La teoría celular es uno de los pilares básicos de la biología, y se basa en cuatro postulados principales:
- Todos los seres vivos están compuestos por células, ya sean unicelulares o pluricelulares.
- Todos los seres vivos nacen a través de las células, que proceden de otras anteriores.
- Todas las funciones vitales dependen de las células.
- Las células contienen el material genético y hereditario de cada ser vivo.
La teoría celular no tiene un solo autor, sino que son muchos los científicos que han aportado información a este campo. Todo comenzó cuando Robert Hooke en 1665 descubrió que toda materia viva estaba compuesta por células. Sin embargo, después de este hallazgo, se tardó casi dos siglos en alcanzar una conclusión clara. Así, en 1838, Matthias Jakob Schleiden y Theodor Schwann publicaron los postulados de la teoría celular.
En la actualidad, gracias a los avances de la tecnología, se ha creado una teoría celular moderna basada en los postulados de la anterior. Estos nuevos postulados son:
- Los organismos pueden estar formados por una célula o por varias.
- Cuando las células se dividen, el ADN, que contiene la información genética, se transmite de célula a célula.
- Todas las células tienen casi la misma composición.
- El flujo de energía se produce en las células.
- El funcionamiento del organismo depende del funcionamiento de las células independientes.
El problema del origen de la vida es el problema del origen de la célula. No se sabe cómo apareció la primera célula en la Tierra, pero se acepta que su origen fue un fenómeno físico-químico. Esta visión llegó con las propuestas de A.I. Oparin y J.B.S. Haldane en torno a los años 20 del siglo pasado (también fue sugerida por C. Darwin en una carta personal).
Todo el desarrollo de la teoría de la aparición de las primeras células está basado en especulaciones y en experimentos de laboratorio que simulan las supuestas condiciones de la Tierra en sus orígenes. Puesto que fue un proceso físico-químico surgen dos posibilidades interesantes en el campo de biología.
a) Podemos crear vida. Se podría "fabricar" una célula, utilizando las moléculas que existen hoy en día en las células actuales y colocándolas todas juntas dentro de una vesícula membranosa. Actualmente se están dando los primeros intentos serios para conseguirlo desde una rama de la biología denominada biología sintética. Ya se puede sintetizar en una máquina todo el ADN de una célula procariota y se ha conseguido sintetizar un cromosoma eucariota.
b) Vida extraterrestre.
- Para investigar el origen de la vida deberíamos saber reconocer a un ser vivo. Intuitivamente somos capaces de identificar a los seres que consideramos vivos. Sin embargo, escribir una definición es más complicado. Podemos decir que es un organismo que tiene la cualidad de la vida. Esto es algo que los define sin ninguna duda. Pero nos encontramos con otro problema de definiciones: ¿qué es la vida? No existe un consenso entre los científicos sobre las palabras que deben definir sin ninguna duda el concepto vida. Se da la paradoja de que la Biología, parte de la ciencia que estudia la vida y a los seres vivos, se ocupa de algo mal definido, casi una intuición. Actualmente se tiende a no proponer una definición sino a considerar a la vida como un conjunto de propiedades que debería poseer un organismo para ser considerado como vivo. O dicho de otro modo, un organismo debería cumplir con una serie de propiedades si queremos considerarlo como que posee vida o está vivo. e) Etcétera. Este inconveniente de la definición de la vida afecta a la búsqueda de vida en otros planetas. Intuitivamente sabemos lo que buscamos, pero sólo porque pudiera parecerse a lo que conocemos en la Tierra y no porque se ajuste a una definición que acote perfectamente qué es la vida o a un organismo vivo.
- Aunque se acepta que la formación de las primeras células ocurrió en la Tierra a partir de moléculas orgánicas que existían en el agua, hoy en día no se descarta que parte de las moléculas orgánicas que se necesitaron para crear la vida se sintetizaran en otros planetas o en el propio espacio, y que tales componentes fueran transportados por asteroides y cometas hasta la Tierra. Esto no excluye la formación de moléculas orgánicas en la Tierra, y hay diversas líneas experimentales que sugieren que la formación de moléculas orgánicas, incluso las complejas, fue posible en diversos escenarios terrestres (ver más abajo). Los lugares de la Tierra donde se formaron las primeras células pudieron ser en las proximidades de fuente hidrotermales, bien marinas o bien de agua dulce, con unas condiciones de minerales concretas.
