Biología y Microbiología, Enfermería URV: célula y genética

Historia de la citología, teoría celular e instrumental óptico

El nacimiento de la biología celular está estrechamente ligado al desarrollo tecnológico de los instrumentos de magnificación óptica. Desde la Antigüedad clásica, civilizaciones como la griega y la romana empleaban esferas de vidrio llenas de agua o lentes rudimentarias para examinar tejidos y heridas con mayor aumento. No obstante, no fue hasta el siglo XVII cuando la construcción de los primeros sistemas ópticos compuestos abrió las puertas al estudio del universo microscópico.

1. Hitos históricos y formulación de la teoría celular

En el año 1665, el científico inglés Robert Hooke publicó su obra Micrographia, en la cual describió el examen de finas láminas de corcho (tejido vegetal suberoso muerto). Hooke advirtió una trama regular de cavidades poliédricas que le recordaban a las celdas de un panal de abejas, acuñando para ellas el vocablo célula (del latín cellula, celdilla). Lo que realmente visualizó no eran células funcionales, sino las paredes celulares vegetales vacías que persistían tras la muerte celular.

Pocos años después, el comerciante neerlandés Anton van Leeuwenhoek (1632-1723), dotado de una extraordinaria habilidad técnica para pulir lentes biconvexas simples, diseñó microscopios de una sola lente capaces de alcanzar aumentos superiores a los instrumentos compuestos de su época. Sus meticulosas observaciones de aguas estancadas, sarro dental, fluidos biológicos y sangre sentaron las bases fundacionales de la Morfología Microscópica. Leeuwenhoek fue el primero en documentar microorganismos de vida libre —a los que bautizó como «animáculos», hoy conocidos como bacterias y protozoos—, así como la morfología de los glóbulos rojos y de los espermatozoides en el semen.

Hacia finales de la década de 1830 cristalizó la integración sistemática de estos descubrimientos:

• Matthias Schleiden (a menudo citado en textos históricos tempranos como Scheleiden), botánico alemán, postuló en 1838 que todas las estructuras vegetales, a pesar de sus variaciones morfológicas en raíz, tallo u hojas, están íntegramente constituidas por células y derivados celulares.
• Theodor Schwann (referenciado a veces como Schawann), zoólogo alemán, extendió en 1839 esta premisa al reino animal tras constatar que tejidos tan dispares como el cartílago, los adipocitos, los miocitos o las neuronas comparten una base celular común idéntica a la de las plantas.

De estos trabajos conjuntos surgieron los dos primeros postulados de la teoría celular: la célula representa la unidad estructural (anatómica) y la unidad fisiológica (funcional) de los seres vivos.

Esta deficiencia teórica fue corregida en 1855 por el patólogo Rudolf Virchow, quien consagró el tercer postulado universal con su célebre aforismo:

«Omnis cellula e cellula»

2. Fundamentos físicos: Magnificación y Límite de Resolución

En microscopía se deben discriminar dos conceptos esenciales que a menudo se confunden:

• Magnificación (aumento): Cociente matemático entre las dimensiones de la imagen obtenida y el tamaño real del objeto observado. Un aumento elevado sin nitidez carece de utilidad diagnóstica (aumento vacío).
• Límite de resolución ($LR$): Distancia espacial mínima que debe existir entre dos puntos contiguos de una muestra para que el sistema óptico los proyecte como entidades independientes y nítidamente separadas.
• Poder de resolución ($PR$): Capacidad cualitativa del microscopio para reproducir detalles finos. Es inversamente proporcional al límite de resolución:

De acuerdo con el principio de difracción de Ernst Abbe, el límite de resolución viene determinado por la longitud de onda (λ) de la radiación incidente y la apertura numérica (AN) del sistema de lentes ($LR = \frac{0{,}61 \times \text{λ}}{\text{AN}}$). Por consiguiente, a menor longitud de onda de la fuente emisora, menor será el valor de $LR$ y sustancialmente mayor será el poder de resolución alcanzado.

