
su membrana.
En una bacteria existe una proporción superficie/volumen muy grande, cada parte del
citoplasma bacteriano se alcanza con facilidad por el oxígeno disuelto en el medio.
Conforme la célula aumenta de tamaño, la relación superficie/volumen (figura 1-5A)
disminuye, hasta que llega el momento en que la velocidad de consumo de oxígeno es
mayor que la de difusión del gas; esto establece el límite teórico para el tamaño que
puede lograr una célula aeróbica.
Hay excepciones en el tamaño celular debido a factores de difusión. Por ejemplo, para
que el alga Nitella, cuyas células miden varios centímetros de longitud, y el alga Valonia
ventricosa, cuyo diámetro es superior a 1 cm, puedan asegurar la accesibilidad de
nutrimentos, el contenido citoplasmático, metabolitos, material genético, entre otros,
deben ser vigorosamente “agitados” por un movimiento del citoplasma que produce un
flujo de los elementos citoplasmáticos, llamado ciclosis.
La forma de la célula también participa como un mecanismo compensatorio del tamaño
celular. La menor relación superficie/volumen se da en la forma circular. Una célula en
apariencia esférica puede presentar en su superficie plegamientos que contribuyen a
aumentarla (figura 1-5B), lo cual facilita la captación de nutrimentos del medio externo y la
excreción de desechos. Otras células tienen una relación superficie/volumen mayor,
porque son de formas alargadas y muy delgadas, como las neuronas (figura 1-5C), que
además presentan formas estelares y están muy ramificadas.
 
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Figura 1-5A). Efecto del tamaño de la célula en la relación superficie/volumen. B). Las microvellosidades
aumentan de forma considerable la superficie de absorción de las células intestinales. C) Las prolongaciones
citoplasmáticas (dendritas y axones) de las neuronas incrementan el volumen y el tamaño de la célula, así como la
distancia de interacción entre células.
 
 
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La célula mejor estudiada: procariota gramnegativo
Escherichia coli
Aun cuando todas las células bacterianas comparten ciertos aspectos estructurales y
funcionales, también muestran especializaciones específicas para cada grupo. Las
bacterias gramnegativas (no se tiñen con el colorante de Gram) poseen una membrana
externa y una membrana interna, así como una cubierta de peptidoglucano; las bacterias
grampositivas (son positivas porque la pared celular capta el violeta de genciana, base del
colorante de Gram) tienen sólo una membrana plasmática, y en ellas la cubierta de
peptidoglucano es mucho más gruesa; las cianobacterias, aun cuando son un tipo de
bacterias gramnegativas, presentan una capa de peptidoglucano mucho más resistente, así
como un abundante y complejo sistema de membranas internas (endomembranas);por
último, las arqueobacterias no poseen una capa de peptidoglucano.
La pared celular, estructura rígida de unos 40 nm de grosor, evita que la célula se
hinche cuando la concentración de metabolitos en su interior es mayor que la de solutos
en el medio externo; esto se denomina condiciones hipotónicas, y en ellas se produce una
presión osmótica intracelular que puede superar las 20 atmósferas; si no existiera la pared
celular, entraría tal cantidad de agua en la célula que la delicada membrana plasmática
terminaría por romperse.
 
La bacteria E. coli (figura 1-6A) por lo general es un habitante no patógeno del intestino de los seres
humanos y otros mamíferos; es una eubacteria que mide alrededor de 2 µm de longitud y poco más de 1
µm de diámetro; presenta una membrana externa y una capa de peptidoglucano (carbohidratos ligados
con aminoácidos) localizada entre las membranas externa e interna que limita al citoplasma y al
nucleoide (figura 1-6B).
 
La membrana plasmática o membrana celular –cuya composición aproximada es 50% de
proteínas y 50% de lípidos– y las otras capas localizadas por fuera de ella reciben el
nombre de envoltura celular. La membrana plasmática de las eubacterias tiene una
delgada capa de moléculas de lípido penetradas por una serie de moléculas de proteína.
Las arqueobacterias y las eubacterias difieren en la composición lipídica de sus
membranas.
La membrana plasmática contiene proteínas capaces de transportar iones y compuestos
hacia el interior de la célula y de acarrear productos y desechos celulares hacia el exterior.
En la membrana externa de E. coli se observa una serie de estructuras como cabellos
cortos llamados pili, por medio de los cuales la célula se adhiere a la superficie de otra
(figura 1-6C). Algunas cepas de E. coli y otras bacterias móviles presentan una estructura
más larga que los pili, llamada flagelo, que impulsa a la célula a través del medio acuoso
en el que se encuentra. El flagelo alcanza varias micras de longitud, pero su diámetro es
de apenas 10 a 20 nm, y se ancla a la membrana a través de una estructura proteínica
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que gira en el plano de la superficie celular, generando un movimiento de rotación del
flagelo.
El citoplasma de E. coli contiene unos 15 000 ribosomas y cientos de copias de las
diferentes enzimas necesarias para realizar sus procesos metabólicos; contiene cofactores
y una gran variedad de iones. En ciertas condiciones, se acumulan polisacáridos en forma
de gránulos o gotas de lípido, lo que indica abundancia de nutrimentos en el medio. El
nucleoide (figuras 1-6C y 1-6D) posee una sola molécula de DNA circular. A pesar de que la
longitud de la molécula de DNA de E. coli es casi 1 000 veces mayor que la misma
célula, se encuentra empacada con proteínas y estrechamente plegada en el propio
nucleoide, conformando una estructura no mayor de 1 µm en su eje máximo. Además
del DNA en el nucleoide, muchas bacterias tienen numerosos segmentos circulares de
DNA libres en el citoplasma; estas estructuras se llaman plásmidos. Los plásmidos son
fragmentos de DNA que parecen no ser esenciales para la vida celular, aunque confieren
a la bacteria genes adicionales, por ejemplo, de resistencia a algunos antibióticos, y han
resultado de gran utilidad para la investigación y manipulación genética.
 
