Conceptos Fundamentales de la Materia

Para comprender la biología celular, es esencial entender los conceptos básicos de la materia:

• **Materia:** Cualquier sustancia que ocupa un espacio y tiene masa.
• **Masa:** Cantidad de materia que posee un cuerpo.
• **Volumen:** Espacio que ocupa un cuerpo.
• **Densidad:** Relación entre la masa y el volumen de un cuerpo (masa/volumen).
• **Peso:** Fuerza con la que la gravedad atrae a un cuerpo.

La Célula: Unidad Fundamental de la Vida

Composición Química

Las células están compuestas por diversos elementos químicos, clasificados en:

• **Macroelementos (C, H, O, N):** Constituyen la mayor parte de la materia orgánica.
• **Microelementos (Ca, Fe, S):** Presentes en menor cantidad, pero esenciales para diversas funciones.
• **Oligoelementos (I, Li, Cu):** Se requieren en cantidades mínimas, pero su deficiencia puede causar problemas.

Niveles de Organización Biológica

La vida se organiza en niveles jerárquicos, desde lo más simple a lo más complejo:

Átomo – Molécula – Macromolécula – Célula – Tejido – Órgano – Sistema de Órganos – Organismo – Población – Comunidad – Ecosistema – Bioma – Biosfera

Cada nivel presenta **propiedades emergentes**, es decir, características que no se encuentran en los niveles inferiores.

Teoría Celular

La teoría celular es uno de los pilares de la biología moderna. Su desarrollo se debe a las contribuciones de varios científicos:

• **Robert Hooke (1665):** Observó celdas en láminas de corcho, acuñando el término «célula».
• **Matthias Schleiden y Theodor Schwann (1839):** Propusieron la primera teoría celular, estableciendo que todos los seres vivos están formados por células, que la célula es la unidad estructural y funcional de la vida, y que toda célula proviene de otra preexistente.
• **Rudolf Virchow:** Complementó la teoría celular, afirmando que toda célula proviene de otra célula.

La teoría celular se enfrentó a la **teoría vitalista**, que postulaba la existencia de una «fuerza vital» para explicar la vida.

Características Comunes de las Células

• **Maquinaria metabólica:** Permite el crecimiento, desarrollo y reproducción.
• **Almacenamiento de información genética (ADN):** Contiene las instrucciones para el funcionamiento celular.
• **Membrana plasmática:** Delimita la célula y regula el intercambio de sustancias con el exterior.

Dominios de la Vida

La vida se clasifica en tres dominios:

• **Eukarya (Eucariontes):** Células con núcleo definido. Incluye protistas, hongos, plantas y animales.
• **Archaea (Arqueobacterias):** Procariontes que habitan en ambientes extremos.
• **Bacteria (Eubacterias):** Procariontes con pared celular de peptidoglicano.

Estructura de las Células Procariontes (Bacterias)

• **Pared celular:** Permeable, protege la célula y está compuesta de peptidoglicano.
• **Membrana plasmática:** Permeable selectiva, delimita el citoplasma y regula el intercambio de sustancias.
• **Nucleoide:** Región donde se encuentra el ADN circular.
• **Ribosomas:** Sintetizan proteínas.
• **Polisomas:** Conjunto de ribosomas unidos a una molécula de ARN mensajero.
• **Flagelo bacteriano:** Permite el movimiento.
• **Fimbrias:** Estructuras para la adhesión o la conjugación.
• **Citoplasma:** Solución coloidal que contiene agua, sales minerales y otras sustancias.

Variabilidad Genética en Bacterias

• **Transformación:** Incorporación de ADN del entorno.
• **Transducción:** Transferencia de ADN mediante virus bacteriófagos.
• **Conjugación:** Intercambio de material genético entre bacterias a través de contacto directo.

