Cap 3. Células y Tejidos

RESUMEN GENERAL

El estudio de la célula y los tejidos es fundamental en la biología, ya que todas las funciones del organismo dependen de ellas. En este documento, se examina la estructura y función celular, desde su descubrimiento por Robert Hooke hasta la descripción de sus partes y la relación entre su estructura y función.

Se analizan los mecanismos de transporte celular, tanto pasivos como activos, y se presentan las aplicaciones científicas y clínicas derivadas del conocimiento celular. En la segunda parte, se profundiza en la reproducción celular, la organización del ADN y la síntesis de proteínas. Finalmente, se estudian los tejidos del cuerpo humano y su papel en la salud y el bienestar.

INTRODUCCIÓN ROBERT HOOKE

El concepto de célula ha sido clave en la biología desde su descubrimiento. Hace aproximadamente 300 años, en 1665, Robert Hooke, un científico inglés, utilizó un microscopio primitivo para examinar un delgado corte de corcho. Al observarlo, notó que estaba compuesto por pequeños compartimentos separados por paredes y decidió llamarlos "células", porque le recordaban las habitaciones de los monasterios.

Aunque Hooke solo pudo ver las paredes celulares de las células muertas del corcho, su descubrimiento marcó el inicio de la biología celular. Más tarde, científicos como Antonie van Leeuwenhoek mejoraron los microscopios y lograron observar células vivas, sentando las bases de la teoría celular.

A lo largo de los siglos, se ha confirmado que las células son las unidades fundamentales de la vida y que todos los seres vivos están formados por una o más células. En organismos unicelulares, una sola célula realiza todas las funciones vitales, mientras que en organismos multicelulares, como los humanos, trillones de células trabajan en conjunto, especializándose en distintas funciones.

CÉLULAS

Las células son las unidades estructurales y funcionales del organismo, capaces de realizar procesos esenciales como el metabolismo, el crecimiento y la reproducción. Aunque todas comparten características fundamentales, varían en tamaño, forma y función según el tejido al que pertenecen.

Tamaño y forma

Las células humanas son microscópicas, es decir, no pueden verse a simple vista y requieren el uso de microscopios. Sin embargo, su tamaño varía considerablemente:

• Óvulo humano: Es la célula más grande del cuerpo, con un diámetro de aproximadamente 150 µm (micrómetros).

• Glóbulos rojos: Son mucho más pequeños, con un diámetro de 7.5 µm, lo que les permite desplazarse fácilmente por los capilares.

La forma de las células también es diversa y está relacionada con su función:

• Células epiteliales: Son planas y en forma de ladrillo, formando barreras protectoras en la piel y los órganos internos.

• Células musculares: Son alargadas y fusiformes, lo que facilita su capacidad de contracción.

• Neuronas: Poseen prolongaciones llamadas dendritas y axones que les permiten transmitir impulsos eléctricos a largas distancias.

Esta variabilidad en tamaño y forma permite que las células cumplan funciones específicas dentro del organismo.

Composición

Cada célula está formada por citoplasma, organelos celulares y material genético. Sus componentes básicos incluyen:

• Agua: Constituye aproximadamente el 70-80% del citoplasma y es el medio donde ocurren las reacciones químicas.

• Proteínas: Cumplen funciones estructurales y enzimáticas, facilitando procesos celulares como la síntesis de energía y la reparación del ADN.

• Lípidos: Forman parte de la membrana celular, asegurando su integridad y regulando el paso de sustancias.

• Carbohidratos: Proveen energía a través del metabolismo de la glucosa.

• Ácidos nucleicos (ADN y ARN): Contienen la información genética y regulan la síntesis de proteínas.

Partes de la célula

Todas las células presentan tres componentes fundamentales:

Membrana plasmática

• Es la estructura que rodea la célula y actúa como una barrera selectiva, regulando el paso de sustancias entre el interior y el exterior celular.

• Está compuesta por una bicapa de fosfolípidos, que le confiere fluidez y flexibilidad, además de proteínas y colesterol que estabilizan su estructura.

