Capítulo 1: Introducción al estudio de la biología celular y molecular

Las células y sus estructuras son demasiado pequeñas para observarlas, escucharlas o tocarlas de manera directa. Pese a este notable inconveniente, las células son objeto de cientos de miles de publicaciones cada año, con análisis cuidadoso de casi todos los aspectos de su minúscula estructura. De muchas maneras, el estudio de la biología celular y molecular prevalece como tributo a la curiosidad humana y a su inteligencia creativa para diseñar instrumentos complejos y técnicas de investigación. Lo anterior no implica que los expertos en biología celular tengan el monopolio de estos nobles rasgos. En un extremo del espectro científico, los astrónomos utilizan un telescopio en órbita para captar imágenes de galaxias primordiales tan lejanas de la Tierra que se observan como existieron hace 13 mil millones de años, unos cuantos millones de años después del big bang. En el otro extremo, los físicos nucleares han hecho que los protones choquen entre sí a una velocidad cercana a la de la luz, confirmando de esta manera la existencia de una partícula hipotética (el boson de Higgs) que al parecer proporciona masa a las otras partículas subatómicas. Desde luego, el universo está formado por mundos dentro de otros mundos, lo cual hace fascinante su estudio.

Como se advierte en este libro, la biología celular y molecular es reduccionista, es decir, se basa en el razonamiento de que el conocimiento de las partes puede explicar el carácter del todo. Desde este punto de vista, la percepción de las maravillas y los misterios de la vida pueden reemplazarse por la necesidad de explicar todo en términos de los mecanismos de la “maquinaria” del sistema viviente. En la medida en que esto ocurra, se espera que la pérdida que ocasiona tal reduccionismo pueda sustituirse por una apreciación no menos importante de la belleza y complejidad de los mecanismos que subyacen la actividad celular.

Las células, por su pequeño tamaño, sólo pueden observarse con la ayuda de un microscopio, instrumento que aumenta la imagen de un objeto diminuto. No se sabe cuándo los seres humanos comenzaron a fabricar vidrios con superficies curvas para desviar la luz y formar imágenes. Los primeros espéculos se produjeron en Europa en el siglo xiii y los microscopios ópticos compuestos (de dos lentes) originales se construyeron a finales del siglo xvi. A mediados del siglo xvii, muchos científicos pioneros utilizaron sus microscopios caseros para descubrir un mundo que nunca se había revelado a simple vista. El descubrimiento de las células (fig. 1.1a) se acredita por lo general a Robert Hooke, un microscopista inglés a quien a la edad de 27 años le fue concedida la posición de curador de la Royal Society of London, la primera academia científica de Inglaterra. Una de las muchas preguntas que Hooke intentó responder fue por qué los tapones de corcho (parte de la corteza de los árboles) eran tan adecuados para contener el aire dentro de una botella. En 1665 escribió: “tomé un buen pedazo de corcho limpio y con un cuchillo tan afilado como una navaja de afeitar corté un pedazo y … al examinarlo con un microscopio percibí que tenía una apariencia porosa… muy semejante a la de un panal de abejas”. Hooke llamó a los poros células, porque se asemejaban a las celdas habitadas por los monjes de un monasterio. En la actualidad se sabe que observó paredes celulares vacías de tejido vegetal muerto, elaboradas por las células vivas a las cuales rodeaban.

Mientras tanto, Anton van Leeuwenhoek, un mercader holandés que se ganaba la vida vendiendo ropa y botones, dedicaba su tiempo libre a tallar lentes y construir microscopios de gran calidad (fig. 1.1b). Durante 50 años, Leeuwenhoek envió cartas a la Royal Society of London en las que describió sus observaciones microscópicas, junto con una explicación incoherente de sus hábitos diarios y su estado de salud. Fue el primero en examinar una gota de agua estancada bajo el microscopio y para su asombro, observó gran cantidad de “animalículos” en el campo del microscopio, que iban y venían ante sus ojos. También fue el primero en describir bacterias de diferentes formas presentes en agua utilizada para remojar pimienta y en residuos de sus dientes. Sus cartas iniciales remitidas a la Royal Society, en las que describe este mundo todavía no descubierto, se tomaron con tal escepticismo que la sociedad mandó a su curador, Robert Hooke, para confirmar las observaciones; él hizo justamente eso, y Leeuwenhoek se convirtió de inmediato en una celebridad mundial y fue visitado en Holanda por Pedro el Grande de Rusia y la reina de Inglaterra.

No fue sino hasta la década de 1830 que se difundió la importancia de las células. En 1838 Matthias Schleiden, un abogado alemán que se convirtió en botánico, concluyó que a pesar de la diferencia en la estructura de varios tejidos, las plantas estaban hechas de células y que un embrión vegetal provenía de una de dichas estructuras. En 1839 Theodor Schwann, un zoólogo alemán colega de Schleiden, publicó un informe detallado sobre las bases celulares del mundo animal. Concluyó que las células de plantas y animales son estructuras similares y propuso los dos siguientes postulados de la teoría celular:

• Todos los organismos están compuestos de una o más células.

• La célula es la unidad estructural de la vida.

Las ideas de Schleiden y Schwann sobre el origen de las células son menos profundas; ambos estaban de acuerdo en que éstas podrían provenir de materiales acelulares. Dada la importancia que tuvieron estos dos investigadores en el mundo científico, fue necesario que pasaran muchos años para que se aceptaran las observaciones de otros biólogos que indicaban que las células no aparecían por generación espontánea. En 1855, el patólogo alemán Rudolf Virchow formuló un argumento convincente para el tercer postulado de la teoría celular:

• Las células sólo pueden surgir de la división de una célula preexistente.

Las células, así como las plantas y los animales, tienen vida. Ésta, de hecho, es la propiedad básica de las células, las unidades más pequeñas que poseen dicha propiedad. A diferencia de sus partes, las cuales se deterioran si se encuentran aisladas, las células completas de una planta o animal pueden cultivarse en un laboratorio, donde se multiplican y crecen durante periodos prolongados. Pueden morir si no se les trata de modo adecuado. La muerte puede considerarse una de las propiedades básicas de la vida, porque sólo una entidad viva enfrenta este evento. Es importante señalar que las células dentro del organismo mueren casi siempre “por su propia mano”, es decir, son víctimas de un programa interno mediante el cual aquellas que ya no son necesarias o las que tienen el riesgo de tornarse malignas se eliminan a sí mismas.

El primer cultivo de células humanas lo iniciaron George y Martha Gey de la Johns Hopkins University en 1951. Las células se obtuvieron de un tumor maligno que provenía de Henrietta Lacks, por lo cual se denominaron células HeLa. Éstas, generadas por división celular de esa primera muestra, continúan siendo cultivadas en la actualidad en diferentes laboratorios del mundo (fig. 1.2). Como son más fáciles de estudiar que las que se hallan dentro del organismo, las células que crecen in vitro (p. ej., fuera del organismo) se han convertido en una herramienta esencial para los expertos en biología celular y molecular. De hecho, mucha de la información que se revisa en este libro se obtuvo de células cultivadas en laboratorio.

La exploración de las células comienza con el análisis de algunas de sus propiedades fundamentales.

Las células son muy complejas y organizadas

La complejidad es una propiedad clara cuando se manifiesta, sin embargo, es difícil de describir. En la actualidad es posible pensar en la complejidad en términos de orden y consistencia. Cuanto más compleja es una estructura, más son las partes que deben estar colocadas de manera adecuada, menor es la tolerancia a errores en la naturaleza de las partes y a interacciones entre éstas y mayor es la regulación o el control que se debe ejercer para mantener el sistema. Las actividades celulares pueden ser muy precisas. Por ejemplo, la replicación del ácido desoxirribonucleico (DNA; deoxyribonucleic acid) se realiza con una tasa de error inferior a un desacierto por cada 10 millones de nucleótidos incorporados, y la mayoría de dichas equivocaciones se corrige con rapidez mediante un intrincado mecanismo de reparación que reconoce defectos.

A lo largo de este libro se considera la complejidad de la vida en diferentes niveles. Se describen la organización de átomos dentro de moléculas pequeñas, la disposición de éstas en polímeros gigantes y el arreglo de éstos en complejos, los cuales a su vez están dispuestos dentro de organelos subcelulares y células. Como se observa, existe una gran consistencia en todos los niveles. Cada tipo de célula tiene un aspecto consistente cuando se observa bajo un microscopio electrónico de alta resolución, es decir, sus organelos tienen forma y ubicación particulares entre los individuos de una especie determinada. De manera semejante, cada tipo de organelo muestra una composición constante de macromoléculas que están ordenadas siguiendo un patrón predecible. Considérense a las células intestinales que se encargan de absorber los nutrientes en el tubo digestivo (fig. 1.3).

