Fundamentos de Biología Celular: Organización, Estructura y Material Genético

Niveles de Organización Biológica

La materia viva se organiza en diferentes niveles de complejidad creciente:

• Nivel subatómico: Partículas como protones, neutrones y electrones.
• Nivel atómico: Átomos individuales (ej. Carbono, Hidrógeno, Oxígeno).
• Nivel molecular: Agrupaciones de átomos (ej. Agua, Glucosa, Proteínas, ADN).
• Nivel celular: La unidad básica de la vida (ej. Neurona, Bacteria).
• Nivel pluricelular: Organismos formados por múltiples células.
• Nivel población: Conjunto de individuos de la misma especie en un área.
• Nivel ecosistema: Interacción entre comunidades biológicas y su entorno físico.

Subniveles de Organización Pluricelular

Dentro del nivel pluricelular, existen subniveles de organización:

• Colonias: Agrupaciones de organismos unicelulares que colaboran.
• Talo: Cuerpo vegetativo no diferenciado en raíz, tallo y hojas (típico de algas, hongos, líquenes).
• Tejidos: Conjuntos de células especializadas similares que realizan una función común (ej. tejido muscular, tejido epitelial).
• Órganos: Estructuras formadas por diferentes tejidos que colaboran en una función específica (ej. corazón, hoja).
• Aparatos y Sistemas: Conjuntos de órganos que trabajan coordinadamente para realizar una función vital compleja (ej. sistema nervioso, aparato digestivo).

Teoría Celular

Proponentes

La Teoría Celular fue enunciada principalmente por Matthias Jakob Schleiden, Theodor Schwann y Rudolf Virchow entre 1838 y 1839, con aportaciones posteriores de Virchow.

Postulados Fundamentales

1. La célula como unidad estructural: Todos los organismos vivos están compuestos por una o más células.
2. La célula como unidad funcional: Todas las funciones vitales de los organismos ocurren dentro de las células o en su entorno inmediato.
3. La célula como unidad de origen (reproductiva): Toda célula procede de otra célula preexistente por división de ésta (Omnis cellula e cellula).

Componentes Fundamentales de la Célula

Toda célula posee tres elementos esenciales:

• La membrana plasmática.
• El citoplasma.
• El material genético (ADN).

La Membrana Plasmática

Es la estructura que delimita la célula, separando el medio interno (citoplasma) del medio externo. Su función principal es regular la entrada y salida de sustancias gracias a su permeabilidad selectiva. En las células vegetales, está rodeada externamente por una gruesa capa de celulosa denominada pared celular. En las células animales, está rodeada por la matriz extracelular.

El Citoplasma

Componentes del Citoplasma

El citoplasma comprende todo el contenido celular dentro de la membrana plasmática, excluyendo el núcleo en eucariotas. Sus componentes principales son:

• El citosol o hialoplasma: medio acuoso donde ocurren muchas reacciones metabólicas.
• El citoesqueleto: red de filamentos proteicos que da forma y soporte a la célula.
• Los orgánulos celulares: estructuras especializadas con funciones específicas.

Orgánulos Celulares: Estructura y Función

• Ribosomas: Estructuras globulares no rodeadas de membrana, formadas por proteínas y ARN ribosómico (ARNr). Su función es sintetizar las proteínas a partir de aminoácidos (aa), siguiendo la información del ARN mensajero (ARNm).
• Retículo Endoplasmático (RE): Red de sacos aplanados (cisternas) y túbulos interconectados. Existen dos tipos:
  • RE rugoso (RER): Con ribosomas adheridos; participa en la síntesis y modificación de proteínas.
  • RE liso (REL): Sin ribosomas; participa en la síntesis de lípidos, detoxificación y almacenamiento de calcio.
• Aparato de Golgi: Conjunto de sáculos aplanados y apilados (dictiosomas). Modifica, clasifica y empaqueta proteínas y lípidos para su secreción o envío a otros orgánulos. Sintetiza algunos glúcidos y dirige el tráfico vesicular de la célula.
• Lisosomas: Vesículas que proceden del aparato de Golgi, con un revestimiento protector interno. Están cargadas de enzimas digestivas (hidrolasas ácidas) que degradan material intracelular o incorporado del exterior. El revestimiento evita que degraden al propio lisosoma.
• Vacuolas: Estructuras membranosas que acumulan y almacenan agua, iones, nutrientes y productos de desecho. En las células vegetales, la vacuola central es única, permanente y muy grande, pudiendo desplazar al núcleo de la posición central.
• Mitocondrias: Orgánulos rodeados por una doble membrana. La membrana interna está plegada hacia dentro formando crestas mitocondriales. En su interior (matriz mitocondrial) y en las crestas se produce la respiración celular, proceso clave para la obtención de energía (ATP).
• Cloroplastos: Orgánulos exclusivos de células vegetales y algas, rodeados de una doble membrana. Contienen en su interior (estroma) una estructura membranosa formada por sacos apilados (grana), los tilacoides, que contienen clorofila y otros pigmentos. Aquí se realiza la fotosíntesis.
• Centrosoma: Orgánulo no rodeado de membrana, presente en células animales. Consta de dos centriolos dispuestos perpendicularmente y rodeados por el material pericentriolar. Es el principal centro organizador de microtúbulos y participa en la formación del huso mitótico durante la división celular.