• Algunas proteínas en la membrana funcionan como receptores celulares, permitiendo la comunicación entre células mediante señales químicas como hormonas y neurotransmisores.

• También contiene glucoproteínas y glucolípidos, que actúan como marcadores celulares y son esenciales en el reconocimiento inmunológico y los trasplantes de órganos.

Citoplasma

• Es el medio interno de la célula, donde se encuentran suspendidos los organelos celulares.

• Contiene el citosol, una solución acuosa rica en enzimas, sales minerales y moléculas orgánicas esenciales para el metabolismo celular.

• Alberga el citoesqueleto, una red de filamentos proteicos que mantiene la forma celular y facilita el movimiento de organelos y sustancias.

Organelos celulares

Los organelos son estructuras especializadas dentro del citoplasma, cada una con una función específica.

Ribosomas

• Son pequeñas estructuras formadas por ARN ribosómico (ARNr) y proteínas.

• Se encargan de la síntesis de proteínas, ensamblando aminoácidos según las instrucciones del ARN mensajero (ARNm).

• Pueden estar libres en el citoplasma o adheridos al retículo endoplásmico rugoso.

Retículo endoplásmico (RE)

• Es un sistema de membranas interconectadas que transporta y modifica proteínas y lípidos.

• Se divide en:

  • RE rugoso: Tiene ribosomas adheridos y participa en la síntesis de proteínas.

  • RE liso: No tiene ribosomas y está involucrado en la síntesis de lípidos y la desintoxicación celular.

Aparato de Golgi

• Es un conjunto de sacos membranosos apilados que modifican, empaquetan y transportan proteínas y lípidos.

• Produce vesículas que liberan sustancias al exterior de la célula mediante exocitosis.

Mitocondrias

• Son las "plantas de energía" de la célula, generando ATP a través de la respiración celular.

• Contienen su propio ADN mitocondrial, lo que les permite replicarse independientemente.

Lisosomas

• Son vesículas que contienen enzimas digestivas, responsables de la degradación de desechos celulares y partículas extrañas.

Centrosoma y centríolos

• Organiza los microtúbulos del citoesqueleto y participa en la división celular.

Prolongaciones celulares

• Microvellosidades: Aumentan la superficie de absorción en células del intestino delgado.

• Cilios: Facilitan el movimiento de sustancias en las vías respiratorias.

• Flagelos: Permiten la locomoción de células como los espermatozoides.

Núcleo

• Es el centro de control de la célula, donde se encuentra el ADN.

• Está rodeado por la envoltura nuclear, que regula el intercambio de sustancias con el citoplasma.

• Contiene el nucléolo, donde se ensamblan los ribosomas.

RELACIONES ENTRE ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LA CÉLULA

Cada célula tiene una estructura diseñada para cumplir su función de manera eficiente. La relación entre estructura y función es un principio fundamental en biología celular, ya que las características físicas y químicas de la célula determinan sus capacidades.

Algunos ejemplos incluyen:

• Glóbulos rojos (eritrocitos): No tienen núcleo, lo que maximiza el espacio interno para la hemoglobina, permitiendo un transporte eficiente de oxígeno.

• Células musculares: Contienen abundantes mitocondrias, lo que les permite producir grandes cantidades de ATP, necesario para la contracción muscular.

• Neuronas: Tienen prolongaciones llamadas axones y dendritas, las cuales facilitan la transmisión de impulsos eléctricos a larga distancia.

• Células epiteliales del intestino: Poseen microvellosidades, que aumentan la superficie de absorción de nutrientes.

Estas adaptaciones muestran cómo la forma y la estructura celular están directamente relacionadas con su función dentro del organismo.

APLICACIONES CIENTÍFICAS

El estudio de la biología celular ha permitido importantes avances en la ciencia y la medicina, contribuyendo a la comprensión de enfermedades y al desarrollo de nuevas tecnologías. Algunas aplicaciones incluyen:

1. Cultivo de células madre:

   • Las células madre pueden diferenciarse en distintos tipos celulares, permitiendo su uso en terapia regenerativa para tratar enfermedades como el Párkinson, la diabetes tipo 1 y lesiones en la médula espinal.