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Figura 1-6. La bacteria Escherichia coli es un habitante normal del intestino y uno de los organismos más
estudiados. A) Imagen por computadora de una célula de E. coli, generada a partir del análisis de imágenes de
microscopía electrónica de barrido, en donde se observan numerosos pilis y algunos flagelos en su superficie B)
Esquema de una célula de E. coli en proceso de división celular. C) Dibujo en donde se observan los
componentes internos de una célula de E. coli. D) Detalle de la estructura interna de E. coli (A es una ilustración
creada por Alissa Eckert y Jannifer Oosthuizen, por cortesía de James Archer/Center of Disease Control; D es
una ilustración creada por el Dr. David S. Goodsell, Scripps Research Institute, e incluida por cortesía del propio
autor).
 
En las bacterias existe una división (compartimentalización) primitiva de actividades. La
envoltura celular regula el flujo de materiales hacia el interior y el exterior de la célula y la
protege contra agentes nocivos presentes en el ambiente. La membrana plasmática y el
citoplasma contienen las enzimas necesarias, tanto para el metabolismo energético como
para la biosíntesis de precursores; los ribosomas sintetizan proteínas y el nucleoide
almacena y transmite la información genética. La mayoría de las bacterias, aunque
derivan de un progenitor, tienen una existencia independiente de las otras células; otras
bacterias, por el contrario, tienden a asociarse en grupos o en filamentos.
 
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Núcleo de los eucariotas: genoma
Solo los eucariotas forman organismos multicelulares en los que existe una real división
de las actividades entre los diferentes tipos de células. La célula (figura 1-7) es la unidad
estructural y funcional de los organismos. Los organismos más pequeños son unicelulares
y microscópicos, mientras que los organismos más grandes son multicelulares; por
ejemplo, el nematodo Caenorhabditis elegans macho está formado por 1 031 células, la
mosca de la fruta Drosophila melanogaster por alrededor de 6 000 células, y el cuerpo
humano por cerca de 3.7 × 1013 células. Si bien el número de células de un individuo
cambia de manera notable entre organismos de distintas especies, dentro de una misma
especie, el número de células que lo conforman no cambia de manera significativa a lo
largo de la vida de un individuo. Así por ejemplo, la principal diferencia entre las células
de una persona obesa y otra delgada, reside más en el aumento de volumen de las células
adiposas, más que a un aumento en el número de células.
 
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Figura 1-7. Esquema que ilustra los componentes típicos de una célula hepática o hepatocito, una de las células
más estudiadas desde el punto de vista bioquímico y que tiene dos regiones diferentes en su membrana
plasmática: el dominio apical que, mira hacia el canalículo biliar, y el dominio basolateral que presenta múltiples
microvellosidades. Por comparación se muestran en tamaño a escala las dos células de organismos unicelulares
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más estudiadas, la procariota E. coli y la eucariota Saccharomyces cerevisiae, o levadura.
 
 
Sin embargo, el grupo más numeroso de células que se aloja dentro del cuerpo, no corresponde a
las propias células, sino a la microbiota, la cual está constituida de forma mayoritaria por bacterias
simbiontes, que viven de manera natural dentro del cuerpo, y cuyo número se estima en por lo menos 10
veces mayor, es decir, se tiene en promedio 10 bacterias por cada una de las células que conforman al
individuo. De allí la relevancia actual que tienen los estudios para conocer mejor el microbioma humano.
 
 
Los organismos multicelulares por lo general contienen diversos tipos de células, las
cuales varían en forma, tamaño y función. Por ejemplo, los mamíferos incluyendo el
hombre, poseen más de 200 tipos celulares distintos. No obstante, sin importar el tamaño
del organismo, las células que lo conforman siempre guardan un cierto grado de
individualidad e independencia y, a pesar de sus diferencias, comparten siempre
elementos estructurales básicos.
 
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Principales componentes estructurales de las células
eucarióticas
Las células eucarióticas tienen un volumen superior al de las células procarióticas, entre 1
000 y 10 000 veces mayor; contienen numerosos organelos membranosos y no
membranosos distribuidos en todo el citoplasma de la célula.
 
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Membrana plasmática
La membrana plasmática (figura 1-8) define la periferia celular, separando su contenido del
medio que la rodea. Se compone de un gran número de moléculas de lípidos(fosfolípidos en su mayoría) y proteínas (cerca de 50% de cada una, aunque varía
dependiendo del organismo y del tejido) unidas por interacciones de naturaleza
hidrofóbica, formando una bicapa cuyo interior es hidrofóbico. Esta estructura es
delgada, pero resistente y posee una alta plasticidad que le permite plegarse y extenderse
según las necesidades de la célula. El interior hidrofóbico de la membrana celular
constituye una barrera al libre paso de compuestos polares o con carga, así como al de
aniones y cationes en general. En contraste, las moléculas de carácter hidrofóbico pueden
atravesarla con relativa facilidad. El control del transporte selectivo de iones y moléculas
polares a través de la membrana es una función realizada por una gran variedad de
proteínas insertadas en la membrana plasmática que trabajan como transportadores, y
que pueden o no requerir de gasto de energía para realizar su función. Otras proteínas
insertadas en la membrana celular se desempeñan como receptores, y transmiten señales
desde el exterior hacia el interior celular, o son enzimas que participan en
transformaciones metabólicas asociadas con la membrana. De hecho, es importante
mencionar que cerca de 30% de todas las proteínas conocidas hasta ahora son proteínas
membranales.
 
 
Figura 1-8. Esquema que muestra la forma en que se organizan los diferentes componentes de la membrana
plasmática, la cual está constituida por una bicapa de fosfolípidos, en donde las cabezas polares de los
fosfolípidos se orientan hacia la superficie de la misma, delimitando una región hidrofóbica interna constituida por
las colas hidrocarbonadas de sus ácidos grasos. En esta bicapa se encuentran embebidas las proteínas de
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membrana, atravesándola de lado a lado (proteínas integrales), o bien adheridas a la superficie de la membrana
(proteínas periféricas o de superficie), interaccionando con la región hidrofóbica, las cabezas polares de los
fosfolípidos o ambas. Inmersas dentro de la región hidrofóbica de la membrana se localizan numerosas moléculas
de colesterol que le confieren mayor estabilidad a la estructura de la membrana. La cara externa de la membrana
plasmática presenta carbohidratos en forma de oligosacáridos, unidos a proteínas (glucoproteínas) o fosfolípidos
(glucolípidos) y que son importantes para el reconocimiento celular. Ilustración elaborada por Arturo Castro para
el Manual Moderno y la UNAM.
 