El Material Genético

Localización del Material Genético

En las células procariotas (bacterias, arqueas), el material genético (ADN) se encuentra disperso en una región del citoplasma denominada nucleoide, sin estar rodeado por una membrana. En las células eucariotas (animales, plantas, hongos, protistas), el material genético se encuentra contenido dentro del núcleo, un orgánulo delimitado por una doble membrana (envoltura nuclear).

El Núcleo Eucariota

Es el orgánulo más característico y generalmente el más grande de la célula eucariota. Contiene el material genético (ADN) asociado a proteínas (principalmente histonas), formando la cromatina. Controla las actividades celulares regulando la expresión génica.

Estructura del ADN

El Ácido Desoxirribonucleico (ADN) es una molécula generalmente lineal en eucariotas (circular en procariotas, mitocondrias y cloroplastos), formada por dos largas cadenas de nucleótidos que son complementarias y antiparalelas, enrolladas helicoidalmente formando una doble hélice. Cada cadena puede estar formada por millones de nucleótidos.

Estructura de un Nucleótido

Cada nucleótido, la unidad básica de los ácidos nucleicos, está formado por:

• Un grupo fosfato (derivado del ácido fosfórico).
• Un azúcar de 5 carbonos (pentosa): desoxirribosa en el ADN y ribosa en el ARN.
• Una base nitrogenada: molécula cíclica de carbono y nitrógeno.

En el ADN hay 4 posibles bases nitrogenadas:

• Adenina (A)
• Guanina (G)
• Citosina (C)
• Timina (T)

En el ARN, la Timina (T) es reemplazada por el Uracilo (U).

Complementariedad de las Cadenas de ADN

Se dice que las dos cadenas de la molécula de ADN son complementarias porque las bases nitrogenadas se aparean específicamente entre sí mediante puentes de hidrógeno: la Adenina (A) siempre se aparea con la Timina (T) (mediante dos puentes de hidrógeno), y la Guanina (G) siempre se aparea con la Citosina (C) (mediante tres puentes de hidrógeno). De este modo, la secuencia de nucleótidos de una cadena determina de forma unívoca la secuencia de la cadena opuesta.

Información Contenida en el ADN

El ADN contiene la información genética necesaria para el desarrollo y funcionamiento de la célula y, en organismos pluricelulares, de todos los tipos celulares que lo componen. Esta información está codificada en la secuencia de nucleótidos. Segmentos específicos de ADN, llamados genes, contienen generalmente las instrucciones para sintetizar proteínas (o moléculas de ARN funcionales). Las proteínas son las moléculas efectoras que realizan la mayoría de las funciones celulares.

Mutaciones Puntuales

Una mutación puntual es un cambio en la secuencia de ADN que afecta a un único nucleótido o a un número muy reducido de ellos. Puede consistir en la sustitución de un nucleótido por otro, o en la inserción o deleción (pérdida) de uno o más nucleótidos. Estos cambios pueden alterar la secuencia de aminoácidos de la proteína codificada por el gen afectado, modificando o anulando su función. Las inserciones o deleciones, si no son múltiplo de tres, provocan un cambio en el marco de lectura, alterando toda la secuencia de aminoácidos a partir del punto de la mutación.