3. Modalidades de microscopía en biología celular

Microscopio óptico de campo claro (fotónico)

Constituye el instrumento básico de rutina en laboratorios clínicos y de investigación. Emplea como fuente de energía la luz blanca (espectro visible entre $390\text{ nm}$ y $750\text{ nm}$) y un juego de lentes convergentes de vidrio (condensador, objetivo y ocular). Proporciona una imagen final plana, invertida y virtual con un aumento útil típico de hasta $1000\times$ o $1500\times$. Permite estudiar células vivas o fijadas mediante tinciones histológicas convencionales.

Microscopio de fluorescencia

Modificación del microscopio óptico que utiliza radiaciones electromagnéticas de onda corta, principalmente luz ultravioleta (UV) o longitudes de onda del espectro visible inferior (azul o violeta, típicamente con longitudes de onda $< 520\text{ nm}$), emitidas comúnmente por una lámpara de arco de vapor de mercurio o sistemas LED especializados. Gracias a la menor longitud de onda empleada, ofrece una resolución discretamente superior a la del campo claro.

Se basa en el fenómeno de la fluorescencia: ciertas moléculas absorben radiación de alta energía y emiten fotones de menor energía (mayor longitud de onda dentro del espectro visible):

• Autofluorescencia (primaria): Propiedad intrínseca de componentes tisulares concretos, como la clorofila en células vegetales, la vitamina D o el pigmento flavina (presente de manera natural en secreciones como el plasma seminal).
• Fluorescencia secundaria: Marcaje mediante moléculas exógenas con afinidad molecular específica denominadas fluorocromos. Un ejemplo paradigmático es el naranja de acridina, el cual se intercala diferencialmente con los ácidos nucleicos: al interactuar con el ADN bicatenario emite fluorescencia verde-amarillenta, mientras que al unirse electrostáticamente al ARN monocatenario genera una intensa emisión de color rojo.

Microscopio electrónico

Sustituye la radiación luminosa por un haz de electrones acelerados al vacío y las lentes de vidrio por bobinas electromagnéticas. Dado que los electrones acelerados poseen una longitud de onda extraordinariamente reducida ($\text{λ} \thickapprox 0{,}005\text{ nm}$), el límite de resolución se reduce hasta niveles atómicos y subnanométricos, lo que permite visualizar ultraestructuras intracelulares, virus, macromoléculas complejas y la interacción de nanopartículas terapéuticas con envolturas bacterianas.

4. Comparativa de las tecnologías de microscopía

Ideas clave

• Robert Hooke acuñó el término célula en 1665 al observar cavidades suberosas de corcho, mientras que Leeuwenhoek describió por primera vez microorganismos vivos y espermatozoides.
• La teoría celular clásica fue formulada por Schleiden (1838) y Schwann (1839), estableciendo que todos los seres vivos están formados por células.
• Schleiden y Schwann erraron al apoyar la generación espontánea; Rudolf Virchow completó la teoría en 1855 demostrando que toda célula se origina de otra preexistente.
• El poder de resolución es inversamente proporcional al límite de resolución y es inversamente proporcional a la longitud de onda de la fuente emisora.
• El microscopio electrónico ofrece una resolución subnanométrica debido a la diminuta longitud de onda de los electrones en comparación con los fotones de la luz visible.

Pon a prueba lo aprendido

1. ¿Qué observó exactamente Robert Hooke en 1665 al acuñar el término célula? — Paredes celulares vacías en corcho muerto
2. ¿Cuál fue la aportación fundamental de Rudolf Virchow a la teoría celular en 1855? — El principio de biogénesis celular por división
3. Si se reduce la longitud de onda de la radiación utilizada en un microscopio: — Mejora la capacidad de resolver detalles
4. ¿Qué sustancia biológica exhibe autofluorescencia natural al ser excitada por luz ultravioleta? — El pigmento flavina

Organización celular: células procariotas y eucariotas

1. Bases evolutivas y clasificación filogenética

La reconstrucción de las relaciones evolutivas entre seres vivos se fundamenta en el análisis de macromoléculas informativas, principalmente ácidos nucleicos (ADN y ARN ribosómico) y secuencias polipeptídicas. Dado que las sustituciones nucleotídicas se acumulan a un ritmo estadísticamente constante a lo largo de las generaciones, estas secuencias operan como relojes moleculares: a menor divergencia en sus secuencias, más reciente es el ancestro común que comparten dos taxones.