Las células epiteliales que recubren el intestino están unidas de manera estrecha y son semejantes a los ladrillos de una pared. Sus extremos apicales, que están en contacto con la luz, tienen elongaciones (microvellosidades) que facilitan la absorción de nutrimentos. Éstas son capaces de proyectarse a la superficie apical porque contienen un citoesqueleto interno constituido por filamentos compuestos de monómeros proteínicos (de actina) polimerizados en una disposición característica. En su extremo basal, las células intestinales poseen una gran cantidad de mitocondrias que proveen la energía necesaria para sustentar varios procesos de transporte a través de la membrana. Cada mitocondria está compuesta por un patrón definido de membranas internas, las cuales a su vez están formadas por un arreglo consistente de proteínas que incluye un mecanismo de síntesis de trifosfato de adenosina (ATP; adenosine triphosphate). Esta maquinaria que protruye de la membrana interna es regulada por un gradiente eléctrico y tiene una conformación similar a la de una barra con una esfera en su extremo. Cada uno de estos niveles de organización se ilustra en los recuadros de la figura 1.3.

Por fortuna para los especialistas en biología celular y molecular, la evolución avanza con lentitud en los niveles de la organización biológica que les interesa. Por ejemplo, mientras que un ser humano y un gato tienen características anatómicas muy diferentes, las células y los organelos que conforman sus tejidos son semejantes. El filamento de actina que se representa en el recuadro 3 de la figura 1.3, y la enzima ATP sintasa que se observa en el recuadro 6, tienen estructuras idénticas en diferentes organismos (p. ej., humanos, caracoles, levaduras y secuoyas). La información obtenida del estudio de las células de un tipo de organismo tiene a menudo aplicaciones directas en otras formas de vida. Muchos de los procesos más elementales, como la síntesis de proteínas, la conversión de energía química o la construcción de una membrana, son muy parecidos en todos los seres vivientes.

Las células poseen un programa genético y los medios para usarlo

Los organismos están estructurados con base en la información codificada en un conjunto de genes, los cuales están compuestos de DNA. El programa genético humano contiene suficiente información para llenar millones de páginas de un texto, si se codificara en letras. Resulta relevante que esta gran cantidad de información esté empaquetada dentro de un grupo de cromosomas que ocupan el espacio del núcleo celular: cientos de veces más pequeño que el punto de esta letra i.

Los genes son más que gavetas para almacenar información: constituyen los planos para construir las estructuras celulares, las instrucciones para llevar a cabo las actividades de las células y la programación necesaria para que éstas se dupliquen. La estructura molecular de los genes permite, mediante cambios en la información genética (mutaciones), que exista variación entre individuos, lo cual forma la base de la evolución biológica. El descubrimiento de los mecanismos mediante los cuales las células usan y transmiten su información genética es uno de los logros más grandes de la ciencia en las últimas décadas.

Las células son capaces de producir más de ellas mismas

Las células individuales se generan al igual que los organismos completos por reproducción. Las células se reproducen por división, un proceso en el cual el contenido de una célula “madre” se distribuye dentro de dos células “hijas”. Antes de la división, los cromosomas se duplican con éxito y cada célula hija comparte la misma información genética. En la mayoría de los casos, las dos células hijas tienen el mismo volumen. Sin embargo, en ocasiones (p. ej., cuando un ovocito humano experimenta meiosis), una de las células retiene casi todo el citoplasma, aunque ésta reciba sólo la mitad del material genético (fig. 1.4).

Las células obtienen y utilizan energía

Todos los procesos biológicos requieren del consumo de energía. De manera virtual, toda la energía necesaria para la vida en la superficie de la Tierra proviene de la radiación electromagnética del Sol. Ésta es captada por los pigmentos que absorben luz, los cuales están presentes en las membranas de las células fotosintéticas (fig. 1.5). La energía luminosa se convierte mediante fotosíntesis en energía química, que se almacena en forma de carbohidratos ricos en energía, como el almidón y la sacarosa. Para la mayoría de las células animales, la energía llega a menudo empacada en forma de glucosa. En los humanos, la glucosa se libera del hígado y llega a la sangre, en la cual circula en el cuerpo y libera energía química para todas las células. Una vez dentro de ellas, la glucosa se desensambla de tal manera que su contenido energético se pueda almacenar en forma de energía disponible y rápida (por lo general como ATP), la cual se utilizará más tarde para el funcionamiento de las innumerables actividades celulares. Las células invierten una enorme cantidad de energía tan sólo en degradar y reconstruir las macromoléculas y los organelos que las componen. Este continuo “recambio” mantiene la integridad de los componentes celulares a pesar de los inevitables procesos de desgaste y rotura, y permite a la célula reaccionar con rapidez a las condiciones cambiantes.

Las células llevan a cabo diferentes reacciones químicas

Las células funcionan como plantas químicas en miniatura. Aunque la célula bacteriana más simple es capaz de realizar cientos de transformaciones químicas diferentes, ninguna de ellas ocurre a una velocidad significativa en el mundo inanimado. Por lo general todos los cambios químicos que suceden en las células necesitan enzimas, moléculas que incrementan la velocidad a la que ocurre una reacción química. La suma total de las reacciones químicas en una célula representa el metabolismo celular.

Las células se ocupan de numerosas actividades mecánicas

Las células representan lugares de actividad incesante. Los materiales se transportan de un lugar a otro, las estructuras se acoplan y desacoplan con rapidez y, en muchos casos, la célula entera se mueve por sí misma de un punto a otro. Estas actividades se basan en cambios intracelulares mecánicos y dinámicos, la mayoría de los cuales inicia por transformaciones estructurales de proteínas “motoras”. Éstas son sólo uno de los muchos tipos de “maquinarias” moleculares empleadas por las células para llevar a cabo actividades mecánicas.

Las células son capaces de reaccionar a estímulos

Algunas células responden a estímulos de manera obvia; por ejemplo, un protista unicelular se mueve lejos de un objeto que está en su camino o se dirige hacia una fuente de nutrimentos. Las células que conforman una planta o un animal multicelulares no reaccionan a estímulos de modo tan elemental. La mayor parte de las células está cubierta de receptores que interactúan con sustancias en el ambiente en una forma muy específica. Las células poseen receptores para hormonas, factores de crecimiento, materiales extracelulares y sustancias localizadas en la superficie de otras células. Éstos proveen vías a través de las cuales los agentes externos pueden iniciar reacciones específicas en una célula diana. Las células pueden responder a estímulos específicos por medio de la alteración de su actividad metabólica, al prepararse para la división celular, al moverse de un lugar a otro o destruyéndose a sí mismas.

Las células son capaces de autorregularse

En años recientes se ha acuñado un término para describir a las células: robustez. Las células son robustas, es decir, vigorosas o duraderas, porque están protegidas de fluctuaciones peligrosas en su composición y comportamiento. En caso de ocurrir tales cambios, se activan circuitos específicos de retroalimentación que devuelven a la célula al estado apropiado. Además de necesitar energía, el mantenimiento de un estado complejo y ordenado exige regulación constante. La importancia de los mecanismos de regulación celular es más evidente cuando las células se dañan. Por ejemplo, la falla de una célula para corregir un error cuando duplica su DNA puede crear una mutación que la debilita o una alteración en el control de crecimiento celular que puede transformar a la célula en una célula cancerosa con la capacidad para destruir a todo el organismo. Poco a poco se conoce más acerca de la forma en que la célula controla estas actividades, pero falta mucho por descubrir.

Considérese el siguiente experimento que llevó a cabo en 1891 Hans Driesch, un embriólogo alemán. Él encontró que podía separar por completo las primeras dos o cuatro células de un embrión de erizo de mar y que cada una de ellas era capaz de desarrollar un embrión normal (fig. 1.6). ¿Cómo puede una célula, que por lo general está destinada a formar sólo una parte del embrión, regular sus propias actividades y formar un embrión entero?, ¿de qué forma la célula aislada reconoce la ausencia de sus vecinas y reorienta el curso de su desarrollo celular?, ¿cómo puede una parte del embrión tener un sentido global? Hasta el momento no es posible mejorar las respuestas que se dieron hace más de 100 años, cuando se realizó este experimento.

En este libro se describen procesos que requieren diversos pasos ordenados, muchos de los cuales son parecidos a las líneas de ensamble en el armado de un automóvil, donde los trabajadores acoplan, remueven o hacen ajustes específicos conforme el ensamblaje del auto avanza. En la célula, la información para el diseño de productos reside en los ácidos nucleicos y los trabajadores de la construcción son sobre todo las proteínas. Más que ningún otro factor, la presencia de estos dos tipos de macromoléculas aparta a la química celular del mundo inerte. En la célula los trabajadores tienen que actuar sin el beneficio de la dirección consciente. Cada paso de un proceso debe ocurrir de modo espontáneo, de forma que el siguiente paso se activa de manera automática. En muchos sentidos, la célula opera de un modo análogo al artilugio para exprimir una naranja descubierto por “el profesor” y que se muestra en la figura 1.7. Cada tipo de actividad celular necesita un grupo único de máquinas y herramientas moleculares muy complejas: los productos de los periodos de selección natural y de la evolución biológica. El objetivo más importante de los biólogos es entender la estructura molecular y la función de cada uno de los componentes que intervienen en una actividad particular, los medios por los cuales estos componentes interactúan y los mecanismos que regulan dichas interacciones.