La gran flexibilidad de la membrana plasmática se debe, en parte, a que sus
componentes: lípidos y proteínas no están unidos en forma covalente, lo cual confiere a
la célula una gran capacidad de cambio en su forma y tamaño, lo que constituye un
mosaico fluido. Por otro lado, es importante señalar que para desarrollar sus diversas
funciones, la membrana plasmática presenta polaridad; esto es, la composición de la cara
externa de la membrana es distinta a la cara interna. Así, la cara externa por ejemplo,
presenta una cantidad significativa de oligosacáridos unidos a lípidos o proteínas, que
suelen participar en procesos de diferenciación y reconocimiento celular, y que están
ausentes en la cara interna. De igual manera, los lípidos que componen la cara interna y
externa también suelen ser distintos, e incluso, las proteínas integrales de membrana,
también presentan polaridad y se insertan dentro de la misma, con muy contadas
excepciones, siempre con la misma orientación.
A diferencia de las bacterias, las células eucarióticas presentan en el citoplasma cierto
número de organelos limitados también por membranas como el núcleo, mitocondrias,
lisosomas, peroxisomas, vacuolas, retículo endoplasmático, aparato de Golgi y
cloroplastos en células fotosintéticas.
 
Citosol
El volumen interno, limitado por la membrana plasmática, está constituido por una
solución acuosa de compuestos hidrofílicos, sustancias insolubles y partículas en
suspensión, y se le conoce como citoplasma o citosol. La composición compleja del
citosol le da una consistencia de gel porque disueltos o en suspensión, se encuentran
iones, enzimas, moléculas de RNA y cientos de moléculas orgánicas pequeñas llamadas
metabolitos que son intermediarios en los procesos biosintéticos o degradativos de la
célula.
Entre las partículas suspendidas en el citosol se encuentran complejos
supramoleculares, y en los organismos superiores hay una serie de organelos limitados
por membranas, en los cuales se localizan los componentes necesarios para realizar
actividades metabólicas especializadas. Los ribosomas están formados por proteínas y
moléculas de RNA; éstos son máquinas enzimáticas en las que se realiza la síntesis de
proteínas, condición en la que se observan como agregados llamados polisomas o
polirribosomas. En el citoplasma también puede encontrarse una serie de gránulos de
almacenamiento que contienen nutrimentos como glucógeno y grasas.
 
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El núcleo de los eucariotas contiene el genoma
Casi todas las células vivas contienen un núcleo, o su equivalente, el nucleoide, en el que
se almacena y duplica el genoma, que comprende todo el conjunto de genes que posee
un organismo y que está codificado por el DNA. Las moléculas de DNA extendidas son
mucho mayores en tamaño que la propia célula, por lo que se encuentran plegadas y
compactadas como complejos supramoleculares de DNA con diversas proteínas
específicas. El nucleoide bacteriano no está separado del citoplasma por una membrana;
en los organismos superiores, el material nuclear se halla separado por una doble
membrana, la membrana nuclear. Las células que contienen una envoltura nuclear se
llaman eucariotas (del griego káryon = núcleo, eu = verdadero); aquellos organismos sin
membrana nuclear (bacterias y archaeas) se llaman procariotas (del griego pro = antes
de).
Comparado con el nucleoide bacteriano, el núcleo (figura 1-9) de los eucariotas es muy
complejo en su estructura, funcionamiento y actividad biológica. Contiene casi todo el
DNA de la célula, que es unas 1 000 veces más abundante que el de una bacteria. La
envoltura nuclear, a ciertos intervalos, se encuentra interrumpida por aberturas circulares
de alrededor de 90 nm de diámetro llamadas poros nucleares. Formando parte de los
poros nucleares hay proteínas específicas, transportadoras de moléculas, que pasan entre
el citoplasma y el nucleoplasma (la porción acuosa del núcleo). Entre estas moléculas
están las enzimas sintetizadas en el citoplasma que se requieren en el núcleo para la
duplicación, la transcripción o la reparación del DNA. Los RNA mensajeros y
ribosómicos, así como las proteínas asociadas, salen del núcleo por los poros nucleares.
En el nucleoplasma no hay ribosomas, aunque sí en la cara externa de la envoltura
nuclear.
 
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Figura 1-9. Las células eucarióticas han desarrollado un complejo sistema de membranas internas, en donde la
envoltura nuclear forma el compartimento más interno, y se prolonga de forma continua hacia el retículo
endoplasmático rugoso, el retículo endoplasmático liso y el aparato de Golgi. A través del retículo endoplasmático
existe una importante actividad de síntesis y flujo de proteínas y componentes de membrana o de secreción que
se movilizan hacia las diferentes cisternas que constituyen el aparato de Golgi. En éste, los diferentes
componentes que llegan, son clasificados y separados para canalizarse hacia su destino final en la célula por
medio de vesículas de secreción. Ilustración cortesía de Mariana Ruiz Villarreal bajo licencia de Creative
Commons.
 
Dentro del núcleo está el nucléolo (figura 1-9), organelo no membranoso con alta
afinidad por los colorantes básicos como la hematoxilina, debido a su alto contenido de
RNA. El nucléolo es una región especializada del núcleo, en donde se concentran
numerosas copias de DNA que poseen información para la síntesis del RNA de los
ribosomas. El resto del núcleo está constituido por la cromatina, nombre dado por los
primeros microscopistas al observar su tinción conciertos colorantes. Los cromosomas
son un complejo de DNA y proteínas fuertemente unidas al DNA, que representa la
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cromatina condensada, los cuales se “descondensan” durante la interfase. Cuando la
célula va a dividirse, la cromatina se condensa y forma los cuerpos característicos
llamados cromosomas. El número de cromosomas es específico para las células de cada
especie. Las células humanas contienen 46 cromosomas. En general poseen dos copias
de cada cromosoma, por lo que se dice que son diploides. Las células de los gametos
(óvulos y espermatozoides) contienen una sola copia de cada cromosoma, por lo que son
haploides. Durante la reproducción sexual, dos gametos haploides se combinan formando
una célula diploide, el huevo, en la que cada par de cromosomas consiste de un
cromosoma materno y uno paterno.
Los cromosomas y la cromatina (figura 1-10) son una combinación de DNA y proteínas
básicas (histonas), que se unen a los grupos fosfato del DNA por medio de interacciones
iónicas. La proporción proteína-DNA en la cromatina es 1:1. Cuando el DNA se duplica,
se sintetizan grandes cantidades de histonas, ya que durante todo el proceso de la división
celular se mantiene la relación 1:1. La unidad básica del complejo DNA-histonas
conforma una serie de estructuras llamadas nucleosomas (figura 1-10), en donde la
molécula de DNA se enrolla a un grupo de moléculas de histona. El DNA de un solo
cromosoma humano forma alrededor de un millón de nucleosomas, que se asocian y
constituyen complejos supramoleculares altamente compactados. Las fibras de cromatina
tienen diámetro de 30 nm, y se condensan aún más, creando una serie de regiones en
forma de asa, que siguen compactándose, formando al final los cromosomas que se
observan durante la división celular. Si se unieran por sus extremos, las moléculas de
DNA de todos los cromosomas de una célula diploide normal humana medirían unos 2 m
de longitud. Para comprender el grado de compactación del DNA en los cromosomas,
señalaremos que el diámetro de éstos es de sólo 600 nm.
 
