jueves, 3 de noviembre de 2011

Cultivos de células animales

Los científicos han desarrollado metodologías para aislar células y obtener poblaciones celulares homogéneas, que luego pueden ser incluso mantenidas y multiplicadas in vitro ("en vidrio" = en recipientes especiales, en el laboratorio). Los cultivos celulares son esenciales en la investigación científica, ya que permiten estudiar los procesos que ocurren en las células, y en diversas aplicaciones de la biotecnología, como la producción de moléculas de interés industrial, ingeniería de tejidos, etc.



 
¿Cómo se obtienen las células?
  cell sorter. "microdisección de captura por láser", puede utilizarse para aislar y estudiar diferentes partes de un tumor, por ejemplo. Otra técnica relacionada emplea un láser para disectar un grupo de células y "catapultarlas" a un contenedor apropiado para un posterior análisis.
El primer paso para aislar células de un mismo tipo a partir de un tejido (generalmente formado por células de diversos tipos) consiste en separar la matriz extracelular que las mantiene unidas. Para lograrlo, la muestra de tejido es tratada con diversas enzimas proteolíticas (como tripsina y colagenasas) que degradan las proteínas de la matriz; y también se utilizan agentes (como el EDTA -ácido etilendiaminotetraacético) que secuestran al ión calcio, del cual depende la adherencia celular. De esta forma, y mediante una suave agitación, se obtiene una suspensión celular que contiene a todas las células presentes en ese tejido.
Para separar los diferentes tipos celulares se pueden utilizar varios métodos:

1. La centrifugación, que permite separar a las células por tamaño.
2. La capacidad de adherencia al vidrio o al plástico que tienen algunos tipos celulares.
3. La unión a ciertos anticuerpos específicos para determinados componentes celulares. Estos anticuerpos se usan unidos a diferentes matrices (colágeno, bolitas de polisacáridos, de látex o de plástico). Las células unidas a la matriz (a través de los anticuerpos) se recuperan por agitación, tratamiento con tripsina (digiere a las proteínas que median la adhesión) o, en el caso de una matriz digerible (como el colágeno), degradando la propia matriz con enzimas (como la colagenasa).
4. La unión a ciertos anticuerpos acoplados a colorantes fluorescentes. Las células que contienen un determinado componente son reconocidas y "marcadas" por los anticuerpos. Las células marcadas son separadas de las no marcadas en un separador de células activado por fluorescencia o
5. La disección de un grupo de células a partir de una sección de tejido preparada para microscopía. La región que contiene las células de interés es irradiada con un láser, que funde un pequeño círculo con las células que están por debajo. Estas células capturadas son luego removidas para un posterior análisis. La técnica, denominada



¿Cómo se cultivan las células?

La mayoría de las células animales y vegetales aisladas pueden vivir, multiplicarse, e incluso presentar ciertas propiedades diferenciales, si se las cultiva en placas de plástico y con medios de cultivo adecuados. Así, las células pueden ser observadas continuamente bajo el microscopio o analizadas bioquímicamente, para estudiar los efectos del agregado o remoción de moléculas específicas, como hormonas o factores de crecimiento. Además, se pueden estudiar las interacciones entre células, cultivando en la misma placa más de un tipo celular. Cuando los experimentos se realizan con cultivos celulares, se los denomina ensayos "

El cultivo de tejidos y células comenzó en 1907 con un experimento diseñado para esclarecer una controversia en el área de la neurobiología. El investigador Dr. Ross Harrison, quien trabajaba en la Universidad Johns Hopkins, publicó un breve pero crítico artículo ("Observaciones de la fibra nerviosa viva en desarrollo") que introdujo exitosamente una nueva técnica, el cultivo de tejidos, para demostrar experimentalmente cómo se originan las fibras nerviosas. Los experimentos originales con fibras nerviosas se basaron en el cultivo de pequeños fragmentos de tejidos, llamados "explantos". Utilizando técnicas asépticas, Harrison tomó fragmentos del tubo neural (tejido embrionario precursor del sistema nervioso) de un embrión de rana, y lo depositó en una gota de líquido linfático fresco ("medio de cultivo") de rana colocada sobre un cubreobjetos estéril. Una vez que la linfa coaguló, invirtió el cubreobjetos sobre un portaobjetos de vidrio que poseía una depresión, creando así un cultivo en gota suspendida, técnica utilizada por los microbiólogos para estudiar las bacterias. Luego de periódicas observaciones al microscopio, pudo describir el desarrollo de fibras nerviosas

Como se mencionó anteriormente, los cultivos se establecen principalmente a partir de suspensiones celulares generadas por disgregación de tejidos. A diferencia de las bacterias, la mayoría de las células que forman parte de tejidos no pueden vivir en suspensión, y requieren una superficie sólida sobre la cual crecer y multiplicarse. Este soporte generalmente es la base de una placa o frasco de plástico, aunque a veces los requerimientos son más complejos y el plástico debe antes recubrirse con componentes de la matriz extracelular (sustancia que rodea y contiene a las células en los tejidos, y con la cual interactúan), como por ejemplo el colágeno y la laminina.
Cultivos primarios
Se denominan así a aquellos cultivos preparados directamente a partir de un tejido u órgano. Pueden iniciarse con o sin fraccionamiento previo para separar los distintos tipos celulares. En estos cultivos las células están vivas, conservan sus características originales y su proliferación es limitada. Pueden ser removidas del recipiente de cultivo para formar cultivos secundarios.