Las células evolucionan

¿Cómo surgieron las células? De todas las preguntas trascendentes formuladas por los biólogos, ésta es la que menos respuestas tiene. Se piensa que proceden de alguna forma de vida precelular, la cual a su vez se originó de materiales orgánicos inanimados que estuvieron presentes en los océanos primordiales. Sin embargo, el origen de las células está envuelto en un misterio total; su evolución puede estudiarse por medio del análisis de los organismos vivos de la actualidad. Si se observan las características de las células bacterianas que viven en el tubo digestivo de los seres humanos (fig. 1.18a) y las de una célula que forma parte de la pared del intestino (fig. 1.3), se percibirán notorias diferencias entre ambas. Sin embargo, las células en cuestión (al igual que otras presentes en organismos vivos) comparten innumerables características, como un código genético común y membranas plasmáticas y ribosomas similares. Según uno de los principios básicos de la biología moderna, todos los organismos vivientes evolucionaron a partir de una sola célula ancestral común que vivió hace 3 mil millones de años. Por haber sido el punto de partida de todos los organismos vivos se le denominó el último antepasado universal común (o LUCA; last universal common ancestor). En la sección llamada “Vías experimentales”, al final del capítulo, se revisan algunos sucesos ocurridos durante la evolución de las células. Es preciso tener en cuenta que la evolución no es tan sólo un hecho del pasado, sino un proceso dinámico que aún modifica las propiedades de las células que estarán presentes en organismos que todavía no aparecen.

Una vez que el microscopio electrónico estuvo disponible, los biólogos fueron capaces de examinar la estructura interna de una gran variedad de células. A partir de estos estudios se encontró que existen dos tipos básicos de células (procariotas y eucariotas) que se diferencian por su tamaño y sus estructuras internas u organelos (fig. 1.8). La existencia de dos clases distintas de células, sin intermediarios conocidos, constituye una de las divisiones de evolución más fundamentales en el mundo de la biología. Las células procariotas, que son más simples en términos estructurales, incluyen a las bacterias, mientras que las células eucariotas tienen una estructura más compleja e incluyen a los protistas, los hongos, las plantas y los animales.¹

No se sabe con certeza cuándo aparecieron las células procariotas por primera vez en la Tierra. La evidencia de vida procariota se obtuvo de rocas con cerca de 2 700 millones de años de edad. Estas rocas no contienen tan sólo microbios fosilizados, sino también moléculas orgánicas complejas que son características de tipos particulares de organismos procariotas, incluidas las cianobacterias. Es improbable que tales moléculas se sintetizaran de manera abiótica, esto es, sin la participación de células vivas. Las cianobacterias aparecieron hace casi 2 400 millones de años, cuando la atmósfera fue enriquecida con oxígeno molecular (O₂), un producto secundario de la actividad fotosintética de estos organismos. El comienzo de la era de las células eucariotas también está rodeado de incertidumbre. Los animales complejos aparecieron de forma más repentina en los registros fósiles hace unos 600 millones de años, pero hay muchas evidencias de que organismos eucariotas más simples estuvieron presentes en la Tierra más de 1 000 millones de años antes. El tiempo estimado de la aparición sobre la Tierra de algunos de los principales grupos de organismos se muestra en la figura 1.9. Una vista superficial de esta figura revela la manera en que la vida apareció “pronto” después de la formación de la Tierra y el enfriamiento de su superficie, así como el tiempo que tomó la subsecuente evolución de los animales complejos y las plantas.

Características que diferencian a las células procariotas de las eucariotas

La siguiente es una breve comparación entre células procariotas y eucariotas que hace evidentes muchas diferencias básicas entre ellas, así como bastantes similitudes (fig. 1.8). Las semejanzas y las diferencias que hay entre los dos tipos de células se muestran en el cuadro 1.1. Las propiedades que comparten reflejan que las células eucariotas casi con certeza evolucionaron a partir de antepasados procariotas. A causa de su ancestro común, ambos tipos de células poseen un lenguaje genético idéntico, un grupo de vías metabólicas común y muchas propiedades estructurales compartidas. Por ejemplo, los dos tipos celulares están limitados por membranas plasmáticas de estructura semejante que sirven como una barrera de permeabilidad selectiva entre los mundos vivo e inerte. Ambas clases pueden estar recubiertas por una pared celular rígida que protege la delicada vida de su interior. Aunque las paredes celulares de procariotas y de eucariotas pueden tener funciones semejantes, su composición química es muy diferente.

En su interior, las células eucariotas son mucho más complicadas (en cuanto a su estructura y función) que las procariotas (fig. 1.8). La diferencia de complejidad estructural es evidente en las micrografías electrónicas de una célula bacteriana y de una animal que se muestran en las figuras 1.18a y 1.10, de manera respectiva. Ambas contienen una región nuclear, la cual posee el material genético y está rodeada por citoplasma. El DNA de las procariotas está presente en un nucleoide: una región de la célula no bien delimitada, sin membrana, que lo separa del citoplasma circundante. En cambio, las eucariotas poseen un núcleo: una región separada por una estructura membranosa compleja llamada envoltura nuclear. Esta diferencia estructural es la base de los términos procariota (pro, antes; karyon, núcleo) y eucariota (eu, verdadero; karyon, núcleo). Las células procariotas contienen relativamente pequeñas cantidades de DNA; el contenido de dicha molécula en una bacteria oscila entre 600 000 y 8 millones de pares de bases, lo cual es suficiente para codificar de 500 a varios miles de proteínas.² Aunque una “simple” levadura de panadería tiene sólo un poco más DNA (12 millones de pares de bases que codifican cerca de 6 200 proteínas) que las procariotas más complejas, la mayor parte de las eucariotas posee mucha más información genética. Todas las células poseen cromosomas que contienen DNA. Las eucariotas muestran un número determinado de cromosomas separados, cada uno de los cuales tiene una sola molécula lineal de DNA. En cambio, casi todas las procariotas que se han estudiado contienen un cromosoma circular único. Lo más importante es que el DNA cromosómico de las eucariotas, a diferencia del de las procariotas, se relaciona de manera estrecha con proteínas para formar un material nucleoproteínico complejo que se conoce como cromatina.

El citoplasma de los dos tipos de células también es muy diferente. El de una eucariota se conforma con una gran diversidad de estructuras, como es evidente por el análisis de micrografías electrónicas de cualquier célula vegetal o animal (fig. 1.10). Incluso las levaduras, las células eucariotas más simples, son mucho más complejas que una bacteria promedio desde el punto de vista estructural (compárense las figs. 1.18a y b), aunque estos dos organismos poseen un número similar de genes. Las células eucariotas tienen una disposición de organelos limitados por membrana. Estos incluyen mitocondrias, donde la energía química está disponible para alimentar las actividades celulares; un retículo endoplásmico, donde se elaboran muchas proteínas y lípidos de la célula; el aparato de Golgi, el lugar en el que los materiales se clasifican, modifican y transportan a destinos específicos; y diferentes vesículas simples limitadas por membranas de tamaño variable. Las células vegetales muestran organelos membranosos adicionales, incluidos los cloroplastos (donde ocurre la fotosíntesis), y muchas veces una gran vacuola única que puede ocupar la mayor parte del volumen celular. Tomadas como un grupo, las membranas celulares eucariotas sirven para dividir el citoplasma en compartimientos, dentro de los cuales se llevan a cabo actividades especializadas. En cambio, el citoplasma de las células procariotas está libre, en esencia, de estructuras membranosas. Las membranas fotosintéticas complejas de las cianobacterias son una gran excepción a esta generalización (fig. 1.15).

Las membranas citoplásmicas de las células eucariotas forman un sistema de conductos interconectados y vesículas que sirven para el transporte de sustancias de una parte a otra de la célula y entre su interior y el ambiente. A causa de su tamaño pequeño, la comunicación intracitoplásmica directa es menos importante en las células procariotas, en las que el flujo de materiales puede efectuarse por difusión simple.