   • Se utilizan en la ingeniería de tejidos para regenerar órganos y piel en pacientes con quemaduras.

2. Terapia génica:

   • Consiste en la introducción de genes en células para tratar enfermedades genéticas como la fibrosis quística y la anemia falciforme.

   • Se está explorando para tratar ciertos tipos de cáncer mediante la modificación genética de células inmunitarias.

3. Desarrollo de fármacos:

   • El estudio de los procesos celulares ha permitido la creación de medicamentos que atacan células cancerígenas sin dañar las células sanas.

   • Se han desarrollado antibióticos que inhiben la función de los ribosomas bacterianos, impidiendo la síntesis de proteínas en bacterias patógenas.

4. Reprogramación celular:

   • Científicos han logrado convertir células diferenciadas en células madre pluripotentes inducidas (iPSC), con aplicaciones en la medicina regenerativa y el estudio de enfermedades.

Estos avances han sido posibles gracias al desarrollo de tecnologías como la microscopía electrónica, la ingeniería genética y la nanotecnología aplicada a la biomedicina.

MOVIMIENTO DE SUSTANCIAS A TRAVÉS DE LAS MEMBRANAS CELULARES

Las células deben intercambiar sustancias con su entorno para sobrevivir. Este intercambio ocurre a través de la membrana plasmática, que regula el paso de moléculas de manera selectiva.

Procesos de transporte pasivo

El transporte pasivo ocurre sin gasto de energía (ATP), ya que las moléculas se mueven a favor de su gradiente de concentración (de mayor a menor concentración).

Difusión

• Proceso en el que las moléculas se desplazan libremente a través de la membrana.

• Ejemplo: El oxígeno y el dióxido de carbono atraviesan la membrana celular por difusión simple.

Filtración

• Movimiento de moléculas impulsado por una presión hidrostática.

• Ejemplo: En los riñones, la sangre es filtrada a través de los capilares glomerulares para formar la orina primaria.

Procesos de transporte activo

El transporte activo requiere energía (ATP), ya que las moléculas se mueven en contra de su gradiente de concentración (de menor a mayor concentración).

Bomba de iones

• Usa proteínas de membrana llamadas bombas iónicas para transportar iones específicos.

• Ejemplo: La bomba de sodio-potasio (Na+/K+), que mantiene el equilibrio iónico en las neuronas.

Fagocitosis y pinocitosis

• Fagocitosis: La célula ingiere partículas grandes, como bacterias o desechos celulares.

  • Ejemplo: Los macrófagos engullen bacterias en el sistema inmunológico.

• Pinocitosis: La célula captura líquidos y pequeñas moléculas.

  • Ejemplo: Las células del intestino absorben nutrientes mediante pinocitosis.

Estos mecanismos permiten a las células mantener su equilibrio interno y responder a los cambios en su entorno.

APLICACIONES CLÍNICAS

El conocimiento sobre el transporte celular tiene aplicaciones en medicina y farmacología:

• Tratamientos para enfermedades metabólicas: Se han desarrollado medicamentos para corregir defectos en el transporte de glucosa en pacientes con diabetes tipo 2.

• Terapias contra el cáncer: Se han diseñado fármacos que bloquean los canales de calcio en células tumorales, impidiendo su crecimiento.

• Uso de nanopartículas: Permiten la liberación dirigida de fármacos en células específicas, reduciendo los efectos secundarios de la quimioterapia.

REPRODUCCIÓN CELULAR Y HERENCIA

Las células se dividen para crecer, reparar tejidos y reproducirse. Este proceso está controlado por el material genético contenido en el ADN.

Molécula de ADN e información genética

El ácido desoxirribonucleico (ADN) almacena la información genética de cada organismo.