A partir de estos estudios moleculares, la vida se clasifica en tres grandes dominios: Bacteria (eubacterias tradicionales), Archaea (organismos unicelulares que a menudo prosperan en condiciones extremas y comparten rasgos moleculares singulares con los eucariotas) y Eukarya. En términos de arquitectura celular básica, sin embargo, el mundo vivo se agrupa en dos grandes modelos: la organización procariota (bacterias y arqueas) y la organización eucariota (protistas, hongos, plantas y animales).

2. Compartimentación del material genético

La divergencia más evidente entre ambos linajes radica en la distribución de su información hereditaria:

• Célula procariota: Carece de una membrana que confine el ADN. El genoma se sitúa en una zona citoplasmática no delimitada denominada nucleoide, en contacto directo con los ribosomas y las proteínas metabólicas del citosol.
• Célula eucariota: Presenta una envoltura nuclear constituida por una doble bicapa lipídica perforada por complejos de poro nuclear. Esta barrera física separa la transcripción (en el interior del núcleo) de la traducción (en el citoplasma), permitiendo un procesamiento y una maduración postranscripcional rigurosa del ARN mensajero antes de su lectura.

3. Estructura genómica y mecanismos de segregación

Además de la presencia o ausencia de envoltura, la topología y el empaquetamiento del genoma difieren drásticamente:

• Genoma procariota: Constituido casi siempre por una única molécula circular de ADN bicatenario, cerrada covalentemente sobre sí misma. Las bacterias no poseen histonas para formar nucleosomas canónicos; en su lugar, reducen el volumen de su genoma mediante superenrollamiento negativo mediado por enzimas topoisomerasas (como la ADN girasa) y proteínas de anclaje. Su segregación ocurre sin ensamblar microtúbulos, asociada a la membrana celular durante la fisión binaria.
• Genoma eucariota: Se reparte en múltiples moléculas lineales de ADN bicatenario organizadas en cromosomas independientes. Requiere un ensamblaje regular con octámeros de histonas para formar nucleosomas. Durante la fase de división celular (mitosis y meiosis), los cromosomas condensados se distribuyen equitativamente entre las células hijas a través de una maquinaria motora basada en microtúbulos: el huso mitótico.

4. Complejidad citoplasmática y sistema de endomembranas

El interior de la célula eucariota no es un espacio libre y uniforme, sino un sistema altamente tabicado por membranas biológicas. Esta compartimentación genera microambientes bioquímicos con gradientes iónicos, pH específicos y concentraciones enzimáticas optimizadas para funciones concretas (como la síntesis lipídica y proteica en el retículo endoplasmático, el procesado y direccionamiento molecular en el complejo de Golgi, o la degradación en lisosomas).

Por el contrario, el citoplasma procariota está desprovisto de orgánulos rodeados por membrana lipídica, a excepción de especializaciones laminares fotosintéticas en determinados grupos (como las membranas tilacoidales de las cianobacterias). Al tener un volumen celular notablemente menor, las bacterias pueden satisfacer sus necesidades de transporte e intercambio de metabolitos esencialmente mediante difusión simple a través del citosol.

5. Ribosomas y arquitectura del citoesqueleto

Ambos tipos de células disponen de estructuras macromoleculares no delimitadas por membrana para realizar procesos esenciales, aunque exhiben diferencias taxonómicas clave:

• Ribosomas: Aunque la maquinaria central de síntesis proteica es universal, los procariotas poseen ribosomas $70\text{S}$ (integrados por subunidades de $50\text{S}$ y $30\text{S}$), más pequeños y con menor número de proteínas y ARNr que los ribosomas eucariotas $80\text{S}$ (subunidades de $60\text{S}$ y $40\text{S}$). Esta discrepancia es la base de la selectividad de numerosos antibióticos clínicos.
• Citoesqueleto: El citoesqueleto eucariota es una red tridimensional dinámica formada por microtúbulos, filamentos intermedios y filamentos de actina, encargada del tráfico vesicular, la forma, la locomoción activa y la citocinesis. En los procariotas existe un citoesqueleto homólogo ancestral (proteínas como FtsZ o MreB), pero estructuralmente mucho más simple.