Las células eucariotas también contienen numerosas estructuras que carecen de membrana celular que las limite. Los túbulos alargados y los filamentos del citoesqueleto están incluidos en este grupo y participan en la contractilidad, el movimiento y el soporte celulares. Hasta hace poco tiempo se pensaba que las células procariotas carecían de citoesqueleto, pero en algunas bacterias se han encontrado filamentos de citoesqueleto primitivo. Por el momento es posible afirmar que el citoesqueleto de las procariotas es mucho más simple en términos estructurales y funcionales que el de las eucariotas. Ambos tipos de células tienen ribosomas, partículas no membranosas que funcionan como “mesas de trabajo” sobre las cuales las proteínas se elaboran. Aunque los ribosomas de las células procariotas y los de las eucariotas poseen dimensiones muy diferentes (los procariotas son más pequeños e incluyen mucho menos componentes), estas estructuras participan en el ensamblaje de proteínas con un mecanismo similar. La figura 1.11 muestra una micrografía electrónica con color artificial de una porción del extremo citoplásmico de un organismo eucariota unicelular. Ésta es una región de la célula en la que los organelos limitados por membrana tienden a estar ausentes. La micrografía muestra filamentos individuales del citoesqueleto (rojo) y otros complejos macromoleculares grandes del citoplasma (verde). Casi todos estos son ribosomas. Este tipo de imagen hace evidente que el citoplasma de una célula eucariota está lleno, lo cual deja poco espacio para la fase soluble del citoplasma, conocida como citosol.

Entre las células eucariotas y procariotas pueden identificarse otras diferencias relevantes. Las primeras se dividen por un proceso complejo de mitosis, en el cual los cromosomas duplicados se condensan en estructuras compactas separadas por un sistema que contiene microtúbulos (fig. 1.12). Este aparato, conocido como huso mitótico, permite a cada célula hija recibir una cantidad equivalente de material genético. En las procariotas no hay compactación de los cromosomas ni huso mitótico. El DNA se duplica y las dos copias se separan de manera sencilla y precisa mediante el desarrollo de una membrana celular entre las dos.

Las procariotas son organismos asexuados, puesto que sólo contienen una copia de su único cromosoma y carecen de procesos comparables a los de la meiosis, formación de gametos o fecundación verdadera. Aunque en las procariotas no hay una reproducción sexual verdadera, algunas son capaces de experimentar conjugación, en la cual un fragmento de DNA se transfiere de una célula a otra (fig. 1.13). Sin embargo, la célula receptora casi nunca recibe un cromosoma completo de la célula donadora y el estado en el cual el receptor contiene su DNA y el de su donador es transitorio, debido a que la célula regresa pronto a su condición de un solo cromosoma. Aunque las procariotas no suelen ser tan eficientes como las eucariotas para el intercambio de DNA con otros miembros de su propia especie, las primeras captan e incorporan DNA ajeno que se encuentra en el ambiente con más frecuencia que las segundas, lo cual ha tenido un impacto considerable en la evolución microbiana (pág. 29).

Las eucariotas poseen diversos mecanismos de locomoción complejos, mientras que los de las procariotas son relativamente sencillos. El movimiento de éstas se lleva a cabo mediante un filamento delgado de proteína llamado flagelo, el cual sobresale de la célula y es capaz de girar (fig. 1.14a). Las rotaciones de dicha estructura, que pueden sobrepasar 1 000 veces por segundo, ejercen presión sobre el líquido circundante, impulsando la célula a través de su entorno. Algunas células eucariotas, incluidos muchos protistas y los espermatozoides, también poseen flagelos, sin embargo las versiones eucariotas son mucho más complejas que los filamentos proteínicos simples de las bacterias (fig. 1.14b) y el movimiento lo genera un mecanismo diferente.

En los párrafos anteriores se mencionaron varias de las diferencias más relevantes entre los niveles de organización celular procariota y eucariota. En capítulos posteriores se revisan muchos de estos puntos. Antes de asegurar que las procariotas son inferiores, se debe considerar que estos organismos han permanecido en la Tierra durante más de 3 000 millones de años y billones de ellos se encuentran sobre la superficie del cuerpo humano y en el tubo digestivo, consumiendo en abundancia los nutrimentos que ahí se encuentran. Por lo común, se considera a estos microorganismos como criaturas individuales y solitarias, pero descubrimientos recientes mostraron que viven en complejas comunidades de múltiples especies llamadas biopelículas. Un ejemplo de éstas es la placa que cubre nuestros dientes. Las diferentes células en una biopelícula pueden realizar diferentes actividades especializadas, lo cual no difiere de lo que ocurre en el caso de las células de una planta o un animal. Obsérvese también que, desde el punto de vista metabólico, las procariotas son organismos muy complejos y evolucionados. Por ejemplo, una bacteria como Escherichia coli, habitante común del tubo digestivo de los seres humanos y de las cajas de cultivo del laboratorio, tiene la capacidad de vivir y prosperar en un medio que contiene uno o dos compuestos orgánicos de bajo peso molecular y pocos iones inorgánicos. Otras bacterias son capaces de vivir con una dieta que sólo consiste en sustancias inorgánicas. Se ha identificado una especie de bacterias en pozos de miles de metros de profundidad que vive en rocas basálticas y produce hidrógeno molecular (H₂) debido a las reacciones inorgánicas que lleva a cabo. Por otro lado, las células eucariotas que tienen mayor capacidad metabólica requieren una gran variedad de compuestos orgánicos, incluidos un gran número de vitaminas y otras sustancias esenciales que ellas no pueden sintetizar por sí mismas. De hecho, muchos de estos componentes fundamentales de la dieta los producen las bacterias que por lo general viven en el intestino grueso.

Tipos de células procariotas

Las diferencias entre las células procariotas y las eucariotas se basan de manera principal en su complejidad estructural (como se detalla en el cuadro 1.1) y no en relaciones filogenéticas. Las procariotas se dividen en dos grandes grupos taxonómicos o dominios: Archaea (o arqueobacterias) y Bacteria (o eubacterias). De acuerdo con la opinión actual, los miembros del primer dominio se vinculan de forma más estrecha a las eucariotas que a otros grupos de procariotas (Bacteria). Los experimentos que permitieron descubrir que la vida está representada por tres distintas ramas se revisan en la sección Vías experimentales al final del capítulo.

El dominio arqueobacteria incluye varios grupos de organismos cuyos lazos evolutivos se manifiestan por similitudes en las secuencias de nucleótidos de su material genético. Las especies más conocidas de arqueobacterias son las que viven en ambientes extremos e inhóspitos; a menudo se conocen como “extremófilas”. Entre estos organismos figuran los metanógenos (procariotas capaces de convertir los gases CO₂ y H₂ en metano [CH₄]); los halófilos (procariotas que viven en ambientes en extremo salados, como el Mar Muerto o algunas cuencas oceánicas profundas con una salinidad equivalente a una solución 5M de MgCl₂); los acidófilos (procariotas que tienen preferencias por ambientes ácidos, que viven a un pH tan bajo como cero, como los que se encuentran en los líquidos que drenan de las minas abandonadas); y los termófilos (procariotas que viven a muy altas temperaturas). En este último grupo se incluye a las hipertermófilas, que viven en chimeneas hidrotermales del fondo marino. Al poseedor del registro más elevado en este grupo se le denomina “cepa 121”, porque es capaz de vivir y dividirse en agua supercaliente con una temperatura de 121°C, que resulta ser la que se utiliza para esterilizar equipo quirúrgico en un autoclave. Análisis recientes de microbios terrestres y oceánicos indican que muchos miembros del dominio Archaea residen también en hábitat con temperatura, pH y salinidad normales.

El resto de las procariotas se clasifican en el dominio Bacteria. Éste incluye a la célula viva más pequeña, el micoplasma (que tiene 0.2 μm de diámetro), que también es la única procariota conocida sin pared celular y que contiene un genoma con apenas 500 genes. Las bacterias están presentes en todo ambiente concebible sobre la Tierra, desde los hielos polares antárticos hasta los desiertos más secos de África y los confines internos de las plantas y los animales. Asimismo, hay que mencionar a las bacterias que viven en sustratos rocosos situados a varios kilómetros de profundidad. Se piensa que algunas de estas comunidades se aislaron de la vida en la superficie hace más de 100 millones de años. Las procariotas más complejas son las cianobacterias. Éstas poseen membranas citoplásmicas que sirven como sitios para la fotosíntesis (fig. 1.15a) y que son muy parecidas a las membranas fotosintéticas presentes dentro de los cloroplastos de las células vegetales. Como en las plantas, que son organismos eucariotas, la fotosíntesis en cianobacterias se lleva a cabo al romper las moléculas de agua para liberar oxígeno molecular.

Muchas cianobacterias no sólo son capaces de realizar fotosíntesis, sino también la fijación de nitrógeno, esto es, la conversión de nitrógeno (N₂) gaseoso en formas reducidas de dicho elemento (como amoniaco, NH₃) que pueden utilizar las células en la síntesis de compuestos orgánicos nitrogenados, incluidos los aminoácidos y los nucleótidos. Estas especies celulares fotosintéticas capaces de fijar nitrógeno pueden sobrevivir con los recursos esenciales (luz, N₂, CO₂ y H₂O). Por lo tanto, no es sorprendente que las cianobacterias sean los primeros organismos que colonizan las rocas sin vida que surgen de erupciones volcánicas. En la figura 1.15b se muestra otro hábitat poco común ocupado por estos organismos.