- La Tierra se formó hace unos 4.500 millones de años. Los indicios fósiles y los datos isotópicos sugieren que los primeros seres orgánicos que dejaron huellas aparecieron entre 3500 y 3800 millones de años atrás (Figura 1). Durante los 500 millones de años iniciales las condiciones no fueron muy propicias para la aparición de las células puesto que habría altas temperaturas, carencia de atmósfera protectora, una lluvia constante de meteoritos, etcétera. Pero sólo unos 1000-1200 millones de años después ya parece que hubo organismos microscópicos que dejaron restos orgánicos.
Figura 1. Secuencia temporal aproximada de la aparición de la vida en la Tierra y algunos de los organismos que emergieron después.
- Intuitivamente podemos imaginar una serie de pasos necesarios para la aparición de las primeras células a partir de sustancias químicas. Las células están formadas por moléculas orgánicas que son los ladrillos de los que está hecha la vida, además del agua e iones. Las principales son proteínas, nucleótidos, azúcares y grasas. ¿Cómo se formaron?
Origen de las Moléculas Orgánicas
Las células están formadas por moléculas orgánicas que son los ladrillos de los que está hecha la vida, además del agua e iones. Las principales son proteínas, nucleótidos, azúcares y grasas. ¿Cómo se formaron?
a) Origen terrestre y condiciones físicas extremas. Si se coloca en un matraz una disolución acuosa con sustancias como CO2, amoniaco, metano e hidrógeno, y se les somete a una alta temperatura y a descargas eléctricas, se consigue que se formen pequeñas moléculas orgánicas como cianuro de hidrógeno, formaldehído, aminoácidos, azúcares, purinas y pirimidinas (necesarias para formar nucleótidos). Éste fue el experimento que realizaron Miller y Urey intentando simular las condiciones primitivas (Figura 2). Ello no demuestra que estas moléculas se formaran así en el origen de la vida, pero es una prueba de que las moléculas orgánicas se pueden formar mediante reacciones físico-químicas. Además, debido a la diversidad de los ambientes terrestres se pudieron dar multitud de condiciones diferentes que favorecieron la creación de unas moléculas u otras. Hoy se tiende a situar esa síntesis prebiótica en las profundidades del mar, más concretamente en los alrededores de las fumarolas, donde se darían condiciones propicias y habría una cierta protección.
Figura 2. Esquema del sistema ideado por Miller-Urey en el que se demostró que se pueden sintetizar moléculas orgánicas complejas a partir de otras más simples, cuando estas últimas se someten a condiciones supuestamente similares a las de la Tierra primigenia. Años 50 del siglo XX.
b) Origen extraterrestre. Es seguro que las moléculas orgánicas se formaron y se siguen formando en el espacio y se encuentran en meteoritos y cometas.
Ya tenemos moléculas orgánicas, pero las más importantes para la célula suelen aparecer en forma de polímeros complejos y no como moléculas simples: las cadenas de aminoácidos forman las proteínas y los polinucleótidos forman el ADN y el ARN. La formación de polímeros es uno de los grandes problemas en las teorías del origen de la vida, puesto que no se ha encontrado un sistema de polimerización prebiótico que satisfaga completamente.
- a) Calor sobre compuestos secos. Hay experimentos en los cuales la aplicación de calor sobre componentes secos lleva a la aparición de polímeros orgánicos.
- b) Catálisis por superficies minerales. Los minerales pueden haber sido importantes en el origen de la vida por varias razones: concentran, seleccionan, hacen de molde y catalizan reacciones de moléculas orgánicas. Estas reacciones podrían darse en el polvo interestelar del Universo o en la propia corteza de la Tierra. La Tierra primigenia tenía también muchos minerales diferentes que podrían haber actuado como catalizadores y productores de moléculas carbonadas complejas. Se estima que podía haber hasta 420 minerales diferentes. Los minerales podrían haber servido además como lugares de protección frente a las adversas condiciones atmosféricas para las primeras moléculas orgánicas.
