Los hilos de la evolución: CAPÍTULO XVII

La célula

17.1 Introducción

Al abordar la inmensidad de la vida desde sus unidades fundamentales, se despliega el velo sobre el sistema primordial que sustenta toda forma conocida de vida: la célula. Desde la sencillez aparente del agua hasta la intrincada complejidad del ADN, exploramos los componentes y procesos que hacen de la célula no solo la unidad básica de la vida, sino también el epicentro de una evolución que se ha desarrollado a lo largo de eones. En este escenario, los "pegamentos" biológicos que unen las estructuras celulares y las células sintéticas emergen como protagonistas en el continuo avance de la ciencia hacia la comprensión y, eventualmente, la creación de la vida. Cada célula funciona como un sistema complejo, interconectado y eficiente, que revela las leyes universales de la naturaleza y nuestra propia esencia como seres vivos.

La respuesta generalmente aceptada a la pregunta “¿Cuál es el sistema primigenio de la vida?” es “la célula”. En ella se encuentran, entre muchos otros como subsistemas fundamentales, el ADN, el ARN, el agua, ciertas proteínas y un elemento pocas veces considerado, los virus, que transportan información intercelular y del ambiente a la célula.

17.1.1 La célula eucariota

La teoría de la endosimbiosis, propuesta por Lynn Margulis en la década de 1960, explica el origen de las células eucariotas a partir de relaciones simbióticas entre diferentes organismos procariontes. Según esta teoría, las mitocondrias y los cloroplastos, organelos presentes en las células eucariotas, se originaron cuando bacterias libres fueron fagocitadas por otras células pero no fueron digeridas. En lugar de ser digeridas, estas bacterias establecieron una relación mutuamente beneficiosa con la célula huésped.

Esta teoría revolucionó nuestra comprensión de la evolución celular y destacó la importancia de la simbiosis en la evolución de la vida compleja.

17.2. La célula y la información

"La vida es un sistema irreductiblemente complejo: o están todos sus componentes o no hay vida, es decir, que apareciera donde apareciera, tuvo que ser de repente.

La información no “fluye” del ADN (como se creía). Es el resultado de la interacción de los tres tipos de moléculas (ADN, ARN y proteínas). Si no actúan las tres, no hay información. El ARN y las proteínas no son “intermediarios” ni “controladores”, sino parte del proceso. Una misma secuencia de ADN significa cosas muy distintas en diferentes organismos o en distintas circunstancias".¹

17.3. Las estructuras de la célula

Cada uno de los componentes de la célula desempeña roles específicos y esenciales para su correcto funcionamiento y son esenciales para la vida.

1.- Núcleo: El “cerebro” de la célula; regula el crecimiento y metabolismo celulares, alberga el ADN y controla las actividades celulares a través de la expresión génica.

2.- Membrana plasmática: La “piel” de la célula; una barrera selectiva que regula la entrada y salida de sustancias.

3.- Citoplasma: El “relleno” de la célula; donde ocurren muchas reacciones químicas. Contiene el citoesqueleto y los orgánulos.

4.- Mitocondrias: Las “centrales energéticas”; convierten nutrientes en ATP (adenosín trifosfato), la principal fuente de energía celular.

5.- Retículo endoplasmático rugoso (RER): “La fábrica de proteínas”; ribosomas adheridos sintetizan y controlan la calidad de proteínas destinadas a membranas o secreción.

6.- Retículo endoplasmático liso (REL): “La fábrica de lípidos”; sintetiza lípidos y participa en la desintoxicación.

7.- Aparato de Golgi: “El centro de empaquetado”; modifica, almacena y dirige el destino de las proteínas y lípidos.

8.-. Lisosomas: “Los recicladores”; contienen enzimas para digerir macromoléculas y desechos celulares.

9.- Ribosomas: “Las máquinas de hacer proteínas”; sintetizan proteínas siguiendo las plantillas del ARN mensajero según las instrucciones codificadas en el ADN.

10.- Vesículas y vacuolas: “Almacenamiento y transporte”; pequeñas bolsas que transportan y almacenan sustancias.

11.- Centríolos (en células animales): “Organizadores del citoesqueleto”; juegan un papel clave en la división celular.

12.- Pared celular (en células vegetales, hongos y algunas bacterias): “La armadura protectora”; proporciona soporte y protección.

13.- Cloroplastos (en células vegetales y algas): "Las fábricas de hacer comida"; realizan la fotosíntesis, convirtiendo la luz solar en energía química.

14.- Citoesqueleto: “El esqueleto y músculos”; una red de proteínas que proporciona soporte, forma, y facilita el movimiento celular.