Diversidad procariota La mayoría de los microbiólogos conoce sólo aquellos microorganismos que son capaces de crecer en un medio de cultivo. Cuando un paciente con alguna infección de las vías respiratorias o urinarias acude con su médico, uno de los primeros pasos es la solicitud del cultivo del agente patógeno. Una vez que se ha desarrollado, el patógeno puede identificarse y es posible establecer el tratamiento adecuado. Se ha observado que la siembra de la mayor parte de las procariotas patógenas es relativamente sencilla, al contrario del cultivo de las que viven de manera libre en la naturaleza. El problema es agravado por el hecho de que estos organismos son apenas visibles en un microscopio óptico y con frecuencia su morfología no se puede precisar. A la fecha se han identificado casi 6 000 especies de células procariotas por medio de técnicas tradicionales, lo que constituye menos de 0.1% de los millones de especies que se cree existen en la Tierra. La apreciación humana de la diversidad de las comunidades procariotas incrementó de forma espectacular en años recientes con el uso de técnicas moleculares que no requieren del aislamiento de un microorganismo específico.

Supóngase que el objeto de estudio es la diversidad de procariotas que viven en las capas superficiales del océano Pacífico de la costa de California. En lugar de cultivar tales organismos, lo cual podría ser inútil, un investigador puede concentrar las células de una muestra de agua de océano, extraer el DNA y analizar algunas de sus secuencias presentes en la preparación. Todos los seres vivientes comparten ciertos genes, por ejemplo, aquellos que codifican los ácidos ribonucleicos (RNA; ribonucleic acids) presentes en los ribosomas o las enzimas de ciertas vías metabólicas. Aunque todos los organismos pueden compartir dichos genes, las secuencias de los nucleótidos que los constituyen varían de manera considerable de una especie a otra. Esto es la base de la evolución biológica. Al utilizar técnicas que revelan las diversas secuencias de DNA de un gen en particular en un hábitat determinado, se conoce de forma directa la diversidad de especies que hay en dicho ambiente. Las técnicas recientes de secuenciación se han vuelto más rápidas y rentables, de forma que casi todos los genes presentes en los microbios de un entorno específico pueden someterse a estudios de secuenciación, creando un genoma colectivo o metagenoma. Este método puede proporcionar información con respecto a los tipos de proteínas que producen dichos microorganismos y, en consecuencia, sobre muchas de las actividades metabólicas en las cuales participan.

Se han utilizado las mismas estrategias moleculares para explorar la notable diversidad de los “pasajeros invisibles” que viven alrededor de nuestro cuerpo o en él, en lugares como el tubo digestivo, la boca, la vagina y la piel. Esta colección de microbios, que se conoce como microbioma, es tema de varios esfuerzos internacionales de investigación dirigidos a identificar y caracterizar estos microorganismos en personas de diferentes edades, regímenes alimentarios, ubicación geográfica y estados de salud. Por ejemplo, se ha demostrado que los seres humanos obesos y los delgados tienen poblaciones bacterianas muy desiguales en el tubo digestivo. Conforme un individuo con sobrepeso pierde masa, su perfil bacteriano se modifica para hacerse similar al de las personas más delgadas. Un estudio reciente que analizó muestras de heces obtenidas de 124 personas de peso diverso, indicó la presencia dentro de la población colectiva de más de 1 000 especies diferentes de bacterias. En conjunto, tales microbios contuvieron más de 3 millones de genes diferentes, es decir, unas 150 veces el número que aparece en el genoma humano. Entre las funciones de las proteínas codificadas por dichos genomas microbianos están la síntesis de vitaminas, la degradación de azúcares vegetales complejas y la facultad de impedir la proliferación de microorganismos patógenos.

Los biólogos han encontrado, con técnicas moleculares basadas en la secuenciación, que la mayor parte de los hábitat sobre la Tierra están saturados de vida procariota aún no caracterizada. En el cuadro 1.2 se muestra una estimación de la cantidad de estos seres vivos en los principales ambientes terrestres. Ahora se piensa que más de 90% de estos organismos vive bajo los sedimentos de la profundidad de los océanos y en los estratos superficiales del suelo. ¡Los nutrientes son tan escasos en algunos de los depósitos comentados que, según se piensa, los microbios que en ellos residen se dividen sólo una vez en el transcurso de varios siglos! El cuadro 1.2 también muestra una aproximación de la cantidad de carbono que incorpora el mundo de las células procariotas. Para traducir este número a términos más familiares, éste es comparable a la cantidad total de carbono presente en todo el mundo vegetal.

Tipos de células eucariotas: especialización celular

En muchos casos, las células eucariotas más complejas no se encuentran dentro de las plantas o animales, sino que son organismos formados por una sola célula (unicelulares), o protistas, como los que se muestran en la figura 1.16. Toda la maquinaria necesaria para las actividades complejas en las cuales intervienen estos organismos (percepción del ambiente, captación de alimento, eliminación de líquido excesivo y evasión de depredadores) está confinada dentro de una sola célula.

Los organismos unicelulares complejos representan una vía evolutiva. Un camino alternativo ha llevado a la evolución de organismos multicelulares en los cuales diferentes tipos celulares limitados a usos determinados efectúan distintas actividades. Las células especializadas se forman por un proceso conocido como diferenciación. Por ejemplo, un óvulo humano fecundado experimenta un desarrollo embrionario que lleva a la formación de alrededor de 250 tipos distintos de células diferenciadas. Algunas de ellas formarán parte de una glándula digestiva específica, otras se convertirán en componentes de un gran músculo esquelético, otras más constituirán un hueso, etc. (fig. 1.17). La ruta de diferenciación seguida por cada célula embrionaria depende de manera fundamental de las señales que ésta recibe del ambiente circundante; dichas indicaciones están subordinadas a su vez a la posición de dicha célula dentro del embrión. Como se revisa en la sección “Perspectiva humana”, que aparece en este capítulo, los investigadores han aprendido a controlar el proceso de diferenciación en cajas de cultivo y aplicar este conocimiento al tratamiento de enfermedades humanas complejas.

Como resultado de la diferenciación, distintos tipos celulares adquieren una apariencia característica y contienen materiales únicos. Las células musculoesqueléticas poseen una estructura de filamentos muy bien alineados, compuestos de proteínas contráctiles únicas; las células de cartílago están rodeadas por una matriz típica que contiene polisacáridos y colágeno, que en conjunto proporcionan apoyo mecánico; los eritrocitos son sacos de membrana en forma de disco, que están llenos de hemoglobina, una molécula que transporta oxígeno, etc. No obstante, a pesar de sus múltiples diferencias, las células de una planta o de un animal están compuestas de organelos semejantes. Por ejemplo, las mitocondrias se localizan en todos los tipos celulares. Sin embargo, en un tipo específico pueden tener forma redonda y en otro un aspecto muy alargado. En cada caso, el número, la apariencia y la localización de los diferentes organelos pueden correlacionarse con la actividad de cada tipo celular. Se puede establecer una analogía con las diferentes secciones de una orquesta: todas ejecutan las mismas notas, pero un arreglo variable le da a cada una su carácter y belleza únicos.

Organismos modelo Los seres vivos son muy diversos y los resultados obtenidos de un análisis experimental pueden depender del organismo en particular bajo estudio. Como resultado, los expertos en biología celular y molecular enfocan sus actividades de investigación en un pequeño número de organismos modelo o “representativos”. Se espera que un cuerpo de conocimiento extenso basado en tales estudios constituya un marco de referencia que permita comprender los procesos básicos que son compartidos por muchos organismos, en especial por los humanos. Esto no quiere decir que muchos otros seres vivos no se utilicen de forma amplia en el estudio de la biología celular y molecular. No obstante, seis organismos modelo, un procariota y cinco eucariotas, han captado mucho la atención: una bacteria, E. coli; una levadura, Saccharomyces cerevisiae; una planta con flor, Arabidopsis thaliana; un nematodo, Caenorhabditis elegans; una mosca de la fruta, Drosophila melanogaster, y un ratón, Mus musculus. Cada uno de ellos posee ventajas específicas que los hace útiles como objeto de investigación para responder ciertas interrogantes. Cada uno de estos organismos se presenta en la figura 1.18 y en el pie se describen algunas de sus ventajas como sistemas de investigación. Este texto se enfoca en los resultados obtenidos a partir de los estudios realizados en sistemas mamíferos, sobre todo en ratones y cultivos de células de mamífero, en virtud de que estos hallazgos son más aplicables a los seres humanos. Aun así, en este libro en ocasiones se describen investigaciones efectuadas en células de otras especies. Es sorprendente descubrir cuán semejante es el hombre en los niveles celular y molecular a estos organismos mucho más pequeños y simples.