• Su estructura fue descubierta en 1953 por James Watson y Francis Crick, con la colaboración de Rosalind Franklin y Maurice Wilkins.

• Está formado por nucleótidos, que incluyen un grupo fosfato, un azúcar (desoxirribosa) y una base nitrogenada.

Tabla 3-4: Componentes de los nucleótidos

Los nucleótidos del ADN contienen cuatro bases nitrogenadas:

1. Adenina (A)

2. Timina (T)

3. Citosina (C)

4. Guanina (G)

La secuencia de estas bases constituye el código genético, que determina las características de cada organismo.

Código genético

El código genético es universal y especifica cómo se ensamblan los aminoácidos para formar proteínas. Se compone de tripletes de bases llamados codones, cada uno de los cuales codifica un aminoácido específico.

Ejemplo:

• AUG: codifica para metionina, iniciando la síntesis de proteínas.

• UAA, UAG y UGA: son codones de parada, que finalizan la síntesis proteica.

Moléculas de ARN y síntesis de proteínas

El ADN no sale del núcleo, por lo que la información genética se transfiere mediante el ARN mensajero (ARNm).

1. Transcripción: Se copia un fragmento de ADN en ARNm.

2. Traducción: El ARNm se une a los ribosomas, donde el ARN de transferencia (ARNt) lleva los aminoácidos para formar proteínas.

Genoma humano

El Proyecto Genoma Humano, finalizado en 2003, permitió secuenciar todo el ADN humano, identificando aproximadamente 25,000 genes.

DIVISIÓN CELULAR

La división celular es el proceso mediante el cual una célula madre se divide para formar dos células hijas. Es fundamental para el crecimiento, desarrollo, reparación de tejidos y reproducción. Existen dos tipos principales de división celular:

1. Mitosis: ocurre en células somáticas y da lugar a células genéticamente idénticas.

2. Meiosis: ocurre en células reproductoras (gametos) y genera células con la mitad del número de cromosomas.

Replicación del ADN

Antes de la división celular, el ADN debe duplicarse para garantizar que cada célula hija reciba la misma información genética. Este proceso ocurre en la fase S del ciclo celular y sigue estos pasos:

1. Separación de las cadenas de ADN: La enzima helicasa rompe los puentes de hidrógeno entre las bases nitrogenadas, separando la doble hélice.

2. Emparejamiento de nucleótidos complementarios: La ADN polimerasa añade nucleótidos complementarios a cada cadena original.

3. Formación de dos moléculas de ADN: Cada molécula tiene una hebra original y una hebra nueva (modelo semiconservativo).

Fases de la mitosis

La mitosis consta de cuatro fases principales:

Profase

• La cromatina se condensa y forma cromosomas visibles.

• Los centriolos migran a los polos opuestos de la célula y comienzan a formar el huso mitótico.

• La membrana nuclear se desintegra, permitiendo que los cromosomas se dispongan en el citoplasma.

Metafase

• Los cromosomas se alinean en el ecuador de la célula, formando la placa metafásica.

• Las fibras del huso mitótico se unen a los centrómeros de los cromosomas.

Anafase

• Las cromátides hermanas se separan y son arrastradas hacia los polos opuestos de la célula.

• Este movimiento es impulsado por la contracción de las fibras del huso mitótico.

Telofase

• Se reforma la membrana nuclear alrededor de cada conjunto de cromosomas.

• Los cromosomas comienzan a descondensarse y vuelven a su forma de cromatina.

• El huso mitótico se desintegra.

Resultados de la división celular

Al final de la mitosis, la célula sufre citocinesis, donde el citoplasma se divide en dos, formando dos células hijas idénticas con el mismo número de cromosomas que la célula madre (46 en humanos).

La división celular permite:

• Crecimiento del organismo

• Regeneración de tejidos

• Reemplazo de células dañadas o envejecidas

TEJIDOS

Las células especializadas se agrupan para formar tejidos, que cumplen funciones específicas en el organismo. Se clasifican en cuatro tipos principales: epitelial, conjuntivo, muscular y nervioso.