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Figura 1-10. Esquema que ilustra los diferentes grados de compactación que presenta el DNA dentro del núcleo
de una célula eucariótica. En las células procarióticas como E. coli, el DNA se encuentra literalmente “desnudo”,
asociado sólo a proteínas individuales que regulan la expresión de los genes; en las células eucarióticas en cambio,
siempre está asociado a proteínas reguladoras como estructurales (histonas). El nucleosoma puede considerarse
como la unidad estructural de la cromatina; cada nucleosoma está conformado por un segmento de la cadena de
DNA rodeando un núcleo proteico formado por la unión de ocho histonas, generando una estructura similar a un
“rosario de cuentas”. La cadena de nucleosomas a su vez se condensa formando fibras de 30 nm de diámetro; la
forma activa del DNA (la cromatina activa), se encuentra en un estado intermedio entre estas fibras condensadas
y la cadena abierta de nucleosomas. Durante la división celular, el DNA se duplica y la cromatina se condensa aún
más formando asas que a su vez se condensan entre sí formando por último los cromosomas. Para dar una idea
del grado de condensación, baste decir que el núcleo tiene a lo mucho 10 µm de diámetro, y un cromosoma
humano tiene en promedio 135 millones de pares de bases con una longitud equivalente a casi 5 000 veces el
diámetro del núcleo.
 
 
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Síntesis de proteínas: los ribosomas
Los ribosomas son grandes supercomplejos de RNA y proteínas y constituyen el sitio en
donde se lleva a cabo la síntesis de proteínas. Todos los seres vivos presentan ribosomas
constituidos por dos subunidades (figura 1-11) formando un complejo cuyo peso molecular
alcanza varios millones de daltons, del cual más de la mitad es RNA ribosomal (rRNA).
En la subunidad pequeña se encuentran los sitios de unión al RNA mensajero (mRNA) y
los RNA de transferencia (tRNA), mientras que en la subunidad grande se encuentra el
sitio catalítico en donde se lleva a cabo la formación de los enlaces peptídicos que
constituirán las proteínas. Los ribosomas son preensamblados dentro del núcleo, y se
transportan a través de los poros de la envoltura nuclear hacia el citoplasma donde
maduran. Los genes de los rRNA están muy conservados y están presentes en todos los
seres vivos, lo que ha permitido utilizarlos para estudiar las relaciones evolutivas entre los
diferentes tipos de organismos, tanto procariotas como eucariotas. Sin embargo, existen
diferencias importantes entre los ribosomas bacterianos y de mamíferos, que son
aprovechadas para el desarrollo de sustancias bactericidas. Así, alrededor de la mitad de
los antibióticos producidos en la actualidad, como los aminoglucósidos, tetraciclinas y
eritromicina, inhiben de manera selectiva la síntesis de proteínas en los ribosomas
bacterianos sin alterar el funcionamiento de los ribosomas de los mamíferos.
 
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Figura 1-11. Estructura tridimensional de las dos subunidades que constituyen el ribosoma de la arqueobacteria
Haloarcula marismortui. La subunidad pequeña (izquierda) está constituida por una molécula de rRNA
(denominado 16S, en color rosa pálido) y 19 proteínas distintas (en color morado); la subunidad grande (derecha)
está formada por 27 proteínas distintas (en color morado) y dos rRNA (denominados 23S en color rosa pálido y
5S en color amarillo). En bacterias como Escherichia coli, la subunidad pequeña está constituida por una
molécula de rRNA y 21 proteínas, mientras que la subunidad grande está conformada por dos moléculas de rRNA
y 34 proteínas. En eucariotas, los ribosomas son aún más complejos y contienen un rRNA y 33 proteínas en la
subunidad pequeña, y tres rRNA y 49 proteínas en la subunidad grande. Ilustración cortesía de David S. Goodsell
(Scripps Research Institute) & RCSB Protein Data Bank.
 
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Retículo endoplasmático
El retículo endoplasmático (figura 1-9) es una red tridimensional de cisternas
membranosas que se localizan en todo el citoplasma, en este caso estableciendo un
compartimiento virtual constituido por la luz de las diversas cisternas intercomunicadas,
las cuales se reacomodan de manera continua y muy dinámica. Las cisternas del retículo
endoplasmático son continuas tanto entre sí como con la envoltura nuclear. La
abundancia del retículo endoplasmático rugoso (RER) en las células guarda relación
directa con la actividad de síntesis de proteínas. Por ejemplo, en el páncreas exocrino, las
células presentan un abundante contenido de este organelo.
La unión de ribosomas a la superficie de la membrana de las cisternas del retículo
endoplasmático le da el aspecto rugoso del cual deriva su nombre. En otras regiones de la
célula se observan estas cisternas libres de ribosomas, por lo que reciben el nombre de
retículo endoplasmático liso (REL). Es necesario enfatizar que el REL es una
continuación del RER. En el REL se realizan la biosíntesis de lípidos de membrana, las
actividades enzimáticas necesarias para el metabolismo de algunos fármacos y
compuestos tóxicos y la síntesis de los materiales de secreción. En cuanto a su aspecto,
más que por cisternas, está formado por estructuras tubulares. En algunas células, el
retículo endoplasmático se especializa en el almacenamiento y la liberación rápida de
iones importantes para la célula, como el Ca2+; en el caso del músculo esquelético, actúa
como disparador de la contracción muscular.
 
