Características universales de las células. Características de las células procariontes. Relación entre el área de la superficie y el volumen.

Introducción

Tómate un momento y mírate a ti mismo. ¿Cuántos organismos ves? Tu primer pensamiento podría ser: solo uno, tú mismo. Sin embargo, si pudieras mirar más de cerca la superficie de tu piel o dentro de tu sistema digestivo, verías que en realidad hay muchos organismos que viven allí. ¡Así es! ¡Eres el hogar de alrededor de 100100 billones de células bacterianas!
Esto significa que tu cuerpo en realidad es un ecosistema. También quiere decir que tú, en alguna definición de la palabra tú, constas en realidad de los dos tipos principales de células: procariontes y eucariontes.
Todas las células entran en alguna de estas dos grandes categorías. Solo los organismos unicelulares de los dominios Bacteria y Archaea se clasifican como procariontes: pro significa antes de, y karyo, núcleo. Los animales, las plantas, los hongos y los protistas son todos eucariontes —eu significa verdadero— y están hechos de células eucariontes. Sin embargo, frecuentemente se encuentran algunos amigos procariontes rondando por ahí, como en el caso de los que viven con nosotros los humanos.
¡Eso depende de a quién se lo preguntes! En general, los procariontes son organismos unicelulares. Sin embargo, hay evidencia cada vez mayor de que algunos grupos de células procariontes pueden organizarse para formar estructuras que se asemejan a los organismos multicelulares. Si esto cuenta como un ser "realmente" multicelular, es una cuestión muy debatida entre los investigadores hoy en día.
Por ejemplo, algunos tipos de cianobacterias forman largas cadenas parecidas a filamentos, como se aprecia en la imagen siguiente. En estas cadenas, las células permanecen conectadas entre ellas después de la división celular y adquieren identidades y funciones únicas. Algunas células se especializan en realizar la fotosíntesis, proceso que produce azúcares mediante el uso de la energía solar. Puedes verlas en la imagen de abajo como las células más pequeñas y oscuras que forman la mayor parte de la cadena. Otras se especializan en la fijación del nitrógeno, esto es, convierten el nitrógeno atmosférico N2\text N_2 en formas biológicamente más útiles. En la imagen de abajo solo se aprecia una célula fijadora de nitrógeno, que se ve más redonda y clara que sus vecinas.
Imagen de células cianobacterianas que forman un filamento compuesto de tipos celulares diferentes. La mayoría de las células son pequeñas, pero una es redonda y tiene morfología diferente. Esta célula más grande es una célula fijadora de nitrógeno.
_Crédito de la imagen: modificada de "Anabaena circinalis" de BdCarl, CC BY-SA 3.0. La imagen modificada está registrada bajo licencia de CC BY-SA 3.0._