Tejido epitelial

Cubre las superficies del cuerpo y reviste cavidades internas, actuando como una barrera protectora.

Forma de las células

• Pavimentosas (planas): permiten el intercambio de sustancias.

• Cúbicas: participan en la absorción y secreción.

• Cilíndricas: especializadas en la absorción y transporte de sustancias.

Disposición de las células

• Epitelio simple: una sola capa de células.

• Epitelio estratificado: varias capas de células.

Tipos de epitelio

Epitelio pavimentoso simple

• Una capa de células planas.

• Se encuentra en los alvéolos pulmonares, permitiendo el intercambio gaseoso.

Epitelio pavimentoso estratificado

• Varias capas de células planas.

• Presente en la piel, brindando resistencia a la fricción.

Epitelio cilíndrico simple

• Una sola capa de células cilíndricas.

• Reviste el intestino delgado, facilitando la absorción de nutrientes.

Epitelio transicional estratificado

• Se encuentra en la vejiga, permitiendo su expansión y contracción.

Epitelio seudoestratificado

• Parece estratificado, pero todas las células contactan con la membrana basal.

• Se encuentra en la tráquea, con cilios que eliminan partículas inhaladas.

Epitelio cúbico

• Células en forma de cubo, presentes en glándulas y túbulos renales.

Tejido conjuntivo

Proporciona soporte estructural y metabólico a otros tejidos. Contiene células dispersas en una matriz extracelular compuesta por fibras y sustancia fundamental.

Tejido conjuntivo areolar y adiposo

• Areolar: Tejido laxo que envuelve órganos y vasos sanguíneos.

• Adiposo: Almacena grasa, actuando como aislante térmico y reserva energética.

Tejido conjuntivo fibroso denso

• Contiene fibras de colágeno organizadas, proporcionando gran resistencia.

• Se encuentra en los tendones y ligamentos.

Hueso y cartílago

• Hueso: Matriz rica en calcio y colágeno, proporcionando soporte estructural.

• Cartílago: Flexible y resistente, presente en las articulaciones y la nariz.

Sangre y tejido hematopoyético

• Sangre: Transporta oxígeno, nutrientes y desechos metabólicos.

• Tejido hematopoyético: Ubicado en la médula ósea, donde se producen células sanguíneas.

Tejido muscular

Permite el movimiento del cuerpo y la contracción de órganos.

Tejido muscular esquelético

• Compuesto por fibras multinucleadas organizadas en estrías.

• Controlado voluntariamente.

Tejido muscular cardíaco

• Se encuentra solo en el corazón.

• Sus células tienen discos intercalares, permitiendo una contracción rítmica sincronizada.

Tejido muscular liso

• Presente en órganos como el intestino y los vasos sanguíneos.

• Controlado por el sistema nervioso autónomo.

Tejido nervioso

Forma el cerebro, médula espinal y nervios. Está compuesto por:

• Neuronas: Transmiten impulsos eléctricos.

• Células gliales: Brindan soporte y protección a las neuronas.

Tabla 3-8: Tejidos muscular y nervioso

• Resume las diferencias entre los tipos de tejido muscular y su relación con el tejido nervioso.

SALUD Y BIENESTAR: TEJIDOS Y FORMA FÍSICA

La integridad de los tejidos es esencial para la salud y el funcionamiento del cuerpo. Factores como la nutrición, el ejercicio y la hidratación contribuyen al mantenimiento de los tejidos.

• Ejercicio regular: Estimula la producción de colágeno y elastina, esenciales para la piel y articulaciones.

• Dieta equilibrada: Aporta los nutrientes necesarios para la regeneración celular.

• Descanso adecuado: Permite la reparación de tejidos dañados.

CONCLUSIÓN

El estudio de la célula y los tejidos ha permitido entender los mecanismos fundamentales de la vida y su aplicación en la medicina y la biotecnología. Desde la estructura celular hasta los procesos de división y regeneración tisular, cada componente desempeña un papel esencial en el funcionamiento del organismo.