17.4. Los elementos químicos de las células

17.4.1.- El ADN: 

El ácido desoxirribonucleico no está disperso en nuestras células, está empaquetado en estructuras llamadas cromosomas. El ADN está compuesto principalmente por cuatro sustancias químicas: adenina, timina, guanina y citosina, que se unen de un modo muy concreto: A con T, C con G. El ADN se entiende como dos cadenas que se unen formando una doble hélice o una escalera de caracol; muchos miles, millones de adeninas, timinas, guaninas y citosinas se unen formando una secuencia que sigue un orden determinado como, por ejemplo, AAATTCGAGCAATTGCCTATCC. La secuencia completa de estas sustancias químicas compone nuestro código genético, nuestro genoma y determinadas secuencias de estas “letras” dan lugar a “frases” conocidas como “genes”.

Sin entrar en consideraciones de cómo se llevan a cabo los procesos de replicación y trascripción hacemos notar una propiedad importante de la estructura del ADN conocida como “superenrollamiento” (enrollado de lo ya enrollado). La trascripción del ADN y el superenrollamiento requieren una separación de las ramas del ADN, proceso difícil en una molécula con sus ramas helicoidales entremezcladas.

Estas propiedades de los organismos biológicos deben buscarse en los enlaces basados en los átomos pesados. El ADN “vive” (es decir, está activo) mientras está inmerso en un medio acuoso. De otra manera es un ADN inerte.

La adhesión de las dos hebras de ácido nucleico se debe al enlace de hidrógeno, en los que suponemos intervienen los muones, de fácil decaimiento. Los enlaces de hidrógeno son uniones más débiles que los típicos enlaces químicos, tales como interacciones hidrófobas, enlaces de Van der Waals, etc. Esto significa que las dos hebras de la hélice pueden separarse con relativa facilidad, quedando intactas en sus componentes. La fortaleza relativa de la unión entre las dos hebras del ADN reside en la suma de gran cantidad de enlaces de hidrógeno a lo largo de las dos hebras paralelas. Se forman dos enlaces de hidrógeno por cada unión A-T y tres por cada unión C-G.²

"Desde el punto de vista morfológico, las técnicas de microfilmación han permitido la observación del ADN nuclear de células vivas en tiempo real: Gasser y sus colegas han mostrado la molécula girando como un danzarín demoníaco. Para Gasser la imagen icónica del ADN como una doble hélice estática es algo pasado. /.../ La molécula se creía formando íntimas relaciones con proteínas que le ayudaban a empaquetarse y a disparar y reprimir la actividad de los genes. Hasta recientemente, esas relaciones se creían fundamentalmente fijas o cambiantes sólo ligeramente con el tiempo. Pero la idea ha colapsado. /.../ Los vídeos resultantes han expuesto un inesperado barullo en la actividad de proteínas pululando alrededor del ADN. ‘Esto ha cambiado la forma en que imaginábamos el núcleo’, dice Tom Misteli, del Instituto Nacional del Cáncer en Bethesda".³

17.4.2.-El ARN: 

Ácido ribonucleico es una molécula esencial que desempeña varios roles críticos en la biología de los seres vivos, desde servir como plantilla para la síntesis de proteínas hasta regular la expresión genética y catalizar reacciones químicas.

Se tiene más conocimiento de cómo opera el ARN una vez que emergió. Experimentos iniciales en el laboratorio de Jack Szostak y Jerry Joyce, en la Escuela de Medicina Harvard y Scripps Research, han mostrado cómo la información que poseen las moléculas de ARN se ha se tornado más compleja al interactuar éstas con el medio.

Estos experimentos muestran que son posibles muchos tipos de catálisis de ARN; el ARN justamente proporciona el tipo de molécula que “sabe un poco de todo”, lo cual es necesario para que la biología siga adelante. Estos experimentos también sugieren que la información genera orden del desorden y amplifica la función bioquímica débil. Si estos investigadores y sus colegas están en el camino correcto la evolución no es solamente el sello distintivo de la biología, sino un prerrequisito para la vida.⁴

17.4.3.- El agua: 

El agua es el solvente universal en el cual ocurren todas las reacciones químicas celulares. Facilita el transporte de sustancias, participa en reacciones bioquímicas y ayuda a mantener la estructura y la temperatura celular.

El agua tiene una estructura extremadamente flexible y dinámica, esto podría explicar algunas de sus propiedades. Para la Dra. Mae-Wan Ho⁵ no existe nada más aparentemente simple que la molécula del agua, [pero] su estructura común es muy diversa y cambiable. Según ella, se conocen 13 estructuras de hielo cristalinas a diferentes temperaturas y presiones. Como líquido, el agua forma grupos o redes de moléculas unidas con enlaces que vibran o no en forma aleatoria. La base de toda esta complejidad yace en la habilidad que una molécula de agua tiene para unirse con sus vecinas a través de un tipo especial de enlace, el enlace del hidrógeno.