6. Cuadro comparativo integral

Ideas clave

• Las moléculas informativas actúan como relojes moleculares que permitieron definir los dominios biológicos Bacteria, Archaea y Eukarya.
• La presencia de una envoltura nuclear en eucariotas disocia físicamente la transcripción de la traducción, mientras que en procariotas ambos procesos están acoplados.
• El genoma procariota suele ser un único cromosoma circular libre de histonas que se condensa por superenrollamiento, frente a los múltiples cromosomas lineales eucariotas asociados a histonas en forma de cromatina.
• El citoplasma eucariota está subdividido en compartimentos membranosos funcionales, reduciendo el espacio libre en el citosol en comparación con las bacterias.
• Los ribosomas de procariotas (70S) y eucariotas (80S) sintetizan polipéptidos mediante mecanismos similares pero difieren en su tamaño y componentes moleculares.

Pon a prueba lo aprendido

1. ¿Qué componente molecular conforma la pared celular de la mayoría de las bacterias? — Peptidoglicano
2. ¿Cómo se distribuyen los cromosomas eucariotas durante la segregación mitótica? — Mediante el huso mitótico microtubular
3. ¿Cuál es la constitución cromosómica típica del dominio procariota? — Una molécula circular covalentemente cerrada
4. ¿Qué coeficiente de sedimentación caracteriza a los ribosomas citosólicos procariotas frente a los eucariotas? — 70S frente a 80S

Estructura, composición lipídica y proteica de la membrana plasmática

La membrana plasmática constituye la frontera biológica fundamental que delimita a la célula, regulando el intercambio de materia y energía y permitiendo la compartimentación de los procesos metabólicos. Posee un espesor promedio de entre 5 y $10\text{ nm}$ y está constituida esencialmente por una matriz lipídica anfipática en la que se insertan y asocian diversos complejos proteicos y glúcidos periféricos.

El modelo del mosaico fluido y su evolución estructural

En 1972, S. Jonathan Singer y Garth L. Nicolson formularon el modelo del mosaico fluido. Según este postulado, la membrana no es una estructura rígida, sino una lámina fluida bidimensional formada por una doble capa de lípidos en la que las proteínas se encuentran incrustadas como piezas de un mosaico, libres de desplazarse lateralmente si no median restricciones estructurales.

Posteriormente, las aportaciones biofísicas de Nigel Unwin y Richard Henderson permitieron precisar la estructura atómica de las proteínas integrales de membrana. Demostraron que los segmentos que atraviesan el interior hidrófobo de la bicapa se organizan predominantemente en hélices $\alpha$ transmembrana, integradas por aminoácidos apolares cuyas cadenas laterales contactan de forma termodinámicamente favorable con las colas hidrocarbonadas de los lípidos.

Composición lipídica de la bicapa

Los lípidos representan el esqueleto estructural y confieren a la membrana su carácter de barrera semipermeable hidrófoba frente a solutos polares e iones. Todos los lípidos de membrana son moléculas anfipáticas: constan de una cabeza hidrofílica polar orientada hacia los medios acuosos (citosólico y extracelular) y colas hidrófobas apolares orientadas hacia el núcleo central de la bicapa.

Dinámica y asimetría de la bicapa

La bicapa lipídica no es estática; los lípidos presentan varios grados de libertad motriz condicionados por las fuerzas termodinámicas del medio:

• Difusión lateral: movimiento bidimensional muy veloz en el plano de una misma monocapa. Una molécula puede recorrer $1\text{--}2\,\mu\text{m}$ en apenas un segundo.
• Rotación: giro de la molécula lipídica sobre su propio eje longitudinal longitudinalmente sin alterar su localización planar.
• Flexión: balanceo y deformación conformacional de las colas de ácidos grasos en el interior apolar.
• Difusión transversal (movimiento flip-flop): salto de una molécula de una hemicapa a la opuesta. Desde el punto de vista biofísico es extremadamente infrecuente de manera espontánea, pues requiere cruzar la cabeza polar hidrofílica a través del núcleo hidrófobo central.