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El aparato de Golgi (o complejo membranal de Golgi)
Casi todas las células eucarióticas presentan cúmulos de cisternas membranosas llamadas
dictiosomas. Cuando varias dictiosomas se conectan, constituyen el aparato de Golgi
(figura 1-9). Cerca de los extremos de las cisternas del aparato de Golgi se localizan
numerosas vesículas esféricas de transporte.
El aparato de Golgi es asimétrico tanto de forma estructural como funcional. La cara
cis se orientahacia el retículo endoplasmático y la cara trans mira hacia la membrana
plasmática; entre estas dos caras se encuentran elementos intermedios. Las proteínas
sintetizadas por los ribosomas unidos a la membrana son transportadas hacia la luz de las
cisternas. Las pequeñas vesículas que contienen las proteínas recién sintetizadas se
separan del retículo endoplasmático y se desplazan hacia el aparato de Golgi,
fusionándose a la cara cis; conforme las proteínas migran hacia la cara trans, una serie
de enzimas las modifican por adición de grupos sulfato, carbohidratos o lípidos a las
cadenas laterales de los aminoácidos. Uno de los efectos de estas modificaciones de las
proteínas es etiquetarlas para que, al ser liberadas por exocitosis, se orienten y reaccionen
con su receptor específico. Después del procesamiento, algunas proteínas no son
liberadas de forma directa al medio, sino que se empacan en vesículas de secreción, las
cuales más tarde se liberan de la célula por procesos de exocitosis; otras, en cambio, son
etiquetadas para su incorporación a los lisosomas; otras más son marcadas para unirse a
la membrana plasmática durante el crecimiento celular.
 
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Los lisosomas contienen enzimas hidrolíticas
En el citoplasma celular a menudo se observan vesículas esféricas de alrededor de 1 µm
delimitadas por una membrana, que corresponden a los lisosomas (figura 1-9), los cuales
contienen enzimas que pueden romper proteínas, polisacáridos, ácidos nucleicos y
lípidos. Los lisosomas funcionan como centros celulares de reciclaje para las moléculas
complejas, o de fragmentos de cuerpos extraños que entran a la célula por endocitosis;
allí son degradados y convertidos en moléculas más pequeñas que pueden reutilizarse
después. También se reciclan los componentes de los organelos celulares que ya no son
funcionales, por ejemplo, mitocondrias. Todos los materiales introducidos en los
lisosomas son degradados a las moléculas más simples que los originaron, como
aminoácidos, monosacáridos, ácidos grasos, entre otros, las cuales se liberan al
citoplasma para reutilizarse en nuevos componentes celulares o son catabolizados para
obtener energía.
Las enzimas de los lisosomas pueden destruir la célula si no se encuentran confinadas
en el interior del organelo; el contenido lisosómico es más ácido (pH ≤ 5) que el del
citoplasma (pH ≈ 7.0); la acidez en el interior del lisosoma se debe a la actividad de una
bomba de protones dependiente de ATP, ya que la actividad óptima de las enzimas
lisosómicas se realiza a pH ácido. Lo anterior permite la existencia de una segunda
barrera de defensa celular en caso de que el contenido lisosómico se libere al citoplasma.
Debido al pH neutro del citoplasma, las enzimas lisosómicas prácticamente serán
inactivas si escapan al citoplasma, siempre y cuando los mecanismos de regulación del
pH se mantengan.
 
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Los peroxisomas destruyen el peróxido de hidrógeno
(H2O2)
Durante algunas de las reacciones oxidativas de la degradación de los aminoácidos y de
las grasas, se producen radicales libres del oxígeno y peróxido de hidrógeno (H2O2),
compuestos químicos muy reactivos que pueden dañar la célula (capítulo 24). Para
protegerla, muchas de las reacciones que los producen se confinan en pequeños
organelos membranosos llamados peroxisomas. En los peroxisomas se llevan a cabo
diversas actividades metabólicas, como la oxidación de xenobióticos por los citocromos
P450, la oxidación microsomal de los ácidos grasos, y la síntesis de las sales biliares,
plasmalógenos y compuestos isoprenoides. El peróxido de hidrógeno es degradado por la
catalasa, enzima abundante en los peroxisomas. Los lisosomas y los peroxisomas se
denominan en conjunto microcuerpos. Los defectos en la formación de los peroxisomas
producen una serie de transtornos característicos (ver cuadro clínico).
 
Cuadro clínico
Enfermedades por defectos en la biogénesis de los peroxisomas
 
Las enfermedades producidas por defectos en la biogénesis de los peroxisomas tienen una incidencia aproximada de uno por cada
50 000 nacimientos. El primero de estos trastornos se informó en 1964 y se le conoce como síndrome de Zellweger, aunque existen
fenotipos menos graves como la adrenoleucodistrofia neonatal y la enfermedad de Refsum infantil. Todos ellos se heredan en forma
autonómica recesiva y los pacientes se caracterizan por tener ausencia de peroxisomas, o bien presentar estructuras descritas como
“fantasmas de peroxisomas” que son estructuras formadas por las membranas peroxisomales, pero que carecen de las enzimas
propias de este organelo. Los defectos en la biogénesis de los peroxisomas se producen por mutaciones en alguno de los genes
pexin (PEX), que son esenciales para el ensamblaje funcional de los peroxisomas, y que dan lugar a trastornos que se manifiestan
desde el periodo gestacional tales como migración anormal de las neuronas, daño al sistema nervioso central y diferentes tipos de
malformaciones craneofaciales. Los pacientes pueden mostrar un retraso psicomotor severo además de anomalías en hígado y
riñón, por lo que es frecuente que mueran durante el primer año de vida. Las pruebas bioquímicas muestran que los pacientes
afectados por este problema presentan niveles elevados de ácidos grasos de cadena muy larga y niveles muy bajos de
plasmalógenos en las membranas.
 
 
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Las mitocondrias: fuente de energía de las células
eucarióticas aeróbicas
En el citoplasma de las células eucarióticas se observan organelos membranosos muy
prominentes; tienen diámetro aproximado de 1 µm, semejante al de las bacterias, y se les
conoce como mitocondrias (figura 1-12). Son muy variables en forma, número y
localización, aspectos que dependen del tipo de célula o la función del tejido de donde
provienen. La mayoría de las células contienen desde cientos hasta miles de estos
organelos; las células con más actividad metabólica tienen un mayor número de ellos.
 