- c) Fumarolas y fuentes hidrotermales. El proceso de formación de moléculas orgánicas se produce hoy en día en las fuentes hidrotermales, que, bajo unas condiciones de presión y calor elevados, y con la ayuda de minerales catalizadores, pueden producir polímeros orgánicos. Aunque las fuentes hidrotermales marinas o fumarolas son lugares con más probabilidades para generar polímeros orgánicos, también se proponen a las fuentes hidrotermales terrestres como sitios de síntesis. Éstos serían lugares de agua dulce en contacto con fuentes volcánicas donde sería posible la hidratación-desecación constante de reductos que podrían aumentar la concentración de moléculas orgánicas y favorecer la reacción entre ellas a altas temperaturas. Este ambiente es más favorable para formar membranas espontáneamente a partir de lípidos anfipáticos que el agua de mar. Una idea que apoya el nacimiento de la célula en aguas dulces es la ausencia de iones divalentes como el calcio y el magnesio, los cuales desestabilizan las membranas y dificultan su autoensamblado.
- d) Membranas lipídicas. Distintos experimentos en laboratorio muestran que las membranas lipídicas, como las que hoy tienen las células, podrían ser centros de atracción, selección y concentración de moléculas orgánicas simples. Sobre estas membranas, las moléculas estarían próximas y en un entorno aportado por los lípidos que favorecería las reacciones químicas como las que se dan entre bases de nucleótidos y entre aminoácidos. Esta posibilidad es interesante puesto que aborda el problema de cómo las membranas englobaron a unas moléculas determinadas y no a otras, y cómo se llegó a la primera protocélula. La síntesis inorgánica de polímeros en ambientes abiertos cuenta con el problema de la difusión de los primeros polímeros sintetizados, así como de la entrada en el sistema de síntesis de los pilares necesarios para su formación. Así, se propone que pudo ocurrir en pequeñas cavidades en las rocas, fundamentalmente de fuentes termales ventónicas. Éstas contarían con la ventaja de una alta síntesis de material orgánico, presencia de un rango de temperaturas y su construcción a partir de material poroso.
Desarrollo de una Envuelta Aislante
Uno de los principales eventos en el origen de las células fue el desarrollo de una envuelta que aislara un medio interno y otro externo. Esto tiene muchas ventajas:
- Permite tener todos los componentes necesarios próximos para las reacciones metabólicas, no se pierden por difusión y se hace más eficiente el proceso de replicación.
- Se evita que variantes ventajosas de moléculas orgánicas sean aprovechadas por grupos competidores, es decir, egoísmo evolutivo.
- Se gana una cierta independencia respecto a las alteraciones del medio externo favoreciendo la homeostasis interna.
Las membranas lipídicas se producen fácilmente de forma espontánea a partir de ácidos grasos anfipáticos, es decir, moléculas que tienen una parte cargada eléctricamente y otra que es hidrófoba. Los lípidos iniciales es probable que no fueran similares a los actuales, puesto que los actuales se sintetizan por un proceso metabólico complejo.
Hay dos hipótesis para la asociación entre moléculas como nucleótidos y aminoácidos y las membranas (Figura 3).
- a) Podemos especular que estas membranas iniciales formaron pequeñas bolsas o vesículas que englobaron poblaciones de moléculas. En otro momento, debido al crecimiento de su contenido interno, estas bolsas debieron adquirir la capacidad de estrangularse y dar dos unidades hijas con características semejantes a la parental. Las poblaciones de moléculas que englobaban deberían tener la capacidad incrementar su número. Este incremento se produciría por reacciones moleculares internas, gracias a que las membranas serían permeables a moléculas pequeñas, pero no a los polímeros creados internamente, a los cuales no les sería fácil escapar.
- b) Otra posibilidad es que hubo una asociación inicial de moléculas orgánicas simples con membranas de lípidos. Se ha comprobado que las membranas favorecen la concentración y la producción de reacciones entre las moléculas que se asocian a ellas. Además, las reacciones químicas en 2D son más eficientes que en solución o 3D. Este sistema de polímeros (oligopéptidos y oligonucleótidos) y membranas fue ganando en complejidad y dependencia hasta que algunos polímeros atravesaron la propia membrana y quedaron en su interior. El proceso de crecimiento y estrangulamiento de las vesículas con los polímeros sucedería de forma controlada posteriormente.
Figura 3. La posibilidad de que las membranas pudieran ser en realidad el elemento que disparara la atracción de moléculas y la reacción entre ellas para formar estructuras moleculares más complejos abre posibilidades sorprendentes.