Tamaño de las células y sus componentes

La figura 1.19 muestra las dimensiones relativas de diferentes estructuras de interés en biología celular. De forma habitual se utilizan dos unidades de medición lineal para describir el interior de una célula: el micrómetro (μm; 10^–6 metros) y el nanómetro (nm; 10^–9 metros). El angstrom (Å), que es igual a una décima parte de un nanómetro, lo utilizan muchas veces los biólogos moleculares para cuantificar dimensiones atómicas. De manera simple, un angstrom equivale al diámetro de un átomo de hidrógeno. Las moléculas biológicas grandes (p. ej., macromoléculas) se describen en angstroms o nanómetros. La mioglobina, una proteína globular típica cuyo tamaño es de 4.5 × 3.5 × 2.5 nm; proteínas muy largas (como el colágeno o la miosina) tienen una dimensión lineal mayor a 100 nm; el DNA tiene una anchura de 2.0 nm. Los complejos macromoleculares, como los ribosomas, los microtúbulos y los microfilamentos, tienen un diámetro que oscila entre 5 y 25 nm. A pesar de sus pequeñas dimensiones, estas estructuras son sobresalientes “nanomáquinas” complejas capaces de realizar diversas actividades mecánicas, químicas y eléctricas.

Las dimensiones de las células y sus organelos se definen con mayor facilidad en micrómetros. Por ejemplo, el núcleo posee un diámetro aproximado de 5 a 10 μm y las mitocondrias miden 2 μm de largo. Por lo general, las procariotas tienen una longitud de 1 a 5 μm y las eucariotas de 10 a 30 μm. Hay varias razones por las cuales la mayor parte de las células son pequeñas. Considérense las siguientes.

• La mayoría de las células eucariotas posee un único núcleo que contiene sólo dos copias de gran parte de los genes. Debido a que éstos sirven como moldes para la producción de RNA mensajeros portadores de información, una célula sólo puede producir un número limitado de estos últimos en un tiempo específico. Entre más grande sea el volumen citoplásmico de una célula, mayor será el tiempo que se necesite para sintetizar los mensajes que ésta requiere.

• A medida que una célula incrementa su tamaño, decrece la relación área de superficie/volumen.³ La capacidad de una célula para intercambiar sustancias con su medio es proporcional a su área de superficie. Si una célula creciera más allá de cierto tamaño, su superficie podría ser insuficiente para captar las sustancias necesarias para sustentar sus actividades metabólicas (p. ej., oxígeno y nutrimentos). Las células especializadas en la absorción de solutos, como las del epitelio intestinal, poseen casi siempre microvellosidades por medio de las cuales se incrementa en gran medida el área superficial disponible para el intercambio (fig. 1.3). El interior de una gran célula vegetal lo ocupa la mayoría de las veces una gran vacuola llena de líquido, en lugar de un citoplasma activo en términos metabólicos (fig. 8.36b).

• Una célula depende en gran medida del movimiento aleatorio de las moléculas (difusión). Por ejemplo, el oxígeno debe difundirse desde la superficie de la célula y pasar a través del citoplasma hasta el interior de sus mitocondrias. El tiempo necesario para esta difusión es proporcional al cuadrado de la distancia que se recorre. Por ejemplo, el O₂ necesita sólo 100 microsegundos para difundirse a una distancia de un micrómetro, pero un tiempo 10⁶ veces mayor para difundirse una distancia de un milímetro. Cuando una célula es grande y aumenta la distancia de la superficie al interior, el tiempo necesario para el movimiento por difusión de las sustancias hacia dentro y hacia fuera de una célula activa en sentido metabólico puede ser muy grande e inoperante.

Biología sintética

Un objetivo de un área de investigación en biología, a menudo conocida como biología sintética, es crear células vivas en el laboratorio “partiendo desde cero” esencialmente, como se sugiere en la ilustración de la figura 1.20. Una motivación de los investigadores es lograr la hazaña y, en el proceso, demostrar que la vida en el nivel celular surge de manera espontánea cuando se reúnen en forma apropiada los elementos a partir de materiales sintetizados por medios químicos. En este punto cronológico los biólogos no se han acercado a dicha meta, y muchos miembros de la sociedad podrían argumentar que no es ético lograrlo. Un objetivo más modesto de la biología sintética es crear nuevas formas de vida, con el empleo de microorganismos existentes como punto de partida, que tengan un valor extraordinario en la medicina y en la industria o para la limpieza del ambiente.

Si, como la mayoría de los biólogos argumenta, las propiedades y las actividades de la descendencia de una célula provienen de sus planos genéticos, entonces sería posible crear un nuevo tipo de célula al introducir nueva información genética en el citoplasma de una entidad existente. Esta meta fue alcanzada por J. Craig Venter y colaboradores en 2007, al sustituir el genoma de una bacteria con otro aislado de una especie muy similar, de modo que transformaron de manera eficaz una especie en otra. En 2010, después de superar innumerables obstáculos técnicos, el grupo en cuestión pudo realizar una tarea semejante y para ello utilizó una copia del genoma bacteriano que se había ensamblado (en el interior de una célula de levadura) a partir de fragmentos de DNA sintetizados mediante técnicas químicas en el laboratorio. La copia sintética del genoma donador, que tenía en total cerca de 1.1 millones de pares de bases de DNA, incluyó las modificaciones introducidas por los investigadores. La copia modificada del genoma (de M. mycoides) fue trasplantada al interior de una célula de una especie bacteriana muy similar (M. capricolum), y en ella sustituyó al genoma original del hospedador. Una vez realizado el trasplante del genoma, la célula del receptor adquirió con rapidez las características de la especie de la cual provenía el DNA del donador. De hecho los investigadores en cuestión generaron células que contenían un “esqueleto genético” al cual agregaron combinaciones de genes nuevos obtenidos de otros microorganismos.

Investigadores de diversas naciones están intentando por medio de bioingeniería genética modificar organismos que posean vías metabólicas capaces de producir productos farmacéuticos, moléculas de combustibles basados en hidrocarburos y otras sustancias útiles, a partir de precursores sencillos y baratos. Cuando menos una compañía ha afirmado que pudo obtener cianobacterias por bioingeniería genética capaces de general diésel a partir de luz solar, agua y CO₂. Los investigadores de otra organización han modificado por medios genéticos la bacteria E. coli, que se utiliza con frecuencia en los laboratorios, para que fermente polisacáridos complejos, que aparecen en algas marinas, hasta obtener etanol, un combustible biológico. Para tal tarea se necesitó introducir en dicho organismo una combinación de genes de tres especies bacterianas distintas. Las investigaciones han comenzado a “reescribir” el genoma de las levaduras y ello denota que las células eucariotas ahora forman parte del esfuerzo por diseñar plantas de elaboración biológica, que utilicen técnicas de bioingeniería genética.

En principio, el trabajo descrito en el apartado de “Perspectiva humana” de este capítulo, en el cual un tipo de célula se orienta a la formación de otro distinto en su totalidad, también constituye una forma de biología sintética. Como consecuencia de estos intentos, los biólogos ya no sólo están restringidos a estudiar las células disponibles en la naturaleza, sino que ahora pueden dirigir su atención a otras que se pueden obtener gracias a la manipulación experimental.

Hacia finales del siglo xix, los trabajos de Louis Pasteur y otros habían convencido al mundo científico de que las enfermedades infecciosas de las plantas y los animales se debían a la presencia de bacterias, pero los estudios de la enfermedad del mosaico del tabaco en dichas plantas y la fiebre aftosa del ganado apuntaron a la existencia de otro tipo de agente infeccioso. Se encontró, por ejemplo, que la savia de una planta de tabaco enferma podía transmitir la enfermedad del mosaico a otra sana, aunque la savia no mostró evidencias de bacterias cuando se examinó bajo un microscopio óptico.

Para obtener más información en cuanto al tamaño y la naturaleza del agente infeccioso, el biólogo ruso Dmitri Ivanovsky hizo pasar la savia de una planta enferma a través de filtros cuyos poros eran tan pequeños que retardaron el paso de las bacterias más pequeñas conocidas. El filtrado no dejó de ser infeccioso, lo que llevó a Ivanovsky a concluir en 1892 que ciertas enfermedades eran secundarias a agentes patógenos más pequeños y, de modo presumible, más simples que las bacterias diminutas que se conocían. Estos patógenos se conocieron como virus.

En 1935 Wendell Stanley, del Rockefeller Institute, notificó que el virus causante de la enfermedad del mosaico del tabaco pudo concentrarse en cristales y que estos eran infecciosos. Los componentes de dichas formaciones tenían una estructura muy ordenada, bien definida y eran mucho menos complejos que las células más simples. Stanley concluyó de manera errónea que el virus del mosaico del tabaco (TMV; tobacco mosaic virus) era una proteína. De hecho, este patógeno es una partícula semejante a un bastón que consiste en una sola molécula de RNA cubierta por una capa helicoidal compuesta de subunidades proteínicas (fig. 1.21).

