Célula: ¿“pequeños animálculos” o unidades de vida?

María del Socorro Fernández, Beatriz Palmeros Sánchez, María del Carmen Ramírez Benítez, Rebeca García Romano y José Armando Lozada Rodríguez

Sin duda, la investigación de la estructura celular está ligada al desarrollo del microscopio. A pesar de que el origen de este instrumento aún se debate, la introducción del microscopio compuesto (con dos lentes) por Zacharias y Hans Janssen hacia 1590 marcó el inicio del conocimiento en detalle de la célula. Alrededor de cincuenta años después, Robert Hooke (1635-1703), un microscopista clásico, observó múltiples espacios cercados por una pared gruesa cuando examinó al microscopio la estructura de una corteza; dada la simetría que mostraban esas pequeñas celdas, se refirió a ellas como “células”; desde entonces, tanto en la biología como en las demás disciplinas relacionadas, este término se sigue utilizando para designar la unidad estructural y funcional que comparten todos los organismos que conforman la diversidad biológica.

Al holandés Anton van Leeuwenhoek (1632-1723) es a quien se reconoce como el iniciador del estudio de la célula. Describió las diferencias morfológicas entre los eritrocitos de los peces y anfibios y los del hombre y de varios mamíferos. En 1677, en una carta, comunicó a la Real Sociedad inglesa: “Vi una multitud de animálculos vivos, más de mil, moviéndose en un volumen de un grano de arena”. El descubrimiento de los animalculus (espermatozoides) repercutió de manera significativa en las teorías embriológicas. Durante un largo periodo, la observación de la célula con el microscopio no dio lugar a interpretaciones teóricas importantes, sino hasta después de 1800, cuando surgió la idea de que las células podrían representar algo fundamental en la organización de la vida. Esta idea llevó a René J. H. Dutrochet (1824) a la conclusión de que la célula es realmente la pieza fundamental del organismo vivo.

El desarrollo de mejores técnicas microscópicas hizo posible observar las estructuras subcelulares, como el núcleo de las células vegetales por Robert Brown en 1833 y el nucleolo por Mattias Schleiden y Theodor Schwann en 1839, lo que llevó a Virchow a proponer en 1855 el famoso concepto de que “las células surgen por división de células preexistentes”.

Las lentes de inmersión en aceite dieron al microscopio óptico una resolución de 1,400 aumentos (1,400 X), y las lentes acromáticas permitieron a Walther Flemming y otros investigadores descubrir los cromosomas (1880) y describir la mitosis y la meiosis. Gracias a los métodos de tinción, Camillo Golgi y Santiago Ramón y Cajal pudieron identificar organelos dentro de la célula, y los microbiólogos Robert Koch, Edwin Klebs y Louis Pasteur, observando preparaciones teñidas, hallaron las bacterias del cólera y la tuberculosis y muchos organismos patógenos más, así como otros que tuvieron una gran repercusión en la industria de los alimentos, la fermentación y otros.

El desarrollo del microscopio de interferencia y de contraste de fases, así como los cultivos celulares y el marcaje con colorantes fluorescentes y radiactivos, mejoraron las observaciones de la célula y sus componentes moleculares. Sin embargo, durante los años cincuenta del pasado siglo, el estudio y comprensión de la estructura y función de las células experimentaron un avance extraordinario con la invención del microscopio electrónico, los métodos de centrifugación diferencial y las nuevas técnicas de análisis bioquímico y electrofisiológico, estableciendo así las bases de la biología celular, la fisiología celular y la citogenética.

Las investigaciones en estas ramas empezaron a describir la estructura y las rutas moleculares de diferentes partes de la célula, como la membrana celular, el sistema membranal interno (retículo endoplásmico y aparato de Golgi), los ribosomas, cloroplastos, mitocondrias y otros numerosos componentes. En los años sesenta se empezó a conocer la comunicación intercelular, proceso mediante el cual la célula intercambia iones, moléculas pequeñas y nutrientes con su entorno, y la manera como esto regula y coordina los procesos funcionales en los diversos niveles de organización celular, desde el molecular al de organismo pluricelular.

Por otro lado, la teoría cromosómica de la herencia propuesta por Walter Sutton (1877- 1916) y Theodor Boveri (1862-1915), fue desarrollada por Thomas Hunt Morgan (1928-1968) y su grupo en la mosca de la fruta (Drosophila melanogaster) y fortalecida por Oswald Avery, Colin MacLeod y Maclyn McCarty en 1944, quienes demostraron que el material genético contenido en los cromosomas de la célula estaba constituido por ácido desoxirribonucléico (ADN), el cual está formado por una doble hebra de muchos nucleótidos constituidos de una base nitrogenada (adenina = A, guanina = G, citosina = C y timina = T), una pentosa (desoxirribosa) y un fosfato.

La descripción de la estructura de la doble hélice hecha por el biólogo James D. Watson y el físico Francis Crick, basada en los estudios de rayos X y cristalografía de Maurice Wilkins, Rosalind Franklin y Linus Pauling, así como en los datos del grupo de Erwin Chargaff sobre el apareamiento de las bases A con T y G con C, sentó las bases para el surgimiento de la disciplina conocida como biología molecular.