Cultivos secundarios
En estas condiciones las células suelen multiplicarse hasta cubrir la superficie del recipiente de cultivo, formando una
Cultivos continuos o líneas celulares
La mayoría de las células de los vertebrados dejan de dividirse luego de un determinado número de divisiones en cultivo, por un proceso llamado
A los fibroblastos humanos se los puede forzar a proliferar indefinidamente si se les provee el gen que codifica para la telomerasa; así, pueden propagarse como una línea celular "inmortalizada".
Pero como se mencionó, no todas las células humanas se inmortalizan de la misma manera. Algunas células, a pesar de que sus telómeros permanezcan largos, pueden frenar sus divisiones celulares como consecuencia de la activación de mecanismos denominados "puntos de control" (
A diferencia de las células humanas, las de los roedores no tienen "apagado" el gen de la telomerasa, por lo que sus telómeros mantienen el largo a través de las divisiones celulares. Pero cuando son cultivadas, esas células experimentan cambios genéticos que inactivan los mecanismos de
A pesar de la gran similitud que las células de una línea tienen entre sí, no son idénticas. La uniformidad genética en una línea celular puede mejorarse por clonado celular, a través del cual se aísla una sola célula, la que prolifera para formar una colonia de células clonales (idénticas). Una de las aplicaciones más importantes de esta estrategia es el aislamiento de líneas celulares mutantes que poseen defectos en ciertos genes. Su estudio puede servir para inferir el papel que tiene la proteína ausente o alterada en las células normales.
Entre los cultivos celulares más promisorios, desde el punto de vista médico, se encuentran las líneas de células madre embrionarias humanas. Estas células, obtenidas del macizo celular interno de un embrión en los primeros estadios del desarrollo, pueden proliferar indefinidamente reteniendo la habilidad de originar cualquier tipo celular del cuerpo. Estos cultivos celulares podrían revolucionar la medicina al proveer de células capaces de reemplazar o reparar tejidos dañados. Hay otras fuentes de células madre que se están investigando en tejidos adultos, como la médula ósea y el cordón umbilical.
¿Qué contienen los medios para el cultivo de células?

Hasta los años ´70, el cultivo de tejidos parecía ser producto de una mezcla de ciencia y alquimia. De a poco, los fluidos coagulados (como en el experimento de Harrison) fueron reemplazados por placas con medios líquidos que contenían pequeñas cantidades de una serie de moléculas necesarias para la supervivencia y multiplicación celular: sales, glucosa, aminoácidos y vitaminas. Además, la mayoría de los medios incluían una mezcla poco definida de macromoléculas adicionadas bajo la forma de suero fetal bovino o equino, o extracto crudo de embriones de pollo. Dichos medios se siguen utilizando en la actualidad para los cultivos de rutina, y por lo tanto es difícil saber qué macromoléculas requiere un determinado tipo celular para funcionar y multiplicarse. Como consecuencia, se desarrollaron numerosos medios químicamente definidos, denominados "libres de suero", que poseen, además de las pequeñas moléculas mencionadas, varias proteínas específicas necesarias para la supervivencia y proliferación, como los factores de crecimiento. Así, gracias a estudios que buscaban establecer las condiciones mínimas de cultivo para un comportamiento celular adecuado, se descubrieron muchas moléculas de señalización extracelulares esenciales para la supervivencia, desarrollo y proliferación de determinados tipos celulares.
Los medios de cultivo son generalmente tamponados para mantener un pH alrededor de 7,4 y tienen, además, indicadores de pH, como el rojo fenol, que cambian de color a medida que aparecen catabolitos ácidos como resultado del metabolismo celular. Suelen agregarse también antibióticos y antimicóticos para impedir la contaminación con microorganismos.


Aminoácidos
Composición de medios de cultivo para células de mamífero

Vitaminas

Sales

Otros compuestos*

Proteínas requeridas en los medios definidos libres de suero

Arginina
Cisteína
Glutamina
Histidina
Isoleucina
Leucina
Lisina
Metionina
Fenilalanina
Treonina
Triptofano
Tirosina
Valina

Biotina
Colina
Folato
Nicotinamida
Pantotenato
Piridoxal
Tiamina
Riboflavina

NaCl
KCl
NaH2PO4
NaHCO3
CaCl2
MgCl2

Glucosa
Penicilina
Estreptomicina
Anfotericina
Rojo fenol
Suero fetal bovino

Insulina
Transferrina
Factores de crecimiento específicos



¿En qué recipientes se cultivan las células?