Los virus provocan docenas de enfermedades humanas, entre ellas el sida, la poliomielitis, la influenza, los exantemas, el sarampión y algunos tipos de cáncer. Se presentan en una amplia variedad de formas, tamaños y estructuras, si bien comparten ciertas características comunes. Todos son parásitos intracelulares obligados, esto es, no se pueden reproducir a menos que se encuentren dentro de una célula hospedadora. Dependiendo del virus específico, el hospedador puede ser una planta, un animal o una bacteria. Fuera de las células vivas, los virus existen como partículas, o viriones, que son una especie de paquete macromolecular. El virión contiene una cantidad pequeña de material genético que, según el virus del que se trate, puede ser DNA o RNA de cadena sencilla o doble. Llama la atención que algunos virus tienen tan sólo tres a cuatro genes diferentes, pero existen otros que pueden tener hasta varios cientos de ellos. El material genético del virión está rodeado por una cápsula proteínica, o cápside. Estos agentes infecciosos son agregados macromoleculares, partículas inanimadas que por sí mismas son incapaces de reproducirse, metabolizar sustancias o realizar cualquier otra de las actividades relacionadas con la vida. Por ello, los virus no se consideran organismos y no se les describe como seres vivos.

Las cápsides virales por lo general están constituidas por un número específico de subunidades. Existen muchas ventajas en este tipo de construcción; una de las más obvias es la economía de información genética. Si una cubierta viral está conformada por muchas copias de una sola proteína, como es el caso del TMV, o de pocas, como sucede con las cubiertas de muchos otros virus, sólo se necesita uno o unos cuantos genes que codifiquen las unidades de dicha estructura. Muchos virus tienen una cápside cuyas subunidades están organizadas en un poliedro, es decir, una estructura con caras planas. Una forma poliédrica en particular común en estos patógenos es el icosaedro de 20 lados. Por ejemplo, los adenovirus que causan enfermedades respiratorias en los mamíferos poseen una cápside icosaédrica (fig. 1.22a). En muchos virus de animales, incluido el virus de la inmunodeficiencia humana (VIH) causante del sida, la cápside proteínica está rodeada por una envoltura fosfolipídica externa que proviene de la membrana plasmática modificada de la célula hospedadora, la cual se obtiene cuando la partícula sale por gemación de la superficie celular (fig. 1.22b). Los virus bacterianos, o bacteriófagos, son de los más complejos (fig. 1.22c). También son las entidades biológicas más abundantes en el planeta Tierra. Los bacteriófagos T (que se utilizaron en experimentos clave que permitieron observar la estructura y las propiedades del material genético) consisten en una cabeza poliédrica que contiene DNA, un tallo cilíndrico por medio del cual el DNA se inyecta dentro del hospedador y un grupo de fibras en el extremo; en conjunto, la partícula viral tiene el aspecto de un módulo de aterrizaje espacial.

Cada virus posee en su superficie una proteína que es capaz de unirse a un componente definido de la superficie de la célula hospedadora. Por ejemplo, la molécula que se proyecta de la superficie de la partícula del VIH (definida como gp120 en la figura 1.22b, por tratarse de una glucoproteína de 120 000 daltones⁴) interactúa con una proteína específica (llamada CD4) que se localiza en la superficie de algunos leucocitos sanguíneos, lo cual facilita la entrada de los patógenos al hospedador. La interacción de las proteínas virales con las del hospedador determina la especificidad de los virus, es decir, los tipos de célula hospedadora a los que pueden entrar e infectar. Algunos virus tienen un amplio espectro de hospedadores y son capaces de infectar células de diferentes órganos o especies hospedadoras. Por ejemplo, el que causa la rabia puede infectar muchos tipos de mamíferos, que incluyen perros, murciélagos y seres humanos. Sin embargo, la mayor parte de los virus tiene un espectro relativamente reducido de albergadores. Esto es casi siempre cierto, por ejemplo, para los virus del resfriado común y la influenza humanos, que sólo pueden infectar las células del epitelio respiratorio del hombre.

Un cambio en la especificidad de la célula hospedadora puede tener notables consecuencias. Este aspecto lo ilustra de manera dramática la pandemia de gripe (influenza) de 1918, que causó la muerte de más de 30 millones de personas en todo el mundo. El virus fue en particular letal entre adultos jóvenes, que no suelen sucumbir a la gripe. De hecho, las 675 000 muertes por el virus en Estados Unidos redujeron de manera temporal la esperanza de vida en varios años. En uno de los logros más aclamados (y polémicos) de los últimos años, los investigadores pudieron determinar la secuencia genómica del virus causante de la pandemia y reconstituirlo en su estado de virulencia plena. Para ello aislaron los genes virales (que son parte de un genoma constituido por ocho moléculas separadas de RNA que codifican 11 proteínas diferentes) de los restos preservados de personas que murieron a causa de la infección 90 años antes. Las muestras mejor preservadas se obtuvieron de una mujer nativa americana que fue sepultada en el permafrost de Alaska. La secuencia del “virus 1918” sugirió que el patógeno había pasado de aves a personas. Aunque el agente infeccioso había acumulado una cantidad considerable de mutaciones, que lo adaptaron para un hospedador mamífero, nunca había intercambiado material genético con un virus de influenza humana, una posibilidad que se contempló hasta entonces.

El análisis de la secuencia del virus 1918 ha aportado algunos indicios que explican por qué fue tan letal y cómo se transmitió de manera tan eficiente de una persona a otra. Utilizando la secuencia genómica, los investigadores reconstituyeron el patógeno en partículas infecciosas, que fueron en exceso virulentas en las pruebas de laboratorio. Mientras que los ratones suelen sobrevivir a infecciones por el virus de la gripe humana moderno, la cepa 1918 reconstituida mató a 100% de los animales infectados y produjo enormes cantidades de partículas virales en sus pulmones. Dado el riesgo potencial para la salud pública, el informe de la secuencia completa de este agente infeccioso y su reconstitución se publicó detrás de la aprobación por páneles de seguridad gubernamentales y después de que se demostró que las vacunas y los fármacos antigripales existentes protegían a ratones contra el virus reconstituido.

Existen dos tipos básicos de infección viral. (1) En la mayor parte de los casos, los virus secuestran las actividades de síntesis normales de la célula hospedadora y las reorientan para utilizar los materiales disponibles para elaborar ácidos nucleicos y proteínas que forman un virión nuevo. En otras palabras, los virus no crecen como las células; se ensamblan de forma directa a partir de sus elementos para crear viriones de tamaño maduro. Por último, la célula infectada se disuelve (experimenta lisis) y libera una nueva generación de partículas virales capaces de infectar a las células próximas. En la figura 1.23a se muestra un ejemplo de este tipo de infección lítica. (2) En otros casos, el virus no causa la muerte de la célula hospedadora, sino que inserta (integra) su DNA al DNA cromosómico de la célula hospedadora. El DNA viral integrado se conoce como provirus. Éste puede tener diferentes efectos que dependen de la célula hospedadora y del tipo de virus. Por ejemplo:

• Las células bacterianas que poseen un provirus funcionan con normalidad hasta que se exponen a un estímulo, como la radiación ultravioleta que activa al DNA viral latente, lo que promueve lisis celular y liberación de la progenie viral.

• Algunas células animales que contienen provirus crean una nueva progenie viral por gemación de la superficie celular sin producir lisis de la célula infectada. El VIH actúa de esa forma; una célula infectada puede permanecer viva durante un lapso y funcionar como fábrica para la producción de viriones nuevos (fig. 1.23b).

• Algunas células animales portadoras de provirus pierden el control de su propio crecimiento y división y se transforman en células malignas. Este fenómeno se estudia in vitro con facilidad al infectar cultivos celulares con el virus tumoral apropiado.

Los virus no carecen de virtudes; puesto que las funciones de sus genes se asemejan a las de los hospedadores, los investigadores han utilizado durante décadas a estos agentes como herramienta de investigación para analizar el mecanismo de la replicación del DNA y la expresión génica en sus hospedadores, que son más complejos. Además, los virus se usan como vectores para introducir genes extraños en células humanas, una técnica que sirve como base para su aplicación en el tratamiento de las enfermedades humanas por medio de la terapia génica. En fecha reciente, los virus que matan a las bacterias y a los insectos pueden tener una función destacada en la guerra contra las plagas provocadas por dichos organismos. Los bacteriófagos se han utilizado durante décadas para el tratamiento de infecciones bacterianas en Europa oriental y Rusia, mientras que los médicos occidentales emplean antibióticos. Debido al aumento de la resistencia bacteriana a los antibióticos, los bacteriófagos pueden volver a utilizarse como tratamiento con base en resultados prometedores realizados en ratones infectados. En la actualidad, varias compañías biotecnológicas producen bacteriófagos para combatir infecciones bacterianas y proteger determinados alimentos contra la contaminación por dichos microorganismos.