Biomoléculas: Los Componentes de la Vida

Agua

El agua es la molécula más abundante en los seres vivos y posee propiedades únicas debido a su polaridad y capacidad de formar puentes de hidrógeno:

• **Polaridad:** Permite la disolución de sustancias polares.
• **Alto calor específico:** Requiere mucha energía para aumentar su temperatura.
• **Alto calor de vaporización:** Absorbe mucha energía al cambiar de estado líquido a gaseoso.
• **Cohesión:** Moléculas de agua se atraen entre sí.
• **Adhesión:** Moléculas de agua se atraen a otras sustancias polares.
• **Densidad:** El agua sólida (hielo) es menos densa que el agua líquida.
• **Solvente universal:** Disuelve una gran variedad de sustancias.
• **Homeostasis:** Participa en la regulación del medio interno.

Sales Minerales

Las sales minerales son compuestos inorgánicos que desempeñan funciones estructurales y reguladoras:

• **Estructurales:** Forman parte de huesos, caparazones, etc.
• **En solución:** Se disuelven en agua formando electrolitos.
• **Precipitadas:** Forman estructuras sólidas.
• **Combinadas:** Se unen a moléculas orgánicas.

Funciones de las Sales Minerales

• **Calcio:** Huesos, actividad nerviosa y muscular.
• **Fósforo:** Huesos, ATP, ácidos nucleicos.
• **Sodio:** Balance de líquidos, función nerviosa y muscular.
• **Potasio:** Función nerviosa y muscular.
• **Cloro:** Balance de electrolitos, jugo gástrico.
• **Magnesio:** Cofactor enzimático, clorofila.
• **Yodo:** Hormonas tiroideas.
• **Flúor:** Dureza de los huesos.
• **Hierro:** Hemoglobina.

Proteínas

Las proteínas son macromoléculas esenciales para la vida, con funciones estructurales, enzimáticas, hormonales, etc.:

• **Especificidad:** Cada proteína tiene una función específica.
• **Desnaturalización:** Pérdida de la estructura y función por cambios en el entorno.

Aminoácidos

Los aminoácidos son los monómeros que forman las proteínas. Se unen mediante enlaces peptídicos.

• **Esenciales:** Deben obtenerse a través de la dieta.
• **No esenciales:** El cuerpo puede sintetizarlos.

Tipos de Proteínas

• **Simples:** Formadas solo por aminoácidos.
• **Conjugadas:** Contienen un grupo prostético (carbohidratos, lípidos, etc.).

Estructura de las Proteínas

• **Primaria:** Secuencia lineal de aminoácidos.
• **Secundaria:** Plegamiento en hélice o lámina beta.
• **Terciaria:** Estructura tridimensional global.
• **Cuaternaria:** Asociación de varias subunidades proteicas.

Hemoglobina

La hemoglobina es una proteína cuaternaria que transporta oxígeno en la sangre.

Enzimas

Las enzimas son proteínas que catalizan reacciones químicas, disminuyendo la energía de activación.

• **Especificidad:** Actúan sobre sustratos específicos.
• **Reutilizables:** No se consumen en la reacción.

Modelos de Acción Enzimática

• **Llave-cerradura:** El sustrato encaja perfectamente en el sitio activo de la enzima.
• **Encaje inducido:** El sitio activo se adapta al sustrato.

Factores que Afectan la Actividad Enzimática

• **Temperatura:** La actividad enzimática aumenta con la temperatura hasta un punto óptimo, luego disminuye y la enzima se desnaturaliza.
• **pH:** Cada enzima tiene un pH óptimo para su funcionamiento.
• **Concentración de sustrato:** La actividad enzimática aumenta con la concentración de sustrato hasta un punto de saturación.

Funciones de las Proteínas

• **Hormonales:** Insulina, glucagón, hormona del crecimiento, etc.
• **Estructurales:** Colágeno, elastina, queratina, etc.
• **Enzimáticas:** Amilasa, catalasa, ADN polimerasa, etc.

Carbohidratos

Los carbohidratos son biomoléculas compuestas por carbono, hidrógeno y oxígeno. Se clasifican en monosacáridos, disacáridos y polisacáridos.

Funciones de los Carbohidratos

• **Energética:** Glucosa, fructosa, etc.
• **Estructural:** Celulosa, quitina, etc.

Ácidos Nucleicos

Los ácidos nucleicos (ADN y ARN) son macromoléculas que almacenan y transmiten la información genética.