Existen numerosos contenedores y recipientes para cultivar células y tejidos, dependiendo de las características de las células a cultivar y de la escala deseada. Cuando se cultivan células para hacer experimentos, se hacen cultivos a pequeña escala. En esta escala, las células de multiplican en frascos que tienen una base de 25 a 175 cm2 . 
En un recipiente típico de 175cm2 pueden obtenerse aproximadamente 1x107 células adheridas, y unas 1x108 células cuando se trata de líneas que crecen en suspensión. En los frascos T estándares no es posible producir cantidades mayores de células, dada la cantidad de tiempo insumida para los repetidos pasajes necesarios a medio fresco, la demanda de espacio en un incubador (que controla la composición de gases, la temperatura y la humedad del entorno) y el costo de los insumos.

Cuando se necesita aumentar la escala del cultivo (escalado o scaling-up), se deben tener en cuenta numerosos parámetros, incluyendo problemas asociados con la falta de nutrientes, el intercambio gaseoso (especialmente la escasez de oxígeno), y la aparición de metabolitos tóxicos como el amonio y el ácido láctico. Existen muchos sistemas para escalar los cultivos celulares. Entre ellos, es posible encontrar desde arreglos de frascos triples y botellas cilíndricas, hasta biorreactores más complejos en su estructura. En todos los casos, es necesario asegurar el correcto intercambio gaseoso y la disponibilidad de nutrientes. Por ejemplo, el arreglo de botellas de cultivo sobre rodillos que se muestra en la figura 6c, está diseñado de forma tal que las células cubran toda la superficie interna de la botella, con rodillos que al girar aseguran que el medio de cultivo bañe a todas las células, aportándole nutrientes y retirando desechos. Otro ejemplo es el biorreactor (6d) que permite obtener un rendimiento importante de anticuerpos a partir de un cultivo celular. La adición de bolitas de distintos materiales inertes puede ayudar también a aumentar la densidad celular en cultivos al aumentar la superficie de cultivo entre 10 y 100 veces.
Ambos tipos de líneas celulares son muy útiles en la investigación celular, como fuente de un gran número de células uniformes, que pueden ser conservadas y almacenadas en nitrógeno líquido (a -196 °C) por un período muy largo de tiempo, reteniendo su viabilidad y siendo un buen modelo experimental para las primeras etapas de una investigación.  senescencia celular. Por ejemplo, los fibroblastos humanos normales se dividen solamente entre 25 y 40 veces en cultivo, antes de detenerse. En estas células, así como en muchas otras, la capacidad limitada de proliferación es el resultado de un acortamiento progresivo de los telómeros (porción de ADN que se encuentra en los extremos de los cromosomas). En las células somáticas (todas las células que no son células sexuales) se encuentra "apagado" el gen que codifica para la enzima telomerasa, que se encarga de mantener la integridad de los telómeros; como consecuencia, los telómeros se acortan en cada división celular. check points) del ciclo celular. Para inmortalizar estas células, hay que lograr la inactivación de los check-points. Una forma de hacerlo es introducir ciertos "oncogenes" (genes promotores del cáncer) que pueden obtenerse de virus que causan cáncer, como algunas cepas del virus del papiloma humano, adenovirus, etc.  monocapa (capa de una célula de espesor). Como consecuencia del contacto entre las células se detiene temporalmente su proliferación, hasta que se las subcultiva a un recipiente con medio fresco. Así, podrán subcultivarse durante semanas o meses. En este estadío, las células frecuentemente mostrarán distintas propiedades según su origen. Por ejemplo, los fibroblastos (células que sintetizan fibras y mantienen la matriz extracelular del tejido de muchos animales) secretarán colágeno, las células derivadas de tejido muscular esquelético se fusionarán para generar fibras musculares con capacidad contráctil espontánea, las células nerviosas extenderán prolongaciones (axones) eléctricamente excitables que podrán conectarse (establecer sinapsis) con otras células nerviosas, las células epiteliales formarán largas capas con varias propiedades de un epitelio intacto. Gracias a que estos fenómenos ocurren en cultivo, es posible estudiarlos con diferentes metodologías, a veces no aplicables a tejidos intactos.   in vitro a partir de las neuronas presentes en el tejido extirpado. Así, además de argumentar sólidamente la "doctrina neural", resolvió los problemas básicos del cultivo celular, como el medio, la observación y la contaminación.  in vitro" ("en vidrio"), para diferenciarlos de aquellos que se llevan a cabo en organismos completos, o experimentos "in vivo" ("en organismo viviente").