Viroides

De forma sorpresiva, en 1971 se descubrió que los virus no eran los agentes infecciosos más simples. En ese año T.O. Diener, del U.S. Department of Agriculture, comunicó que la enfermedad de la deformación fusiforme del tubérculo de la papa, que ocasiona que ésta se agriete y forme nudos, se debía a un agente infeccioso formado por una molécula circular pequeña de RNA desprovista por completo de cubierta proteínica. Diener denominó a estos agentes patógenos viroides. El tamaño del RNA que éstos contienen oscila entre 240 y 600 nucleótidos, la décima parte del tamaño del genoma de los virus más pequeños. No existen evidencias de que el RNA de un viroide desnudo pueda codificar alguna proteína. En realidad, cualquier actividad bioquímica en la que intervienen estas moléculas tiene lugar al usar las proteínas de la célula hospedadora. Por ejemplo, para duplicarse dentro de una célula infectada, el RNA del viroide utiliza la polimerasa II de RNA de la célula hospedadora, una enzima que transcribe el DNA del hospedador en RNA mensajero. Se piensa que los viroides provocan enfermedades al interferir con la vía normal de la expresión génica celular. Los efectos en las cosechas pueden ser graves: una enfermedad viroide llamada cadang-cadang acabó con las palmeras cocoteras en plantaciones de las islas filipinas y otra causó grandes estragos a la industria de los crisantemos en Estados Unidos.

El descubrimiento de un tipo diferente de agente infeccioso más simple que el viroide se describe en la sección “Perspectiva humana” del capítulo 2.

La teoría celular posee tres postulados. (1) Todos los organismos están formados por una o más células, (2) la célula es la unidad básica de organización de la vida y (3) todas las células provienen de células previas (pág. 2).

Las propiedades de la vida, tal y como se manifiesta en las células, se pueden describir como un conjunto de características. Las células son muy complejas, su subestructura tiene un grado alto de organización y es posible predecirla. La información para crear una célula está codificada en sus genes. Las células se reproducen por división celular, sus actividades son potenciadas por energía química, realizan reacciones químicas controladas por enzimas, participan en muchas actividades de tipo mecánico, reaccionan a estímulos y tienen gran capacidad para autorregularse (pág. 3).

Las células son procariotas o eucariotas. Las primeras se encuentran entre las eubacterias y las arqueobacterias, mientras que los tipos de organismos restantes (protistas, hongos, plantas y animales) están compuestos de células eucariotas. Ambos tipos de célula comparten muchas características en común, que incluyen membranas celulares semejantes, un sistema similar para almacenar y utilizar información genética y rutas metabólicas parecidas. Las procariotas son más simples, carecen de organelos membranosos complejos (p. ej., retículo endoplásmico, aparato de Golgi, mitocondrias y cloroplastos), cromosomas y estructuras citoesqueléticas, características de las células eucariotas. Estos dos tipos de organismos también se pueden distinguir por sus mecanismos de división celular, sus estructuras de locomoción y el tipo de pared que producen (en caso de que exista una pared celular). Los animales y las plantas complejos contienen diferentes tipos celulares, cada uno especializado en una actividad particular (pág. 7).

Casi todas las células tienen el mismo tamaño microscópico. De manera característica, las bacterias poseen una dimensión de 1 a 5 μm de largo y las células eucariotas miden casi siempre 10 a 30 μm. Las células son microscópicas por razones diferentes: su núcleo posee un número limitado de copias de cada gen; la superficie (que sirve como área de intercambio celular) se convierte en un factor limitante a medida que la célula incrementa su tamaño; y la distancia entre la superficie celular y el interior llega a ser también demasiado grande para que la célula realice sus actividades mediante difusión simple (pág. 17).

Los virus son patógenos no celulares que sólo pueden reproducirse cuando se encuentran dentro de una célula viva. Fuera de las células, los virus existen como paquetes macromoleculares, también conocidos como viriones. Estos tienen diferentes formas y tamaños, pero todos consisten en ácido nucleico encerrado dentro de una estructura que posee proteínas virales. Las infecciones por virus pueden inducir: (1) la destrucción de la célula hospedadora, acompañada de la producción de la progenie viral o (2) la integración del ácido nucleico viral en el DNA de la célula hospedadora, lo que a menudo altera las actividades de ésta. Los virus no se consideran organismos vivos (pág. 23).

1. Considérese alguna interrogante de interés acerca de la estructura o la función celulares. ¿Los datos necesarios para responder la pregunta serían más fáciles de obtener si se trabajara en un animal o en una planta completos o en una población de células en cultivo?, ¿cuáles serían las ventajas y las desventajas en un organismo completo en comparación con un cultivo celular?

2. La figura 1.3 muestra una célula del epitelio intestinal con numerosas microvellosidades. ¿Cuál es la ventaja del organismo al poseer estas estructuras?, ¿qué se esperaría que le sucediera a un individuo que pierde las microvellosidades a causa de una mutación hereditaria?

3. Las primeras células humanas que se cultivaron con éxito procedieron de un tumor maligno. ¿Es posible que esto refleje sólo la disponibilidad de células cancerosas o que éstas sean mejores para cultivo celular?, ¿por qué?

4. Las representaciones de células vegetales y animales de la figura 1.8 (b y c) indican ciertas estructuras presentes en las primeras, pero que están ausentes en las segundas. ¿Cómo puede afectar cada una de estas estructuras a la vida de la planta?

5. Se ha observado que las células poseen receptores en su superficie que reaccionan a estímulos específicos. Muchas células en el cuerpo humano tienen receptores que les permiten unirse a hormonas específicas que circulan en la sangre. ¿Por qué estos receptores hormonales son importantes?, ¿cuál sería el efecto sobre las actividades fisiológicas del organismo si las células no tuvieran estos receptores o si todas las células tuvieran los mismos receptores?

6. Si fuera necesario debatir que los virus son organismos vivos, ¿qué características de la estructura y la función virales se deben referir en los argumentos?

7. Si se asume que las actividades dentro de la célula suceden de una manera semejante a la caricatura de Rube Goldberg de la figura 1.7, ¿en qué difieren de una actividad humana, como armar un automóvil en una línea de ensamble o encestar en un juego de baloncesto?

8. Los núcleos de las células eucariotas, a diferencia de los de las bacterias, están cubiertos por una doble membrana que posee poros complejos. ¿Cómo podría afectar esto el tránsito entre el DNA y el citoplasma de una célula eucariota en comparación con una célula procariota?

9. Examínese la fotografía del protista ciliado de la figura 1.16 y considérense algunas de las actividades en las cuales participa esta célula, a diferencia de una célula muscular o nerviosa de su propio organismo.

10. ¿Qué célula alcanzaría el mayor volumen, una muy aplanada o una esférica?, ¿por qué?

11. Supóngase que el lector fuera un científico que vivió en 1890 que estudia una enfermedad de las semillas del tabaco que retarda el crecimiento de las plantas y mancha sus hojas. Se descubre que el extracto de una planta enferma, cuando se agrega a una sana, es capaz de transmitir la enfermedad a esta última. Se examina el extracto en el mejor microscopio óptico de esa época y no se encuentra evidencia de bacterias. Se fuerza el lisado a través de filtros cuyos poros son tan diminutos que retardan el paso de las bacterias más pequeñas que se conocen y el líquido que atraviesa del filtro mantiene la capacidad de transmitir la enfermedad. Al igual que Dimitri Ivanovsky, que realizó estos experimentos hace más de 100 años, el investigador quizá debería concluir que el agente infeccioso es un tipo desconocido de bacteria pequeña y extraña. ¿Qué experimentos se deberían realizar en la actualidad para probar esta hipótesis?

12. La mayoría de los biólogos que estudian la evolución piensa que todas las mitocondrias y todos los cloroplastos han evolucionado a partir de una mitocondria y un cloroplasto ancestrales, en dicho orden. En otras palabras, el suceso simbiótico que dio lugar a cada uno de estos organelos ocurrió sólo una vez. Si este es el caso, ¿en qué nivel del árbol filogenético de la figura 3, página 29, se colocaría la aparición de cada uno de estos organelos?

13. Hubo gran controversia alrededor de la publicación de la secuencia completa del virus 1918 de la gripe y de la reconstitución de partículas virales activas. Quienes respaldaban la divulgación sostenían que este tipo de datos podría ayudar a comprender mejor la virulencia de los virus gripales y a desarrollar mejores tratamientos contra ellos. Quienes se oponían argumentaban que el virus podría ser reconstituido por bioterroristas o que existía el peligro de otra pandemia causada por la liberación accidental del virus por un investigador descuidado. Según la apreciación del lector, ¿cuáles serían los méritos de realizar este tipo de investigación?