Nucleótidos

Los nucleótidos son los monómeros que forman los ácidos nucleicos. Están compuestos por una pentosa, una base nitrogenada y un grupo fosfato.

Ácido Desoxirribonucleico (ADN)

El ADN es una molécula bicatenaria que contiene la información genética en la secuencia de sus bases nitrogenadas (adenina, guanina, citosina y timina).

Ácido Ribonucleico (ARN)

El ARN es una molécula monocatenaria que participa en la síntesis de proteínas. Existen tres tipos principales de ARN: mensajero (ARNm), transferencia (ARNt) y ribosomal (ARNr).

Lípidos

Los lípidos son biomoléculas insolubles en agua, con funciones energéticas, estructurales y hormonales.

Tipos de Lípidos

• **Glicéridos:** Triglicéridos (grasas y aceites).
• **Fosfolípidos:** Componentes de las membranas celulares.
• **Terpenos:** Vitaminas liposolubles (A, D, E, K).
• **Esteroides:** Colesterol, hormonas sexuales, corticoides.

Límite Celular

Pared Celular

La pared celular es una estructura rígida que se encuentra en células vegetales, hongos, bacterias y algunos protistas. Su composición varía según el organismo.

Membrana Plasmática

La membrana plasmática es una bicapa lipídica que rodea la célula, regulando el intercambio de sustancias con el exterior.

Componentes de la Membrana Plasmática

• **Lípidos:** Fosfolípidos y colesterol.
• **Proteínas:** Integrales y periféricas.
• **Carbohidratos:** Glucoproteínas y glucolípidos.

Funciones de la Membrana Plasmática

• **Límite celular:** Define el espacio intracelular.
• **Regulación del transporte:** Controla el paso de sustancias.
• **Comunicación celular:** Recibe señales del entorno.
• **Mantenimiento de la forma celular:** Proporciona soporte estructural.

Permeabilidad Celular

La membrana plasmática es selectivamente permeable, permitiendo el paso de ciertas sustancias y restringiendo el paso de otras.

Tipos de Transporte a través de la Membrana

• **Difusión simple:** Movimiento pasivo de sustancias a favor del gradiente de concentración.
• **Difusión facilitada:** Movimiento pasivo de sustancias a través de proteínas de canal o transportadoras.
• **Transporte activo:** Movimiento de sustancias contra el gradiente de concentración, requiere energía.
• **Endocitosis:** Incorporación de sustancias mediante vesículas.
• **Exocitosis:** Liberación de sustancias mediante vesículas.

Estructuras Citoplasmáticas

Organelos

Los organelos son estructuras subcelulares que realizan funciones específicas dentro de la célula.

Núcleo

El núcleo es el organelo que contiene el material genético (ADN) y controla las actividades celulares.

Mitocondria

La mitocondria es el organelo responsable de la respiración celular, produciendo energía (ATP).

Cloroplastos

Los cloroplastos son organelos presentes en células vegetales, donde se realiza la fotosíntesis.

Retículo Endoplasmático

• **Liso (REL):** Síntesis de lípidos y detoxificación.
• **Rugoso (RER):** Síntesis de proteínas y glicosilación.

Complejo de Golgi

El complejo de Golgi procesa, empaqueta y distribuye proteínas y lípidos.

Lisosomas

Los lisosomas contienen enzimas digestivas que degradan sustancias dentro de la célula.

Peroxisomas

Los peroxisomas contienen enzimas que degradan ácidos grasos y otras moléculas.

Vacuolas

Las vacuolas son compartimentos que almacenan agua, nutrientes y otras sustancias.

Ribosomas

Los ribosomas son responsables de la síntesis de proteínas.

Citoesqueleto

El citoesqueleto proporciona soporte estructural y participa en el movimiento celular. Está compuesto por microfilamentos, filamentos intermedios y microtúbulos.

Conclusión

La biología celular es un campo fascinante que nos permite comprender la complejidad de la vida a nivel microscópico. El estudio de las células y sus componentes es fundamental para entender los procesos biológicos que ocurren en los seres vivos.