ADN - Genes -

Todas las características y funciones celulares se encuentran en su material genético: el ADN. Veamos el esquema de una célula animal (Fig. 1): está rodeada por una membrana plasmática y en su citoplasma se encuentran organelas que realizan diferentes funciones. Entre ellas, encontramos al núcleo (Fig. 2) y es allí donde vamos a buscar las moléculas que queremos estudiar. En el núcleo encontramos a los cromosomas, que inmediatamente antes de la división celular adoptan una forma de X (Fig. 3). Para cada especie, el número de cromosomas es fijo, los humanos tenemos 46 cromosomas por célula, agrupados en 23 pares, de los cuales 22 son autosomas y uno es sexual. (Una mujer tendrá un par de cromosomas sexuales XX y un varón tendrá un par XY) (Fig. 4). Cada cromosoma tiene dos brazos idénticos, denominados cromátidas hermanas, unidas por una estructura llamada centrómero (Fig. 5). Estas cromátidas se van a separar a nivel del centrómero en el momento de la división celular.

Este proceso, conocido como mitosis, es muy preciso, ya que asegura que cada célula hija reciba el mismo número de cromosomas y la misma información.
En la Fig. 6 vemos que cada cromátida del cromosoma está compuesta por una molécula muy enrollada: el ADN o ácido desoxirribonucleico. El ADN es la molécula que estábamos buscando. Se compone de dos cadenas, cada una formada por nucleótidos. Cada nucleótido está compuesto por un azúcar, la desoxirribosa, un fosfato y una base nitrogenada. Las bases nitrogenadas son cuatro: adenina (A), timina (T), citosina (C), y guanina (G), y, como vemos en el esquema, siempre una A se enfrenta a una T y una C se enfrenta a una G en la doble cadena (Fig. 7) . En el espacio, el ADN adopta una forma de doble hélice (Fig. 8), denominada estructura de Watson y Crick, debido a los investigadores que la descubrieron. Podemos imaginar entonces al ADN como una escalera que gira sobre sí misma y donde los lados son cadenas de azúcares y fosfatos, conectadas por “escalones”, que son las bases nitrogenadas.

En realidad la molécula de ADN se asocia a proteínas, llamadas histonas, y se encuentra muy enrollada y compactada para formar el cromosoma (Fig. 9), que resulta ¡50.000 más corto que la molécula de ADN original! Hasta aquí podemos concluir entonces que un cromosoma está compuesto por dos cromátidas hermanas y que cada cromátida hermana está compuesta por una molécula de ADN.

Durante la división celular las cromátidas hermanas se separarán, migrarán hacia los polos de la célula y finalmente constituirán los cromosomas de las células hijas. Cada célula hija iniciará más tarde su propia mitosis y para ello cada uno de sus cromosomas deberá estar constituido por dos cromátidas. ¿Cómo ocurre esta duplicación? La clave es que la molécula de ADN tiene la capacidad de replicarse, es decir, de generar moléculas hijas idénticas a la original. Durante la replicación, la molécula de ADN se desenrolla, separando sus cadenas. Cada una de éstas servirá como molde para la síntesis de nuevas hebras de ADN complementarias a la original. Para eso, la enzima ADN-polimerasa coloca nucleótidos siguiendo la regla de apareamiento A-T y C-G (Fig. 10). 

  • Información genética.
La información guardada en el ADN es una secuencia de bases A, T, C y G que se combinan para originar “palabras” denominadas genes. Los genes son fragmentos de ADN cuya secuencia nucleotídica codifica para una proteína* (Fig. 11). Las proteínas son macromoléculas fundamentales para las funciones celulares (hay proteínas estructurales, otras son enzimas, otras transportan oxígeno, como la hemoglobina, y hay otras involucradas en la defensa inmunitaria, como los anticuerpos). Así como el ADN está compuesto por nucleótidos, las proteínas están compuestas por aminoácidos (Fig 12 y 13). Hay 20 aminoácidos, y cada proteína tiene una secuencia de aminoácidos particular.  Las palabras (genes) escritas en el ADN en el lenguaje de los nucleótidos primero se copian o transcriben a otra molécula, el ARN mensajero, y luego se traducen al idioma de las proteínas, el de los aminoácidos. Este flujo de información se conoce como el “dogma central de la biología” (Fig. 14). La transcripción es el proceso por el cual una enzima, denominada ARN polimerasa, copia la secuencia de ADN fabricando ahora ARN. El proceso es similar a la replicación, pero ahora la molécula nueva, de cadena simple, es ARN. Se denomina ARN mensajero porque va a llevar la información para que la maquinaria de síntesis proteica fabrique la proteína correspondiente. El ARN, o ácido ribonucleico, es similar al ADN aunque no igual. Se diferencia de éste en que es de cadena simple, en lugar del azúcar desoxirribosa tiene ribosa, y en lugar de la base nitrogenada timina, (T), tiene uracilo (U). Así, como muestra la Figura 15, durante la síntesis del ARN, la enzima ARN polimerasa leerá en el ADN una A y colocará una U. 