La citogenética se centra en el estudio del núcleo y los cambios estructurales que pueden observarse en la mitosis durante la metafase, etapa en la que los cromosomas tienen su máxima compactación y pueden ser perfectamente observados en el microscopio óptico cuando se contrastan con métodos especiales de tinción. Los cultivos de células –en especial de linfocitos de sangre circulante de diversas especies animales, incluidos los humanos– son una herramienta muy útil en la genética humana y han dado información sobre la morfología y el número de los cromosomas. En la especie humana (Homo sapiens), las células somáticas de un individuo normal tienen en el núcleo 46 cromosomas, arreglados en 23 pares, y desde los acuerdos internacionales de la Conferencia de París (1967), estos cromosomas son ordenados por tamaño y localización en el centrómero y se caracterizan con la tinción de bandas G (colorante Giemsa), específica de cada uno de ellos en el llamado cariotipo. De los 23 pares, 22 son comunes al hombre y la mujer, y son llamados autosomas; el par restante recibe el nombre de “par sexual”, que está formado por dos cromosomas X en la mujer y un cromosoma X y uno Y en el hombre. Las alteraciones cromosómicas numéricas y estructurales detectadas por el cariotipo han sido la herramienta que ha hecho posible describir más de 4 mil enfermedades provocadas por ciertos cambios localizados en los genes de los cromosomas autosómicos o sexuales.

Los cromosomas son estructuras celulares relativamente grandes, visibles al microscopio compuesto, que contienen la información genética de una célula; además, llevan la información que permite prender o apagar –por así decirlo– un gen de manera regulada y controlar su propia duplicación, reparación y empaquetamiento. Los cromosomas no están constituidos únicamente de ADN, sino que están compuestos de cromatina, la cual está formada por ADN, un grupo de proteínas estructurales conocidas como histonas y diversas proteínas no histónicas. La microscopía electrónica ha mostrado que la cromatina es una fibra formada por los nucleosomas, que son estructuras producto de la asociación del ADN con las histonas. Algunos estudios bioquímicos explican cómo la mayor parte de la cromatina permanece descompactada en el núcleo interfásico y se compacta para ser visible durante la mitosis.

El conocimiento de la estructura y funcionamiento de la célula y sus cromosomas ha permitido el surgimiento de nuevas disciplinas, como la genética toxicológica, que estudia las alteraciones provocadas en los cromosomas por diversos factores conocidos como agentes genotóxicos. Éstos pueden ser de tipo químico o físico y a veces biológico; los químicos pueden ser de origen natural (es decir, los sintetizados por los organismos) o inorgánico, que se encuentran en la naturaleza, o bien los cientos de miles que han sido sintetizados en los laboratorios (xenobióticos). Debido a que la interacción de los genotóxicos con el material hereditario provoca su alteración, se han desarrollado diversos biomarcadores que permiten caracterizar los cambios provocados, como las aberraciones cromosómicas, que son alteraciones que afectan fragmentos grandes de los cromosomas o incluso cromosomas completos, y que pueden ser observadas y cuantificadas mediante el microscopio óptico.

Los protocolos de investigación para el análisis de las aberraciones cromosómicas que han sido aceptados por organismos tales como la Environmental Protection Agency (Agencia para la Protección del Ambiente, o EPA), la International Agency for Research on Cancer (Agencia Internacional para el Estudio del Cáncer, o IARC), la World Health Organization (Organización Mundial de la Salud, o WHO) y otras, utilizan células eucariontes de diversos grupos biológicos, como las de cebolla y haba, o células humanas de los epitelios de la mucosa bucal, células en cultivo como los linfocitos y otras más. Los protocolos más utilizados analizan los cromosomas en la metafase y anafase, etapas en la que los cromosomas se separan hacia los polos del huso acromático, lo que permite evaluar el rompimiento de cromosomas, translocaciones, duplicaciones, puentes, cromosomas que no se incorporan al huso acromático, isocromosomas, intercambio de cromátidas hermanas y varios procesos más.

En la metafase también se pueden analizar las aneuploidías, que son la pérdida o ganancia de cromosomas, como ocurre en el síndrome de Down, donde las personas con esta alteración tienen 47 cromosomas en lugar de los 46 normales debido a que hay tres cromosomas 21, o en las mujeres que padecen el síndrome de Turner, quienes tienen 45 cromosomas debido a que les falta un cromosoma X del par de cromosomas sexuales.

La introducción de las técnicas de biología molecular, como la electroforesis alcalina en células individuales (ensayo cometa) o el ensayo del ADN en escalera, apoyan de forma significativa los estudios de biomonitoreo tanto en humanos como de carácter ambiental. Estas metodologías, por las ventajas técnicas que conllevan, permiten detectar diferentes tipos de daño al ADN, como los rompimientos en una de las cadenas, los sitios lábiles a álcalis, e incluso la necrosis y muerte celular programada. Este último es un proceso sumamente importante durante el desarrollo embrionario, que también ocurre en el organismo adulto, para controlar la masa celular de órganos como el hígado. La inhibición o desregulación de la muerte celular programada por diferentes vías puede ser decisiva en el surgimiento del cáncer.

Ahora se sabe con certeza que las células embrionarias y cualquier otra célula de un organismo diferenciado deben mantener el mismo contenido y organización de ADN en los cromosomas; es decir, que una célula especializada de un organismo maduro contiene los mismos genes presentes al inicio de su desarrollo embrionario, aunque algunos estarán encendidos mientras que otros estarán apagados. Por lo anterior, todas las metodologías que hacen posible detectar los cambios provocados en el ADN por agentes externos son de suma utilidad en cualquier estudio toxicológico.