El evento quizá más importante para pasar de la química prebiótica a conseguir una química celular fue el cambio de un sistema de moléculas que se creaban por agentes externos a otro en el que la propia molécula era el molde para otra como ella, es decir, una autorreplicación. Con la autorreplicación se consigue la propiedad de la transmisión de la información, que es una de las propiedades de la vida. Dentro de cada vesícula membranosa se crearían réplicas moleculares más o menos exactas al original. Así, diferentes vesículas membranosas se enriquecerían en ciertas variantes moleculares y competirían más eficientemente y aprovecharían más favorablemente los materiales libres. Con este proceso de competición por los recursos se emprende otra carrera que es la de la evolución darwiniana (variabilidad más selección natural), otra gran propiedad de la vida.
Algunos autores proponen que hubo un tipo de molécula que inicio todo el proceso, mientras otros sugieren que no hubo una primera molécula autorreplicante sino sistemas de reacciones químicas con capacidad para aumentar el número de sus componentes moleculares y así crecer. Es decir, se replicaría el sistema de reacciones y sus componentes.
El Mundo ARN
Suponiendo que el primer autorreplicante fuera una molécula, ¿qué molécula podría autorreplicarse? Todas las miradas se vuelven al ARN. Esta idea se basa en la capacidad enzimática que poseen las moléculas de ARN (denominadas por ello ribozimas). Por ejemplo, la maduración del ARNm de las células eucariotas por parte de las ribonucleoproteínas o la síntesis de proteínas en los ribosomas por parte de los ARN ribosómicos son ejemplos de actividad catalítica llevada a cabo por el ARN. No es descabellado, aunque improbable, pensar que existieran moléculas de ARN con la capacidad de unir ribonucleótidos y hacerlo con una secuencia de bases similar a la suya propia. Podrían usar como molde la complementariedad de su propia secuencia de nucleótidos. Además, la secuencia condiciona el plegamiento tridimensional de la molécula de ARN, lo que afecta a su estabilidad y a su actividad (Figura 4).
Figura 4. Éste es un esquema tridimensional de un ARN de transferencia existente en las células actuales. La secuencia de ribonucleótidos hace que se establezcan uniones por complementariedad de bases (trazos verdes).
Ocurrirían fallos durante la autorreplicación que producirían moléculas de ARN con distintas secuencias y por tanto con distintas propiedades. Entre ellas comenzaría una competencia darwiniana por los recursos.
El Mundo Metabólico
Sin embargo, en un "mundo metabólico" basado en sistemas de reacciones químicas, la replicación no sería la característica de una molécula concreta sino de todo un sistema de moléculas. Para ello se necesitaría un aislamiento del medio externo (secuestro en una vesícula membranosa), capacidad de tomar energía y moléculas del medio, crecer, dividirse y la capacidad para aumentar su complejidad de reacciones químicas.
Independientemente de la molécula o moléculas con capacidad de autorreplicación y competición, tendría que darse en algún momento la interacción entre moléculas diferentes (proteínas, ADN, ARN, lípidos y azúcares) y la formación de complejos y reacciones heterogéneas. Con estas interacciones se seleccionarían no ya unas pocas moléculas sino grupos heterogéneos de moléculas que actuarían en cooperación, coevolución.
En algún momento el ARN tuvo que intervenir en la síntesis de las proteínas. Para ello hubo que inventar un código que identificara una secuencia de nucleótidos con un aminoácido determinado. Esto es lo que actualmente se denomina el código genético, en el que tres bases nucleotídicas codifican para un aminoácido determinado. Este código parece arbitrario y es prácticamente universal para todos los organismos vivientes.
A estas protocélulas de las cuales partieron todas las demás células que conocemos hoy en día se les denomina LUCA (en inglés: Last universal common ancestor). Actualmente la información que transmiten los organismos a su descendencia está codificada en forma de ADN. El ADN tiene una serie de ventajas sobre el ARN: al ser el ADN una doble hélice es más estable, es más fácil de replicar y permite reparaciones más eficientes.
De Células Procariotas a Eucariotas
Cuando se estudia el origen de los primeros seres vivos, los cuales eran criaturas unicelulares, uno puede imaginarse la aparición de células sencillas como las bacterias: básicamente una membrana con un montón de cosas flotando dentro. Por definición, una de las grandes diferencias entre una célula procariota y una célula eucariota es que estas últimas tienen su DNA guardado por separado en un compartimento interior denominado núcleo.
Este núcleo está delimitado gracias a una doble capa de membrana que hace de cubierta nuclear y lo separa del resto de la célula (citoplasma). Esto es un nivel superior de complejidad frente a las procariotas, y la situación aún se complica más cuando hablamos de tamaños: las células eucariotas son normalmente unas 10 veces más grandes en dimensión (y 1000 en volumen), que una célula procariota.