Para hacer una proteína, el ARN mensajero se lee cada tres nucleótidos (triplete). Cada triplete de bases se denomina codón (Fig. 16). Si consideramos la combinación de cuatro bases tomadas de a tres, tenemos un total de 64 codones posibles. A cada codón le corresponde un aminoácido, como podemos ver en la Fig. 17. Esta tabla es el “diccionario” que nos permite traducir la información escrita en el lenguaje de los ácidos nucleicos (en nucleótidos) al lenguaje de las proteínas (aminoácidos), y es universal, o sea, es válido para todos los seres vivos. Así, la secuencia ATG (AUG en el ARNm) codifica para el aminoácido metionina, y el codón TTT (UUU en el ARNm) codifica para el aminoácido fenilalanina en todos los organismos vivos.

El código genético consiste en 61 codones que corresponden a aminoácidos y 3 codones de terminación (codones stop), responsables de la finalización de la síntesis proteica. Como sólo existen 20 aminoácidos en la naturaleza, varios codones pueden codificar para el mismo aminoácido (por ejemplo, al aminoácido glicina le corresponden los codones GGU, GGC, GGA y GGG).

El código genético fue elucidado por Marshall Nirenberg y Heinrich Matthaei, diez años después de que Watson y Crick describieran la estructura de doble hélice del ADN. Descubrieron que el ARN, independientemente del organismo del cual era aislado, podía iniciar la síntesis de proteínas cuando se lo incubaba junto a extractos celulares. Agregando un ARN sintético formado sólo por uracilos (poli-U), determinaron que el codón UUU (el único posible en el ARN poli-U) codificaba para el aminoácido fenilalanina, ya que el único producto que aparecía en el tubo era un polipéptido que contenía sólo este aminoácido. De la misma manera, un ARN artificial que consistía en nucléotidos A y C alternados originaba un polipéptido formado por histidinas y treoninas. Así, observando los productos formados luego de la incubación con una serie de ARN sintéticos, estos investigadores consiguieron descifrar el código genético.

Cada codón del ARNm en realidad es leído por otro ARN, llamado ARN de transferencia (ARNt), que actúa como un “adaptador” entre la información que lleva el ARNm y los aminoácidos que deben ir colocándose para formar la proteína correspondiente. El ARNt es muy pequeño comparado con los ARNm o ARN ribosomales, y tiene una estructura particular, denominada “hoja de trébol” (Fig. 18). El ARNt tiene una secuencia, denominada anticodón que aparea (es decir, es complementaria) con el codón. Cada ARN de transferencia tiene un anticodón y “carga” un aminoácido en particular. Por ejemplo, como se muestra en la Fig. 18, el ARNt que tiene el anticodón UCA, se aparea al codón AGU, y carga el aminoácido serina (Ser). De la misma manera, el ARNt que carga tirosina (Tyr) se aparea, a través de su anticodón, con el codón UAC. La Figura 19 muestra cómo se va formando una cadena polipeptídica (proteína) a medida que los ARNt reconocen sus respectivos codones. Este proceso complejo de síntesis proteica se denomina traducción y ocurre sobre los ribosomas.
Tanto la replicación del ADN como la transcripción ocurren en el núcleo. El ARNm recién sintetizado viaja luego al citoplasma donde se traduce para originar la proteína correspondiente (Fig. 20). 

  • Mutación.
A veces, y este es un fenómeno relativamente frecuente, la enzima que se encarga de la replicación (ADN polimerasa) se equivoca, es decir, coloca un nucleótido en lugar de otro. Veamos qué puede ocurrir entonces (Fig. 24). En el panel superior (ADN) vemos la secuencia de un fragmento de un gen; cuando éste se transcribe origina un ARN mensajero (ARNm), el cual es leído por la maquinaria de traducción para dar una proteína cuya secuencia de aminoácidos se ve más abajo (proteína). Supongamos ahora (panel de la izquierda) que la enzima ADN polimerasa se equivocó y colocó una T en lugar de la quinta A de la secuencia. Al traducirse el mensajero correspondiente, aparece una leucina en lugar de una histidina, porque el codón CAC original ahora es CUC. Por lo tanto, la proteína generada es diferente en un aminoácido a la original. Este cambio podría alterar o anular la función de la proteína. En el panel de la derecha vemos otro ejemplo, donde el codón UGG cambia a UAG, pero UAG es un codón de “parada”, o sea que la nueva proteína ahora es más corta, y probablemente no pueda realizar su función. Estos ejemplos ilustran el efecto de los cambios o mutaciones puntuales (debidos a un único cambio en la secuencia) en la proteína final. En algunos casos estas mutaciones pueden provocar la falta de actividad de una proteína esencial y causar una enfermedad. Las enfermedades genéticas surgen de mutaciones espontáneas que ocurren en las células germinales (óvulos y espermatozoides) y que por lo tanto se transmiten a las generaciones siguientes. Es importante recordar que cada cromosoma tiene su par homólogo, de manera que podemos ser portadores de una mutación sin que se vean afectadas nuestras funciones, ya que en el otro cromosoma homólogo el gen puede ser normal (Fig. 25). Un ejemplo de enfermedad debida a una mutación puntual es la anemia falciforme, causada por un cambio en la secuencia del gen de la b-globina, componente de la hemoglobina. En los pacientes que padecen esta enfermedad, los glóbulos rojos son más rígidos que lo normal y no pueden transitar fácilmente por los capilares sanguíneos. Otro ejemplo lo constituyen los diferentes tipos de  hemofilia, causada por mutaciones puntuales en los genes que codifican para los factores de coagulación.  Al no poseer todos los factores necesarios para la coagulación de la sangre, el paciente sufre hemorragias.