Componentes de las células procariontes

Hay algunos ingredientes esenciales que una célula necesita para ser una célula, ya sea procariota o eucariota. Todas las células comparten cuatro componentes fundamentales:
  1. La membrana plasmática, que es una cubierta externa que separa el interior de la célula de su entorno.
  2. El citoplasma, que se compone del citosol gelatinoso al interior de la célula y las estructuras celulares suspendidas en él. En eucariontes, el citoplasma se refiere específicamente a la región que se encuentra fuera del núcleo, pero dentro de la membrana plasmática.
  3. El ADN, que es el material genético de la célula.
  4. Los ribosomas, que son máquinas moleculares que sintetizan proteínas.
A pesar de estas similitudes, los procariontes y eucariontes difieren en una cantidad importante de formas. Un procarionte es un organimso unicelular simple que carece de un núcleo y de organelos rodeados de membrana. Hablaremos del núcleo y de los organelos rodeados de membrana en el artículo sobre células eucariontes, pero por lo pronto lo que hay que tener en cuenta es que las células procariontes no están divididas internamente por paredes membranosas, sino consisten de un solo espacio.
La mayor parte del ADN\text{ADN} procarionte se encuentra en una región central de la célula llamanda el nucleoide que típicamente se conforma de un gran bucle único conocido como el cromosoma circular. El nucleoide y otras characterísticas frecuentemente observadas de los procariontes se muestran en el diagrama siguiente del corte de una bacteria con forma de bastón.
Imagen de una célula procariota típica con sus partes señaladas.
_Crédito de imagen: modificación de "Células procariontes: Figura 1" de OpenStax College, Biología, CC BY 3.0_
La forma de las bacterias es diversa, por lo que no todas ellas tendrán las características que se muestran en el diagrama.
Sin embargo, la mayoría de ellas está rodeada de una pared celular rígida hecha de peptidoglicano, un polímero compuesto de carbohidratos enlazados y proteínas pequeñas. La pared celular provee una capa de protección extra, ayuda a mantener la forma de la célula y evita la deshidratación. Muchas bacterias tienen también una capa más externa de carbohidratos llamada cápsula. La cápsula es pegajosa y ayuda a que la célula se adhiera a las superficies de su medio ambiente.
Algunas bacterias también tienen estructuras especializadas en la superficie celular que les pueden ayudar a moverse, pegarse a superficies o incluso intercambiar material genético con otras bacterias. Por ejemplo, los flagelos son estructuras parecidas a un látigo que funcionan como motores rotatorios para ayudar a las bacterias a moverse.
Las fimbrias son estructuras numerosas que parecen pelos que se usan para la adhesión a células hospederas y otras superficies. Las bacterias también tienen estructuras en forma de bastón llamadas pili, que existen en diferentes variedades. Por ejemplo, algunos tipos de pili permiten a la bacteria transferir moléculas de ADN\text{ADN} a otras bacterias, mientras que otros están implicados en la locomoción bacteriana, y le ayudan a la bacteria a moverse.
Es posible que hayas escuchado decir que las fimbrias son un tipo de pili. Algunas fuentes, por ejemplo, las llaman pili común o pili de sujeción1^1. Estos nombres son el reflejo de una larga historia en la que los científicos han utilizado dos términos diferentes, fimbrias y pili, para describir las proyecciones superficiales de las células bacterianas.
Generalmente, el término fimbria se usa para describir un tipo de proyección de la superficie celular que se encuentra en grandes números, es relativamente corta y participa en la adhesión a superficies. Por otro lado, el término pili se usa para proyecciones de la superficie celular que son menos numerosas, más largas y más especializadas. Así es como utilizamos estos dos términos en este artículo.
Las arqueas también pueden tener la mayoría de estas características en su superficie celular, pero sus versiones generalmente son diferentes de aquellas de las bacterias. Por ejemplo, aunque las arqueas también tienen una pared celular, esta no está compuesta de peptidoglicanos, aunque sí contiene carbohidratos y proteínas.