El agua normal puede ser producida en el laboratorio con la simple unión de dos átomos de H y uno de O. Sin embargo, inclusive esto requiere de energía electromagnética que les dé la información para poder interactuar y adquirir sus propiedades específicas como molécula de agua común ¿No cabría pensar que, en el caso del agua biológica que es la existente en la célula, es la energía electromagnética del muon que permite sus condiciones especiales?

Ninguna molécula tiene el potencial de pegamento de hidrógeno que posee el agua, pero algunas moléculas presentes en una solución acuosa rompen este pegamento.

17.4.4.- Las proteínas: 

Las proteínas son macromoléculas formadas por largas cadenas de aminoácidos, que se pliegan en estructuras tridimensionales específicas. Estas biomoléculas son esenciales para casi todas las funciones biológicas y tienen una gran diversidad de roles en los organismos vivos.

Las instrucciones genéticas (información) para la síntesis de proteínas están escritas en “palabras” de tres letras, llamadas codones. Cada codón especifica uno de los 20 aminoácidos o bien una señal traductora de paro. En otro tiempo se supuso que la disposición de estos codones y sus significados aminoacídicos se debían al azar, pero descubrimientos recientes la atribuyen a las reglas que gobiernan la codificación genética, la cual ha sido programada de manera excelente por la naturaleza para proteger la vida de errores catastróficos y acelerar su evolución.

las proteínas interactúan con el ADN en el núcleo, así como en la membrana celular y en las mitocondrias, entre otros orgánulos y estructuras celulares. Esta interacción multifacética subraya la importancia de las proteínas en una amplia gama de funciones celulares. Estas son algunas de las interacciones que ocurren en diferentes ubicaciones y contextos dentro de la célula:

En el núcleo:

-Regulación genética

-Reparación y mantenimiento del ADN

En la membrana celular:

-Transporte y comunicación

-Reconocimiento celular

En las mitocondrias:

-Producción de Energía

-Regulación de la muerte

Además de los anteriores componentes funcionales de la célula hay varias sustancias y elementos químicos esenciales que actúan como materia prima y son cruciales para la fisiología celular. Estos elementos y moléculas desempeñan papeles fundamentales en procesos como el transporte a través de membranas, la señalización celular, la actividad enzimática y el mantenimiento del equilibrio osmótico y del pH celular:

5.- Iones de sodio (Na+) y potasio (K+): fundamentales para la transmisión de señales bioeléctricas en células nerviosas y musculares.

6.- Iones de calcio (Ca2+): importantes en la contracción muscular, la neurotransmisión y la coagulación de la sangre.

7.- Iones de cloruro (Cl-): importantes para el mantenimiento del potencial químico-eléctrico de la célula.

8.- Iones de magnesio (Mg2+): participan en la síntesis de proteínas.

9.- Iones de fosfato (PO43-): componentes clave de las moléculas de ATP (adenosín trifosfato).

10.- Glucosa y otros azúcares: fuentes principales de energía para las células. La glucosa es central en la vía metabólica de la glucólisis, que produce ATP.

11.- Aminoácidos: esenciales para la construcción de proteínas.

12.- Ácidos grasos y lípidos: constituyen la parte principal de las membranas celulares y actúan como fuente de energía. Los lípidos incluyen fosfolípidos, colesterol y triglicéridos, importantes para el almacenamiento de energía y para la señalización celular.

13.- Elementos traza como hierro (Fe), cobre (Cu), zinc (Zn), selenio (Se) y yodo (I): Estos se presentan en pequeñas cantidades, pero son esenciales para el funcionamiento de varias enzimas y para la síntesis de hormonas.

La homeostasis celular, o el mantenimiento de un ambiente interno estable, depende en gran medida de la regulación cuidadosa de estas sustancias.

17.5. Los virus

ilustración de los virus interactuando con las células, mostrando su presencia tanto dentro como fuera de las células. La imagen destaca el papel de los virus como microcomputadoras complejas que transportan y transmiten información entre células, así como su naturaleza antigua y ubicua, con referencias a plantas y animales primitivos en hábitats oceánicos.

Aclaremos que la célula aislada no es la vida. Por compleja que sea la organización de la célula, por inagotablemente variadas que sean las especializaciones que ha alcanzado, ¿no se parecen entre sí como animales más que como moléculas? Actualmente podemos agregar lo siguiente: para considerarlas como el primer sistema viviente, necesita de los elementos de todo sistema complejo que “quedan fueran del sistema”, y que evolucionan paralelamente a estas formas. En el caso de este primer sistema viviente estos elementos son los virus. Ellos pueden estar en la célula o en su exterior y llevan a ésta la información de su medio ambiente. Son los portadores de información intercelular y extracelular. Enfrentados a la célula aislada, nuestra mente duda en buscar sus analogías entre lo inorgánico y lo orgánico. Pero es necesario pensar en ellas como representantes de otro estado de la materia desde niveles tan profundos como lo cuántico. Repetimos, un nuevo tipo de materia, mucho más complejo, para un nuevo estado del universo.