¿Las mutaciones siempre están asociadas a enfermedades? Absolutamente no. La mayoría de las mutaciones no se manifiestan, o porque están en regiones del ADN donde no hay genes, o porque no cambian el aminoácido (recordar que el código genético es degenerado), o porque ese cambio no altera la función de la proteína. O bien podría alterarse la función y esto no resultar perjudicial. Tal es el caso del carácter color de ojos, donde el color claro se produce por falta de ciertas enzimas que fabrican los pigmentos del iris. ¡Es obvio que tener ojos claros no significa estar enfermo! En realidad, las mutaciones son la base de la biodiversidad: todos los humanos tenemos el mismo genoma, pero con algunas poquísimas variaciones. Estas variaciones determinan que seamos diferentes en el color de ojos, en la altura, en la ondulación de nuestro cabello, etc.

Conceptos básicos - Células y Microbios -

 
 

  • La teoría celular
Alrededor de 1833 el botánico escocés Robert Brown descubrió el núcleo celular. Estudiando bajo el microscopio a los tejidos vegetales de diferentes plantas vio que cada célula tenía una zona central más oscura, a la que llamó primero “areola” y luego “núcleo”. Años más tarde, el alemán Matthias Schleiden descubrió que todas las plantas estaban compuestas por células, y un año después, su compatriota Theodor Schwann arribó a la misma conclusión pero con los animales. Así, sentaron las bases de lo que luego sería la “Teoría Celular”, que dice que todos los organismos vivos están formados por una o más células. Esta teoría fue luego completada por Rudolph Virchow, quien concluyó en 1855 que toda célula proviene de una existente. Hoy la teoría celular se basa en los siguientes postulados:
 
·          Todos los seres vivos están formados por células
·          Todas las células derivan de otra preexistente
·          Todas las funciones vitales de los organismos ocurren dentro de las células
·          Las células contienen la información necesaria para realizar sus propias funciones y las funciones de las próximas generaciones de células.


  •  Las primeras observaciones
La gran mayoría de las células son microscópicas, es decir, hace falta un microscopio para poder observarlas. Sin embargo hay otras, como los huevos de aves, que alcanzan varios centímetros de diámetros. El primero en observar células (y en llamarlas así) fue el científico inglés Robert Hooke, quien en 1665, y usando un microscopio primitivo, describió y dibujó las células muertas de una lámina de corcho. Pero el primero en observar células vivas fue el holandés Antony van Leeuwenhoek (1632-1723). Para sus observaciones construyó una serie de microscopios rudimentarios pero muy útiles para la época, que le permitieron describir no sólo bacterias, sino también protozoarios de vida libre y parásitos, espermatozoides, células de la sangre y algas. Su trabajo, aunque meramente descriptivo, descubrió el fabuloso mundo microscópico que hasta ese entonces era totalmente desconocido. Hoy se definen como microorganismos o microbios a aquellos organismos vivos que por su tamaño no pueden verse si no es con la ayuda un microscopio.