Tamaño celular

Las células procariontes varían de 0.1 a 5.0 micras (μm) en diámetro y son significativamente más pequeñas que las eucariontes, que generalmente van de 10 a 100 μm.
La siguiente figura muestra en una escala logarítmica los tamaños de células procariontes o bacterianas, y eucariontes, vegetales y animales, así como otras moléculas y organismos. Cada unidad en la escala logarítmica representa un incremento de 10 veces con respecto a la unidad anterior, por lo que ¡estamos hablando de grandes diferencias en tamaño!
Gráfico que muestra, en orden, los tamaños relativos de objetos que van de los átomos a las proteínas, de los virus a las bacterias, a las células animales, a los huevos de gallina, a los seres humanos.
_Crédito de imagen: "Células procariontes: FIgura 2" de OpenStax College, Biología, CC BY 3.0_
Con algunas excepciones fantásticas (échale un vistazo a las algas unicelulares Caulerpa), las células deben permanecer bastante pequeñas, sin importar si son procariontes o eucariontes. ¿Por qué? La respuesta básica es que, conforme las células son más grandes, les es más difícil intercambiar suficientes nutrientes y desechos con su entorno. Para entender como funciona esto, veamos la relación entre el área de la superficie y el volumen.
Supongamos, para mantener las cosas sencillas, que tenemos una célula en forma de cubo. Algunas células vegetales efectivamente tienen esa forma. Si la longitud de uno de sus lados es ll, el área de la superficie del cubo será 6l26l^2 y el volumen, l3l^3. Esto significa que a medida que ll se hace más grande, el área de la superficie aumentará rápidamente ya que cambia con el cuadrado de ll. Sin embargo, el volumen se incrementará aún más rápido, ya que cambia con el cubo de ll.
Por lo tanto, a medida que la célula crece, su relación entre el área superficial y el volumen disminuye. Por ejemplo, la célula en forma de cubo que se encuentra a la izquierda tiene un volumen de 1 mm3^3 y un área superficial de 6 mm2^2, por lo que la relación entre área superficial y volumen es de seis a uno; mientras que la célula de la derecha tiene un volumen de 8 mm3^3 y un área superficial de 24 mm2^2, con una relación tres a uno entre el área superficial y el volumen.
Imagen de dos cubos de diferentes tamaños. El cubo de la izquierda tiene lados de 1 mm, mientras que el cubo de la derecha tiene lados de 2 mm.
_Crédito de imagen: modificación de "Células procariontes: FIgura 3" de OpenStax College, Biología, CC BY 3.0_
La relación entre área superficial y volumen es importante porque la membrana plasmática es la interfaz entre la célula y su entorno. Si la célula necesita absorber nutrientes, debe hacerlo a través de la membrana plasmática y, si necesita eliminar desechos, la membrana es su única ruta.
Cada pedazo de la membrana puede intercambiar solo una cantidad determinada de una sustancia en un periodo de tiempo dado, debido, por ejemplo, a que tiene un número limitado de canales. Si la célula crece demasiado, su membrana no tendrá la capacidad de intercambio suficiente (área superficial, función cuadrada) para sostener la tasa de intercambio que requiere su aumento en la actividad metabólica (volumen, función cúbica).
El problema de la relación entre área superficial y volumen es solo una de las múltiples dificultades planteadas por un mayor tamaño celular. Al aumentar el tamaño, el transporte de materiales dentro de las células se hace más tardado. Estas consideraciones ponen un límite superior general al tamaño celular, en el que los eucariontes superan a los procariontes gracias a sus características estructurales y metabólicas, las cuales exploraremos en la siguiente sección.
Algunas células también usan trucos geométricos para evitar el problema de la relación entre área superficial y volumen. Por ejemplo, algunas células son largas y delgadas o tienen muchas protuberancias en su superficie, características que aumentan el área superficial en relación con su volumen2^2.

Créditos

Este artículo es un derivado modificado de “Prokaryotic cells (Células procariontes)” escrito de OpenStax College, Biología, CC BY 3.0. Descarga gratis el artículo original en http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@9.85:17/Biology.
El artículo modificado está autorizado bajo una licencia CC BY-NC-SA 4.0.

Referencias citadas

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  2. Reece, J. B., L. A. Urry, M. L. Cain, S. A. Wasserman, P. V. Minorsky, y R. B. Jackson, "A tour of the cell," (Un recorrido por la célula), en Campbell biology, 10a ed. (San Francisco, CA: Pearson, 2011), 98.

Referencias adicionales

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"Caulerpa". Wikipedia. 1 de diciembre, 2014. Consultado el 9 de agosto, 2015. https://en.wikipedia.org/wiki/Caulerpa.
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Raven, P. H., G. B. Johnson, K. A. Mason, J. B. Losos, y S. R. Singer. "Cell structure." (Estructura celular). En Biology, 59-87. 10a ed. AP ed. New York, NY: McGraw-Hill, 2014.
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Reece, J. B., L. A. Urry, M. L. Cain, S. A. Wasserman, P. V. Minorsky, y R. B. Jackson. "Structural and functional adaptations contribute to prokaryotic success." (Las adaptaciones estructurales y funcionales contribuyen al éxito de los procariontes), 92-123. 10a ed. San Francisco, CA: Pearson, 2011.
"Surface-area-to-volume ratio." (Relación entre volumen y área superficial). Wikipedia, 1 de agosto, 2015. Consultado el 9 de agosto, 2015. https://en.wikipedia.org/wiki/Surface-area-to-volume_ratio.
Todar, K. "Structure and function of bacterial cells." (Estructura y funcionamiento de las células bacterianas). Todar's online textbook of bacteriology. 2012. http://textbookofbacteriology.net/structure_3.html.
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