Insistimos, no se puede separar la célula de los virus, descifrar su origen separadamente, parece ser un trabajo inaccesible y como son tan antiguos como la vida, sus altas tasas de evolución han borrado cualquier registro útil de su linaje o edad, por lo que su edad sólo puede ser inferida. Toda vida ha sido tocada por la influencia viral y la mayoría de los genomas muestran la duradera evidencia de las huellas virales. Estas huellas se presentan en los genomas virales que han persistido y continúan dejando nuevas huellas en los genomas, como nuestro propio ADN puede atestiguar. Las formas primitivas de plantas y animales se iniciaron en los océanos. Desde la perspectiva de los virus los océanos representan un hábitat muy adecuado, ya que el medio acuático conduce a los virus a todos los huéspedes cercanos, evita la desecación y la necesidad explícita de usar vectores.

Los virus son información, microcomputadoras complejas que captan, transportan y transmiten información. Está difundida la idea de que los virus son agentes que “infectan” y el organismo trata de “matarlos”. Pero los virus, al no ser entidades con vida, no mueren, se desactivan. Quienes investigan en los laboratorios se han dado cuenta que en ciertas circunstancias los virus inactivos pueden hacer virus.

17.6. Lo nuevo de la célula

El conocimiento requiere un cerebro, eso dice la sabiduría convencional. Pero los investigadores han descubierto que las células ordinarias, no sólo las neuronas, pueden almacenar información y mostrar capacidades cognitivas básicas. Nuevas investigaciones demuestran que las células parecen utilizar cambios sutiles en sus campos bioeléctricos como una forma de memoria.

El biólogo Michael Levin está especialmente interesado en la bioelectricidad, que describe como la "chispa de la vida". Para él, el potencial bioeléctrico es un medio de comunicación celular y formación de redes, esencial para dirigir procesos complejos como la formación de estructuras anatómicas.

Las células pueden ser libres como seres unicelulares o parte de un colectivo. Hay que entenderlas con mucha más agencia que a moléculas, tanta como algunos animales simples. 

Wallace Marshall es un biólogo dela Universidad de California en San Francisco (UCFS) que investiga sobre algunos de los comportamientos de ciertas células: crecer hasta más de medio metro, caminar, ver, resolver laberintos, controlar comportamientos de animales, etc. 

17.7. La célula y la entropía

Las células, como vimos, están reguladas para morir (apoptosis). Como todo organismo vivo, se ajustan al funcionamiento de los sistemas complejos, pero es interesante saber que el genoma también experimenta la acción de la entropía.

Es probable que ya estemos en una fase de la evolución humana donde comience a notarse una degeneración del genoma humano y de la humanidad. Ya lo estamos experimentando y lo observamos en nuestro entorno. La entropía, actuando sobre nuestra genética, es un proceso que difícilmente podremos detener. Desde un enfoque biológico y basándonos en lo que hemos propuesto sobre el funcionamiento de los sistemas, esta es la razón por la cual las especies se extinguen y por la cual nosotros, individualmente como sistemas, nos dirigimos hacia la fase de envejecimiento y eventual muerte.

Notas:

1. Sandín, M. Op. cit.

2. Existen grandes diferencias entre pegamentos químicos, orgánicos y biológicos. Los enlaces biológicos son flexibles y menos estables que los enlaces químicos, por ejemplo, en el contexto de la estructura de las proteínas, el término “estabilidad” puede definirse como la tendencia a mantener una conformación original. Las proteínas originales sólo son marginalmente estables.

Para formar un enlace químico, la carga positiva de hidrógeno de una molécula de agua puede atraer el oxígeno de carga negativa de una molécula de agua vecina para formar un enlace (una liga) de hidrógeno (enlace H) entre ellas. Cada molécula de agua puede potencialmente formar cuatro ligas de H; dos en que aporta sus átomos de hidrógeno a los átomos de oxígeno de otras dos moléculas de agua, y dos en la cual su átomo de oxígeno ‘acepta’ un átomo de hidrógeno de cada una de las otras dos moléculas de agua. En otras palabras, cada molécula es capaz de actuar como ‘donador’ y ‘receptor’ de hidrógeno para las otras dos moléculas de agua, así que se tiene cuatro vecinos ligados o una coordinación-4.

3. Sandín, M. Op. cit.

4. Knoll, Andrew H., Life on a Young Planet. Princeton and Oxford, Princeton University Press, 2003

5. Mae-Wan Ho, “Is Water Special?” en Science in Society. Autumn 2004.