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Figura 1-12. Estructura de la mitocondria. A) Esquema que muestra los principales componentes que conforman
las mitocondrias. B) Corte obtenido mediante microscopia electrónica de la ultraestructura de una mitocondria de
corazón de ratón y la reconstrucción del volumen de la misma mediante tomografía electrónica. C) En gris se
muestra la membrana externa y en azul claro la membrana interna y las crestas mitocondriales, los espacios
vacíos corresponden a la matriz mitocondrial. Esquema (A) elaborado por Mariana Ruíz Villarreal bajo licencia de
Creative Commons y (B-C) generadas por Tobias Brandt; y obtenidas de BMC Biology (2015)13:89, bajo licencia
de Creative Commons.
 
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Las mitocondrias presentan un sistema de doble membrana. La membrana externa es
lisa y rodea por completo el organelo, mientras que la interna se pliega formando crestas,
lo que aumenta en gran medida su superficie. El compartimiento delimitado por la
membrana interna se llama matriz mitocondrial; y es una solución concentrada de
numerosas enzimas e intermediarios químicos que participan en las reacciones para
liberar la energía contenida en los nutrimentos. Las mitocondrias contienen enzimas que,
actuando en conjunto, catalizan la oxidación de nutrimentos orgánicos con requerimiento
absoluto de oxígeno; algunas de estas enzimas se encuentran suspendidas en la matriz o
en el espacio intermembranoso y otras están embebidas en las membranas. La energía
química liberada en las reacciones de oxidación mitocondrial se utiliza para la síntesis de
ATP, la molécula transportadora de energía más importante para la célula. En las células
aerobias, las mitocondrias son la principal fuente de ATP, molécula que alcanza todos los
sitios en donde se requiere energía para el trabajo celular. La síntesis y la ruptura química
del ATP en ADP + fosfato es la reacción celular más importante, pues libera energía
indispensable para la realización de importantes funciones celulares.
Adiferencia de los otros organelos como los lisosomas y el aparato de Golgi, las
mitocondrias sólo se reproducen por división de otras mitocondrias ya existentes. Las
mitocondrias contienen sus propios DNA, RNA y ribosomas. El DNA mitocondrial
codifica algunas proteínas o subunidades de su membrana interna, por lo que la mayor
parte de esas proteínas son codificadas por el DNA nuclear. Ésta y otras evidencias
apoyan la teoría de que las mitocondrias son descendientes de bacterias aerobias que
vivieron en simbiosis con las células eucarióticas primitivas.
 
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Citoesqueleto
Con el microscopio electrónico se pueden observar diferentes tipos de filamentos de
naturaleza proteínica, distribuidos de manera amplia en el citoplasma de las células
eucarióticas, formando una malla tridimensional llamada citoesqueleto, que es necesaria
para mantener la forma de la célula (figura 1-13). Existen tres tipos de filamentos
citoplasmático: filamentos de actina, también denominados “filamentos delgados”,
filamentos intermedios y los microtúbulos o “filamentos gruesos” los cuales son
diferentes en su diámetro (6 a 25 nm), composición proteínica y función, pero todos ellos
participan en la organización del citoplasma y en la estructura de la célula. Cada uno de
los filamentos citoplasmático está compuesto por subunidades de proteínas simples que
se polimerizan para formar filamentos de grosor uniforme. Los filamentos no son
estructuras permanentes, sino que sufren constantes cambios debido a la polimerización-
despolimerización dinámica de sus subunidades monoméricas. Su ubicación dentro de la
célula no está fijada de manera rígida, pero durante la mitosis, la citocinesis y el cambio
de forma celular, se organizan los filamentos en sitios específicos en el citoplasma.
 
 
Figura 1-13. Tres tipos de filamentos citoplasmático. La parte superior corresponde a microfotografías de
fluorescencia de anticuerpos marcados específicos para cada tipo de filamento. Las microfotografías inferiores
corresponden a la imagen en microscopia electrónica de los filamentos. A) actina. B) microtúbulos. C) filamentos
intermedios.
 
La importancia de la polimerización y despolimerización de la actina salta a la vista
cuando se observa el efecto de la molécula que bloquea su polimerización. Cuando una
célula se trata con citocalasina pierde su capacidad de realizar citocinesis, fagocitosis y
movimiento ameboide, entre otras funciones.
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La filamina y la fodrina son proteínas que entrecruzan los filamentos de actina,
estabilizan la malla y aumentan la viscosidad del medio en el cual se encuentran. In vitro,
una solución de actina, en presencia de filamina, se hace tan viscosa que no puede
vaciarse del recipiente que la contiene. Un gran número de filamentos de actina se unen a
proteínas que se localizan por debajo de la membrana plasmática, con lo que participan
en la forma y rigidez de la superficie celular. Los filamentos de actina se unen a una
familia de proteínas llamadas miosinas, enzimas que utilizan la energía liberada por la
hidrólisis del ATP para moverse a lo largo de los filamentos.
La función probable de los filamentos intermedios es proporcionar soporte mecánico a
la célula y fijar la posición de los distintos organelos, proporcionan la rigidez necesaria a
los axones de las neuronas. Los filamentos intermedios que componen el grupo de las
queratinas, una familia de proteínas estructurales, son muy visibles en algunas células
epidérmicas de los vertebrados; forman una malla, con numerosos entrecruzamientos, y
permanecen aun cuando la célula muere. Entre algunas de estas estructuras se
encuentran el cabello, uñas, plumas y cuernos.
Por su parte, los microtúbulos se distribuyen en toda la célula, aunque bajo ciertas
condiciones se concentran en regiones específicas; por ejemplo, cuando las cromátides
hermanas se mueven hacia los extremos de la célula, el huso acromático proporciona el
andamiaje y quizá la fuerza motriz para que ocurra la separación de las cromátides, en un
proceso que ya se ha comprobado; cuando se incuban con colchicina (un alcaloide
tóxico), se bloquea el movimiento de las cromátides durante la mitosis.
 