  •  La controversia sobre la generación espontánea 
Pero, ¿cuál era el origen de los “animáculos” descritos por Antony van Leeuwenhoek? Luego de sus descubrimientos, la especulación sobre el origen de los microorganismos dividió a los científicos en dos grupos. Por un lado estaban los que pensaban que los microorganismos provenían de la descomposición de las plantas o animales, es decir, eran el resultado y no la causa de la descomposición. Los que apoyaban esta teoría creían que la vida se generaba a partir de materia no viva, proceso que se denominó abiogénesis y que fue la base del concepto de la generación espontánea. Por otro lado estaban los que apoyaban la teoría de la biogénesis, que creían que los microorganismos se originaban a partir de otros microorganismos, como ocurre con las plantas y los animales. Aunque hoy resulta obvio que no existe la generación espontánea, llevó más de cien años (¡y muchísimos experimentos!) resolver esta controversia.La idea de la generación espontánea se remonta a los antiguos griegos, quienes creían que los gusanos crecían del lodo. El italiano Francesco Redi demostró en 1668 que los gusanos encontrados en la carne podrida eran las larvas que provenían de los huevos que habían depositado en la carne las moscas y no el producto de la generación espontánea. Pero en 1745 John Needham hirvió trozos de carne para destruir los organismos preexistentes y los colocó en un recipiente abierto. Al cabo de un tiempo observó colonias de microorganismos sobre la superficie y concluyó que se generaban espontáneamente a partir de la carne. En 1769, Lazzaro Spallanzani repitió el experimento pero tapando los recipientes, no apareciendo las colonias, lo que contradecía la teoría de la generación espontánea. Pero Needham argumentó que el aire era esencial para la vida y este aire había sido excluido en los experimentos de Spallanzani. Después de muchos experimentos, interpretaciones y discusiones, fue el químico francés Luís Pasteur quien en la década de 1860 terminó con la controversia. A partir de sus propios trabajos sobre la fermentación, a Pasteur le resultaba obvio que las levaduras y otros microorganismos encontrados durante la fermentación y la putrefacción provenían del exterior, del aire. Observando el fenómeno de fabricación del vino, demostró que la fuente de las levaduras era la propia piel de las uvas, que estaba en contacto con el aire. Si extraía estérilmente el jugo de las uvas, este jugo no fermentaba y no se encontraban levaduras. Por otro lado, si cubría con lienzos estériles las uvas desde la cosecha, tampoco crecían levaduras en estas uvas y no se producía el vino. Pero el experimento crucial fue el que realizó en 1864 utilizando frascos (matraces) con un tubo largo y curvado llamados "matraces cuello de cisne". El jugo de uva se colocaba en el frasco y luego de la esterilización el largo cuello del matraz se sellaba en la punta. Si se abría esa punta, el aire pasaba libremente a través del cuello, pero los microorganismos no aparecían en la solución ya que las partículas de polvo y microorganismos sedimentaban en el recodo del cuello. Pero si el jugo de uva tocaba el recodo contaminado, el crecimiento de los microorganismos era inmediato.

Conceptos básicos - Composición de las células -

El agua, los iones inorgánicos y las moléculas orgánicas pequeñas constituyen aproximadamente el 75-85% del peso de la materia viva. De todas estas moléculas, el agua es de lejos la más abundante. El resto está compuesto por moléculas más grandes, denominadas “macromoléculas”, que son las proteínas, polisacáridos, lípidos y ácidos nucleicos. 

Tabla: Composición aproximada de los componentes de una célula bacteriana.
 
Componente
% del peso total de la célula
agua
70
iones inorgánicos
1
azúcares
1
aminoácidos
0,5
nucleótidos
0,5
ácidos grasos
1
macromoléculas (proteínas, ácidos nucleicos, lípidos y polisacáridos)
26


 
  • Las proteínas
Las proteínas son las verdaderas obreras de la célula, y también las macromoléculas más abundantes y diversas en estructura y función. Un hepatocito (célula del hígado) tiene unas 10.000 proteínas diferentes, ¡y cada una se encuentra repetida aproximadamente un millón de veces! Hay proteínas estructurales, como las que le dan forma a la célula, otras transportan oxígeno, como la hemoglobina, otras participan en la respuesta inmune contra los agentes patógenos, como los anticuerpos. Pero muchas son enzimas, proteínas que tienen la capacidad de acelerar (catalizar) reacciones químicas que no podrían ocurrir espontáneamente en la célula. Sin las enzimas, los procesos celulares como la reproducción, conversión de alimento en energía, construcción de macromoléculas, excreción de desechos celulares, entre otros, no serían posibles. Las proteínas son polímeros de aminoácidos. Hay 20 aminoácidos diferentes, pero todos ellos tienen una fórmula básica común, constituida por un carbono central al que se le unen un grupo químico carboxilo, uno amino y otro grupo químico que es particular para cada aminoácido y que se conoce como “cadena lateral o R”. Para formar una proteína, los aminoácidos se unen uno tras otro a través de una unión covalente particular, denominada “unión peptídica”, que involucra al grupo carboxilo de un aminoácido y al amino del siguiente.

La sucesión particular de aminoácidos en una proteína determina su “estructura primaria”, donde los aminoácidos se encuentran como cuentas en un collar. Pero las características de los grupos laterales de los aminoácidos hacen que éstos, aunque se encuentren alejados en el collar, puedan acercarse en el espacio. Así, la proteína adopta una conformación tridimensional (estructuras secundaria y terciaria) que es propia de cada proteína, ya que este plegamiento depende de la secuencia de aminoácidos, y cada proteína tiene una secuencia particular. Finalmente, varias cadenas proteicas plegadas pueden unirse entre sí por uniones no covalentes, constituyendo la estructura cuaternaria, como en el caso de la hemoglobina, que está formada por cuatro subunidades iguales. Hay proteínas muy cortas (en realidad se denominan péptidos), de unos pocos aminoácidos, y otras verdaderamente gigantes, como ciertas proteínas musculares, que llegan a tener hasta 100.000 aminoácidos.  