Para posibilitar y ordenar esta transferencia existen translocadores lipídicos específicos dependientes de energía:

1. Flipasas: transportan fosfolípidos aminados (como fosfatidilserina y fosfatidiletanolamina) desde la monocapa externa hacia la monocapa citosólica con gasto de ATP.
2. Flopasas: expulsan lípidos desde la monocapa interna a la monocapa externa empleando hidrólisis de ATP.
3. Escramblasas: mezclan lípidos en ambas direcciones a favor de gradiente de concentración sin consumo directo de energía, activadas comúnmente por iones de calcio ($\text{Ca}^{2+}$).

Proteínas de membrana: clasificación molecular

Aunque en número absoluto hay de 50 a 100 moléculas de lípidos por cada molécula de proteína, debido al elevado peso molecular proteico la proporción ponderal suele ser cercana al 50% en peso. Las proteínas definen la identidad funcional y fisiológica de la membrana, clasificándose según su grado de asociación a la bicapa:

Demostración de la movilidad de proteínas: el experimento de Frye y Edidin

La capacidad de desplazamiento lateral de las proteínas integrales en la matriz lipídica quedó demostrada formalmente en 1970 por Larry Frye y Michael Edidin mediante un célebre experimento de fusión celular:

1. Generación de heterocariones: se fusionaron células de ratón y células humanas cultivadas in vitro inducidas con el virus Sendai o polietilenglicol, originando células híbridas binucleadas.
2. Marcaje con fluorocromos ortogonales: se marcaron las proteínas de membrana con anticuerpos específicos: anticuerpos contra proteínas humanas conjugados con rodamina (emisión en espectro rojo) y anticuerpos contra proteínas de ratón unidos a fluoresceína (emisión en verde).
3. Observación inicial ($t = 0$): en el instante inmediatamente posterior a la fusión, las señales de fluorescencia estaban completamente segregadas; cada mitad de la célula híbrida presentaba un solo color bien definido.
4. Incubación térmica ($t = 40\text{ min}$): tras 40 minutos a $37^\circ\text{C}$, los marcadores fluorescentes rojo y verde se hallaban distribuidos homogéneamente en toda la superficie celular.

Si la incubación se realizaba a temperaturas cercanas a $0^\circ\text{C}$, no se producía la mezcla de los marcadores (mientras que los inhibidores del metabolismo energético no la impedían), lo que probó que las proteínas de membrana se desplazan pasivamente por difusión lateral facilitada por la fluidez de la matriz lipídica.

Ideas clave

• El modelo del mosaico fluido define la membrana como una bicapa lipídica anfipática fluida con proteínas dispersas que pueden desplazarse lateralmente.
• El colesterol regula la viscosidad actuando como amortiguador térmico que evita tanto la solidificación a bajas temperaturas como el desorden excesivo a temperaturas altas.
• La difusión lateral lipídica es muy veloz, mientras que la difusión transversal o flip-flop requiere translocadores proteicos dependientes de ATP (flipasas y flopasas).
• Las membranas presentan una distribución lipídica marcadamente asimétrica entre la hemicapa interna citoplásmica y la externa.
• Las proteínas se clasifican en integrales (embebidas hidrofóbicamente), periféricas (unidas electrostáticamente) y ancladas a lípidos (unidas covalentemente).
• El experimento de Frye y Edidin evidenció la fluidez de la membrana al constatar la mezcla de proteínas humanas y de ratón en heterocariones.

Pon a prueba lo aprendido

1. ¿Qué enzima transloca fosfolípidos específicos desde la capa externa hacia la capa citosólica consumiendo ATP? — Flipasa
2. ¿Cómo afecta la presencia de colesterol a la membrana a temperaturas fisiológicas elevadas? — Restringe el movimiento hidrocarbonado reduciendo fluidez
3. ¿Qué reactivo es imprescindible para aislar una proteína transmembrana integral? — Detergente iónico o no iónico
4. ¿En qué hemicapa de la membrana se localizan preferentemente los glucolípidos? — Exclusivamente en la monocapa externa