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Cilios y flagelos
Los cilios y los flagelos son estructuras móviles (figura 1-14) que se proyectan desde la
superficie de células animales, protozoarios y hongos. Todos tienen la misma estructura
básica; sin embargo, los flagelos de las bacterias son por completo diferentes a los de las
células eucarióticas. Los cilios y flagelos de las células eucarióticas contienen nueve pares
de microtúbulos fusionados, localizados alrededor de un par central de microtúbulos, por
lo que se describen como una estructura de nueve pares +2. El movimiento de estas
estructuras se debe al deslizamiento coordinado de los dobletes externos respecto de los
otros dobletes de microtúbulos, proceso mediado por la energía de hidrólisis de ATP. Los
cilios y flagelos permiten por ejemplo, el movimiento de los protozoarios para la
búsqueda de alimento y luz. Los espermatozoides que también tienen un flagelo, son
propulsados por el movimiento flagelar. Las células ciliadas de algunos órganos y tejidos
como la tráquea, desplazan líquidos y cuerpos extraños de su superficie mediante el
movimiento coordinado de sus cilios. Las alteraciones en el funcionamiento o estructura
de los cilios y flagelos tienen manifestaciones clínicas características (ver cuadro clínico
siguiente).
 
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Figura 1-14. Esquema representando la estructura interna de un cilio o flagelo. Las micrografías electrónicas
muestran un flagelo normal (izquierda) y un flagelo disfuncional (derecha) por ausencia de los brazos interno y
externo de la dineína. Dibujo elaborado por Mariana Ruíz Villarreal bajo licencia de Creative Commons;
micrografías electrónicas adaptadas con permiso de Macmillan Publishers Ltd: Leigh MW et al. Genetics in
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Medicine (2009)11:473.
 
Cuadro clínico
Discinesia ciliar primaria, una ciliopatía hereditaria
 
La discinesia ciliar primaria (DCP) es un trastorno congénito que se caracteriza por manifestar defectos en la ultraestructura de los
cilios y flagelos, lo que provoca una disfunción en su movilidad. El primer caso se informó a principios del siglo XX y se le
denominó síndrome de Kartagener, aunque a continuación quedó establecido que todos los síntomas de este síndrome eran
consecuencia de una ciliopatía. Estos trastornos pueden incluir desde ausencia o anomalía en el batido de cada cilio o bien, falta de
batido unidireccional de los cilios en su conjunto. Son múltiples las alteraciones genéticas que pueden provocar esta patología,
aunque la más notable y que permite realizar el diagnóstico en muchos de los casos, es la ausencia de los brazos de la dineína, un
complejo de proteínas que forma puentes temporales entre los filamentos ciliares, y contribuye a generar los movimientos de los
cilios y flagelos (figura 1-14). Este trastorno es hereditario con un patrón autonómico recesivo y una incidencia del orden de un
nacimiento por cada 15 000 en la población general. Las manifestaciones clínicas de este trastorno van desde un aumento en las
infecciones del aparato respiratorio (con neumonías recurrentes), rinosinusitis crónica, otitis y trastornos de la audición, hasta
infertilidad por producir espermatozoides cuyos flagelos presentan una movilidad limitada o nula. Las alteraciones de la movilidad
de los cilios comprometen el aclaramiento mucociliar, uno de los mecanismos de defensa de las vías respiratorias, y explica la
mayor incidencia de infecciones.
Un trastorno frecuente en pacientes con DCP, es el que se conoce como “situs inversus”, en donde los órganos internos se
colocan del lado opuesto, como si se tratara de una imagen de espejo. El situs inversus se presenta en cerca de la mitad de los
pacientes con DCP porque durante el desarrollo embrionario, se requiere el movimiento ciliarpara establecer la asimetría visceral, y
en su ausencia, el azar parece ser el factor determinante para definir si las vísceras tomarán su orientación normal, o una orientación
reversa izquierda-derecha. En ausencia de “situs inversus”, el diagnóstico de DCP no es fácil porque su fenotipo clínico es amplio
y se superpone con otras enfermedades crónicas de las vías aéreas. En la mayoría de estos pacientes, está indicado el tratamiento
con antibióticos para tratar las infecciones respiratorias, así como el uso de broncodilatadores y antiinflamatorios por vía
inhalatoria.
 
 
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Utilidad de las células y de los organismos en estudios
bioquímicos
Tal y como se ha demostrado, todas las células derivan de un mismo ancestro común y
comparten semejanzas fundamentales. Los estudios bioquímicos de diversos tipos de
células, aun cuando muestran diferencias en detalles y presentan en apariencia
variaciones significativas, establecen principios universales aplicables a todos los seres
vivos. Ciertas células, tejidos y organismos son más manejables para los estudios
bioquímicos. En general, los conocimientos vertidos en este libro se derivan de estudios
realizados en algunos tejidos y organismos, como la bacteria Escherichia coli, la
levadura Saccharomyces, el hígado de rata y el músculo esquelético de diferentes
vertebrados.
Para el aislamiento y caracterización de ciertas moléculas como las enzimas, es
recomendable iniciar con una abundante cantidad de material homogéneo, ya que con
frecuencia el rendimiento (cantidad final de material purificado) es de algunos miligramos
cuando mucho. El estudio del material genético requiere de una fuente no sólo
homogénea, sino también de forma genética y bioquímica idéntica, lo que al término del
aislamiento y caracterización no dejará duda de la naturaleza y pureza de las moléculas
analizadas y de los resultados obtenidos. Otra fuente abundante de células semejantes,
aunque no idénticas, son los tejidos del mismo tipo, como el hígado obtenido de animales
de laboratorio como la rata. Una fuente más de material para estudios bioquímicos es el
cultivo de células de un mismo origen.
Algunos tejidos especializados son importantes fuentes de las moléculas que utilizan
para realizar su función, como el músculo esquelético, que es en especial rico en
moléculas de actina y miosina; las células pancreáticas, ricas en retículo endoplasmático;
las espermáticas, con abundancia de DNA y de proteínas flagelares, entre otras. Son las
moléculas más utilizadas por los bioquímicos interesados en dichos campos para realizar
sus investigaciones. En algunas ocasiones, el material de estudio se selecciona con base
en su simplicidad estructural o funcional; por ejemplo, para trabajos sobre la membrana
plasmática, el eritrocito es el favorito, ya que no contiene estructuras membranosas
internas que compliquen la purificación de la membrana plasmática. Algunos
bacteriófagos (virus bacterianos) contienen sólo algunos genes, ya que en comparación
con el DNA humano, tales virus presentan una gran simplicidad.
 