  • Los ácidos nucleicos
Así como las proteínas están compuestas por aminoácidos, los ácidos nucleicos son polímeros de nucleótidos. Cada nucleótido está compuesto por una base nitrogenada, un fosfato y un azúcar. Hay dos tipos de ácidos nucleicos: el que tiene nucleótidos formados por el azúcar ribosa, es el ARN (ácido ribonucleico), y contiene las bases nitrogenadas A (adenina), G (guanina), C (citosina) y U (uracilo). En cambio, el que tiene nucleótidos formados por el azúcar desoxirribosa es el ADN (ácido desoxirribonucleico) y contiene las bases nitrogenadas A (adenina), G (guanina), C (citosina) y T (timina, que es parecida a la U). Mientras que el ARN se encuentra en las células como una cadena polinucleotídica única, el ADN está formado por dos cadenas que se entrelazan formando una doble hélice. Podemos imaginar al ADN como una escalera que gira sobre sí misma y donde los lados son cadenas de azúcares y fosfatos, conectadas por “escalones”, que son las bases nitrogenadas. En la doble hélice, siempre una A se enfrenta a una T y una C se enfrenta a una G. Estas bases se unen entre sí a través de uniones no covalentes, conocidas como “puente de hidrógeno 
Las células contienen cuatro tipos principales de moléculas orgánicas pequeñas: azúcares, ácidos grasos, nucleótidos y aminoácidos. Se las puede encontrar libres en el citoplasma o dentro de alguna organela, vesícula o membrana, donde participan de diferentes procesos. Algunas pueden ser transformadas en moléculas más pequeñas aún, con el fin de que la célula obtenga la energía necesaria para sus funciones. Además, la mayor parte de estas moléculas pequeñas son usadas como “ladrillos” (monómeros) para construir enormes macromoléculas (polímeros): las proteínas, ácidos nucleicos, lípidos y polisacáridos.

Las macromoléculas, y en particular las proteínas y los ácidos nucleicos, son los componentes más interesantes y característicos de los sistemas vivientes. 

Conceptos básicos - Células Procariotas y Eucariotas -

Hay organismos formados por una única célula (unicelulares), como las bacterias, las levaduras y las amebas. Hay otros más complejos,  formados por muchas células (pluricelulares), como las plantas y animales, por ejemplo. En estos organismos, las células se ordenan en tejidos, los que su vez forman los órganos.

 Aunque pueden tener formas, tamaños y funciones diferentes, todas las células comparten características muy importantes:   

·          Están rodeadas de una membrana celular o plasmática que las separa del exterior pero a la vez permite el intercambio con el medio externo. Algunas células, como las bacterias y las células de hongos y plantas, presentan una pared celular por fuera de la membrana plasmática.
·          La membrana plasmática rodea al citoplasma, una solución acuosa viscosa donde están inmersas las organelas, y donde ocurren importantes procesos metabólicos.
·          El material genético o hereditario de todas las células es el ADN, o ácido desoxirribonucleico. 
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Metabolismo: Las células se alimentan por sí mismas, toman los nutrientes del medio, los transforman en otras moléculas, producen energía y excretan los desechos de estos procesos. 
·          Reproducción: las células se originan por división de otras células.
·          Diferenciación: durante el desarrollo de los organismos pluricelulares muchas células pueden cambiar de forma y función, diferenciándose del resto. La diferenciación celular hace que una célula comience a fabricar algo que antes no fabricaba y esto está asociado a una función particular. Una neurona, por ejemplo, es una célula especializada en la transmisión del impulso nervioso.

 ·          Señalización química. Las células responden a estímulos químicos y físicos y suelen interactuar y comunicarse entre sí, como ocurre en los organismos pluricelulares complejos a través de las hormonas, los neurotransmisores y los factores de crecimiento.

Si bien todas las células comparten las características mencionadas más arriba, presentan una serie de diferencias que permiten agruparlas en dos grandes categorías: procariontes y  eucariontes.

Las células procariontes no tienen núcleo ni organelas (estructuras celulares rodeadas de membrana, como las mitocondrias, los cloroplastos, los lisosomas, etc.), y su organización interna es simple. Su material genético se encuentra formando un único cromosoma circular. Las células procariontes son pequeñas, de 0,1 a 3 micrones (un micrón es la milésima parte de un milímetro), y forman parte de organismos unicelulares que viven solitarios o en colonias. A estos seres se los llaman organismos procariontes, y son las bacterias y las cianobacterias (algas verdeazules). Se reproducen por un mecanismo simple, conocido como fisión binaria, en el que el material genético se duplica y luego la célula se divide en dos células hijas iguales. 


Las células eucariontes, en cambio, tienen núcleo y organelas, y su organización interna es más compleja. Son más grandes que las procariontes, tienen entre 2 y 100 micrones. Su material genético se encuentra distribuido en varios cromosomas lineales. Se dividen por un mecanismo especial y coordinado llamado mitosis, que asegura la correcta distribución del material genético entre las células hijas y el mantenimiento del número de cromosomas de la especie. Las células eucariontes forman parte de organismos unicelulares o pluricelulares. Estos seres son los hongos, protozoarios, plantas y animales.