Esto las ha obligado a desarrollar un sistema de filamentos proteicos, el citoesqueleto, que como hilos de un titiritero mantiene la forma de la célula y permite los movimientos tanto de sus partes internas como de toda la célula en su conjunto. Entre estos movimientos, uno especialmente llamativo es que las células eucariotas animales, al no tener paredes externas sólidas como casi todas las bacterias (las células eucariotas vegetales sí que tienen en general paredes externas), pueden comerse otras células o moléculas mediante fagocitosis.
Una hipótesis bastante respaldada es que nuestras células provienen de células eucariotas primordiales que eran depredadoras, es decir, que vivían de comerse a otras células. Para poderse comer a otras células, que serían procariotas, esta eucariota primordial necesitaría ser más grande que ellas y tener una membrana flexible conectada a un citoesqueleto, lo cual le permitiría moverse y envolver a otras células para engullirlas (fagocitarlas).
Esta idea no solo encaja con las diferencias entre células procariotas y eucariotas sino que también ayuda a explicar hechos como que todas las células eucariotas tienen, o tuvieron en algún momento, mitocondrias. Las mitocondrias son unos orgánulos celulares con doble membrana que paradójicamente se parecen mucho a una bacteria: tienen su propio DNA molecular, ribosomas y RNAs transferasas.
Esto llevó a la científica Lynn Margulis a desarrollar la “Teoría Endosimbionte”, según la cual estos orgánulos tienen su origen en bacterias fagocitadas que en vez de ser digeridas sobrevivieron dentro de las eucariotas depredadoras convirtiéndose en parte de ellas.
Genes Snail y Movimientos Celulares: Implicaciones en el Desarrollo y Enfermedades
Uno de los misterios en biología es cómo, de una sola célula, el cigoto -la unión de los gametos masculino y femenino-, se puede formar un individuo completo, un ser humano o de otra especie. Sin embargo, desde la segunda mitad del siglo XX ha habido grandes avances en la biología del desarrollo, que estudia los mecanismos por los cuales se genera un individuo. Una faceta muy importante es la morfogénesis: cómo las células de los embriones van a ir formando los distintos órganos.
En muchos casos éstos se forman en el lugar donde nacen sus células, pero a veces las células viajan porque su misión está en otra parte del cuerpo. Es lo que llamamos migración. Los genes Snail son responsables de convertir a una célula inmóvil en una célula móvil. Esa conversión se debe a un proceso que se llama transición epitelio-mesénquima. Si están defectuosos o sufren mutaciones, el embrión se muere.
Cuando las células llegan a su destino, el programa se desactiva. En el adulto no hay grandes movimientos de células epiteliales, pero en algunos contextos patológicos se produce una reactivación de los genes Snail, que vuelven a hacer lo mismo que hacían en el embrión, solo que ahora no va a ser beneficioso sino nocivo. Esta reactivación puede desencadenar patologías como el cáncer y la fibrosis.
En el cáncer, la reactivación de los genes Snail facilita la diseminación del cáncer por el desprendimiento de células cancerosas del tumor primario para formar otros nuevos, es decir, la metástasis. En la fibrosis, implica una acumulación masiva de matrices extracelulares en órganos. Las células de algunos órganos empiezan a secretar sobre todo colágeno y eso va a generar fibras fuera de las células. Así aparece la fibrosis, un proceso degenerativo que lleva al fallo del órgano.
Por lo tanto, la reactivación de este programa embrionario es una vertiente más de patologías complejas como el cáncer o la fibrosis. Intentamos entender los mecanismos íntimos por los que estos procesos funcionan. Solo si conocemos bien cómo funcionan, podremos entender cómo atacarlos cuando funcionan mal. El interés final es el bienestar y el progreso, y en definitiva cómo ayudar a estos pacientes.
El objetivo es evitar la diseminación de las células cancerosas, impidiendo que aniden en otros órganos del cuerpo y formen los tumores secundarios. Estamos intentando ver cuáles son las señales que emiten los órganos distantes y les dicen a las células que se queden y que aniden allí y formen otro tumor.
Para concluir, la investigación básica es esencial para entender los mecanismos detrás de la formación y el comportamiento de las células, tanto en el desarrollo normal como en enfermedades. Este conocimiento es fundamental para desarrollar tratamientos efectivos y mejorar la salud humana.