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Centrifugación diferencial
Un gran avance en los estudios de la bioquímica celular fue el desarrollo de métodos que
permitieron aislar los organelos a partir del citoplasma celular y separarlos entre sí (figura
1-15). En un proceso típico de fraccionamiento celular, las células y los tejidos se rompen
por homogenización en un medio que contiene sacarosa a una concentración de 250
mM. Este procedimiento rompe la membrana plasmática, pero deja casi todos los
organelos subcelulares intactos, ya que la sacarosa es un medio con una presión osmótica
semejante a la que soportan los organelos; esto equilibra la entrada y la salida de agua por
ósmosis, y evita que los organelos se hinchen, previniendo la ruptura de sus membranas
y la liberación de su contenido, con lo que dejarían de funcionar.
 
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Figura 1-15. Esquema que ilustra el procedimiento de obtención de los componentes celulares por el método de
centrifugación diferencial. La fuerza centrífuga aplicada es el múltiplo de veces que se aplica la fuerza de
gravedad de la tierra (g). 1) Homogenización del tejido cortado en pequeños fragmentos; (2 a 4) centrifugación
con diferentes condiciones de fuerza de gravedad y tiempo.
 
Los organelos, como el núcleo, las mitocondrias y los lisosomas, difieren en tamaño y,
por lo tanto, se sedimentan a distintas velocidades de centrifugación, así como en su
densidad relativa, y al someterlos a medios de diferente concentración (gradiente de
densidad) “flotan” a distintos valores de densidad. La centrifugación diferencial permite
un fraccionamiento grueso de los organelos, por lo que es necesaria la centrifugación en
gradiente de densidad (centrifugación isopícnica), que facilita la obtención de organelos
purificados y permite el estudio de las funciones y actividades de cada fracción. El
aislamiento de los organelos en especial enriquecidos con una actividad enzimática es en
muchos casos el primer paso para la purificación de enzimas.
 
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Estudios in vitro
Uno de los enfoques más eficaces para comprender los procesos biológicos es estudiar
las moléculas aisladas. Los componentes purificados son útiles para la caracterización
detallada de sus propiedades fisicoquímicas, sin la interferencia de otras moléculas
presentes en la célula. A pesar de ser un procedimiento productivo, se debe recordar que
el medio externo de la célula es del todo distinto al del tubo de ensayo. Los compuestos
que “interfieren” pueden ser críticos para la regulación de la función biológica o la
regulación de la molécula purificada.
Por ejemplo, los estudios de la actividad de las enzimas se realizan con concentraciones
muy bajas de la enzima, en medios de incubación acuosos muy bien mezclados; en la
célula, en cambio, las enzimas se encuentran suspendidas en un medio tipo gel, junto con
otras miles de proteínas, algunas de las cuales se unen a las enzimas y modifican o
regulan su actividad. Dentro de la célula, algunas enzimas son parte de complejos
multienzimáticos en los cuales los reactivos se canalizan de una enzima a otra, sin pasar
necesariamente al solvente presente en el medio. La difusión es retardada por la
estructura tipo gel del citoplasma y por la diferente composición del citoplasma en una
parte de la célula respecto de otra. Uno de los retos más importantes de la bioquímica es
comprender la influencia de la organización celular y las asociaciones macromoleculares
en el funcionamiento de enzimas individuales y de las vías metabólicas completas.
 
Preguntas de reforzamiento
1 La primera persona que documento observaciones de células bacterianas fue:
 
a) Robert Hooke
b) Hans y Sacharias Jensen
c) Antonie van Leeuwenhoek
d) Matthias Schleiden y Theodor Schwann
2 Hace cuantos millones de años se estima que surgieron las células eucarióticas:
 
a) 4 500
b) 4 200
c) 2 000
d) 1 000
3 Una de las pruebas determinantes por las que se considera que las mitocondrias se originaron a partir de una bacteria ancestral
es:
 
a) Porque sus genes ribosomales tienen mayor similitud a los de bacterias que a los localizados en el nucleo
b) Porque presentan un tamaño similar al de las bacterias
c) Porque presentan una doble membrana
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d) Porque su membrana interna es sumamente impermeable
4 El factor principal que limita el volumen máximo que puede alcanzar una célula es:
 
a) Velocidad de difusión de los nutrientes
b) Velocidad de difusión del agua
c) Número de genes que posee
d) Tipo de alimentación
5 Es el componente cuya función principal es estabilizar la estructura de la membrana plasmática:
 
a) Fosfolípidos
b) Colesterol
c) Proteínas
d) Carbohidratos
6 Es el componente de la membrana que participa mayoritariamente en las funciones de reconocimiento celular:
 
a) Fosfolípidos
b) Colesterol
c) Proteínas
d) Carbohidratos
7 Sitio específico en donde se lleva a cabola síntesis del RNA ribosomal:
 
a) Nucleolo
b) Nucleoide
c) Envoltura nuclear
c) Cromosomas
8 Organelo en donde se realiza la biosíntesis de los lípidos de membrana:
 
a) Retículo endoplasmático rugoso
b) Aparato de Golgi
c) Peroxisomas
d) Retículo endoplasmático liso
9 Sitio en donde se realiza la biosíntesis de las proteínas de membrana:
 
a) Retículo endoplasmático rugoso
b) Aparato de Golgi
c) Peroxisomas
d) Retículo endoplasmático liso
10 Sitio en donde las proteínas de membrana se etiquetan para ser empacadas en vesículas de secresión específicas:
 
a) Retículo endoplasmático rugoso
b) Aparato de Golgi
c) Peroxisomas
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d) Retículo endoplasmático liso
11 Organelo celular cuyas enzimas son activas únicamente en medio ácido (pH ≤ 5):
 
a) Mitocondria
b) Aparato de Golgi
c) Peroxisomas
d) Lisosoma
12 Organelo celular que posee su propio DNA y maquinaria para la síntesis de proteínas:
 
a) Mitocondria
b) Aparato de Golgi
c) Peroxisomas
d) Lisosoma
Respuestas: 1. c, 2. c, 3. a, 4. a. 5. b, 6. d, 7. a, 8. d. 9. a, 10. b, 11. d, 12. a.
 
Referencias
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