Tema 71

Este tema recorre, de forma integrada, los fundamentos de la biología celular: desde el problema histórico del origen de la vida hasta la organización, el funcionamiento y la reproducción de la unidad estructural de todos los seres vivos, la célula. Aunque su contenido es de naturaleza biológica, ocupa un lugar de frontera en la formación científica del profesorado, porque la vida no es sino química y física de la materia organizada: las mismas leyes de la termodinámica, la cinética y el enlace químico que rigen la materia inerte gobiernan también los procesos vitales. Comprender la célula exige, por tanto, un dominio previo de la base química de la materia.

El tema se articula en diez apartados que responden a las cláusulas del enunciado oficial: el origen de la vida, la teoría celular, la base química de la vida, la célula y sus orgánulos, las necesidades energéticas (respiración y fotosíntesis), la división celular, los cromosomas y la herencia, las mutaciones, la sensibilidad celular y los seres unicelulares.

1. El origen de la vida

La cuestión de cómo surgió la vida a partir de la materia inerte ha pasado de la especulación filosófica a la investigación experimental. Durante siglos dominó la generación espontánea, refutada por los experimentos de Redi (siglo XVII) y, de forma concluyente, por Louis Pasteur (1862), que con sus matraces de cuello de cisne demostró que todo ser vivo procede de otro preexistente (biogénesis).

La explicación aceptada hoy es la teoría quimiosintética de Aleksandr Oparin (1924) y, de forma independiente, John Haldane (1929). Postula que en la Tierra primitiva, hace unos 3800–4000 millones de años, una atmósfera reductora (rica en $\mathrm{CH_4}$, $\mathrm{NH_3}$, $\mathrm{H_2}$ y $\mathrm{H_2O}$, sin oxígeno libre) y fuentes de energía como la radiación ultravioleta, las descargas eléctricas y el vulcanismo permitieron la síntesis abiótica de moléculas orgánicas sencillas, que se acumularon en los océanos formando el llamado caldo primordial.

Esta hipótesis recibió apoyo experimental en 1953 con el célebre experimento de Stanley Miller y Harold Urey, que reprodujeron en el laboratorio dichas condiciones y obtuvieron aminoácidos y otras biomoléculas. Oparin propuso además que estas moléculas se agregarían en coacervados (protobiontes), sistemas con membrana rudimentaria capaces de intercambiar materia con el medio. La aparición posterior de moléculas autorreplicantes habría dado el paso decisivo: la hipótesis del mundo de ARN sugiere que el ARN, capaz a la vez de almacenar información y de catalizar reacciones (ribozimas), precedió al ADN y a las proteínas. Finalmente, la teoría endosimbiótica de Lynn Margulis (1967) explica el origen de la célula eucariota: mitocondrias y cloroplastos derivarían de bacterias procariotas englobadas por una célula huésped con la que establecieron una simbiosis permanente.

2. La teoría celular

La teoría celular es uno de los grandes paradigmas unificadores de la biología. Su formulación fue posible gracias al perfeccionamiento del microscopio: Robert Hooke observó y nombró las “células” en el corcho (1665) y Antonie van Leeuwenhoek describió los primeros microorganismos vivos. En el siglo XIX, Matthias Schleiden (para las plantas, 1838) y Theodor Schwann (para los animales, 1839) generalizaron la idea de que todos los organismos están formados por células. Rudolf Virchow añadió en 1855 el principio omnis cellula e cellula: toda célula procede de otra preexistente.

Sus postulados fundamentales, ya con la aportación de Virchow, son:

• La célula es la unidad estructural de todos los seres vivos: todos están formados por una o más células.
• Es la unidad funcional: en ella tienen lugar las reacciones del metabolismo.
• Es la unidad de origen: toda célula procede, por división, de otra anterior.
• Es la unidad genética: contiene el material hereditario que transmite a su descendencia.

3. La base química de la vida

La materia viva está constituida por los mismos elementos que la inerte, pero seleccionados y combinados de forma peculiar. Los bioelementos primarios —C, H, O, N, P y S— constituyen más del 96 % de la masa; el carbono es el elemento vertebrador por su capacidad de formar cuatro enlaces covalentes y largas cadenas. Existen además bioelementos secundarios (Ca, Na, K, Mg, Cl) y oligoelementos (Fe, Zn, Cu, I…) presentes en cantidades ínfimas pero imprescindibles.

Estos elementos se organizan en biomoléculas. Las inorgánicas son el agua y las sales minerales. El agua es el medio en que ocurre la vida: su molécula polar y su capacidad de formar puentes de hidrógeno le confieren un elevado calor específico, un alto poder disolvente y un papel activo en muchas reacciones (hidrólisis). Las biomoléculas orgánicas son cuatro grandes familias:

• Glúcidos: función energética y estructural. La glucosa, $\mathrm{C_6H_{12}O_6}$, es el monosacárido central; el almidón, el glucógeno y la celulosa son polímeros.
• Lípidos: reserva energética, componentes de membranas (fosfolípidos) y función reguladora (esteroides).
• Proteínas: polímeros de aminoácidos con funciones catalíticas (enzimas), estructurales, de transporte y de defensa. La secuencia de aminoácidos (estructura primaria) determina su plegamiento y su función.
• Ácidos nucleicos: el ADN almacena la información genética y el ARN interviene en su expresión. Son polímeros de nucleótidos, y su especificidad reside en la secuencia de bases nitrogenadas, complementarias entre sí (adenina–timina y guanina–citosina en el ADN).

4. La célula y sus orgánulos

Existen dos tipos básicos de organización celular. La célula procariota (bacterias y arqueas) carece de núcleo y de orgánulos membranosos: su material genético, un único cromosoma circular, se halla libre en el citoplasma (nucleoide). La célula eucariota (protistas, hongos, plantas y animales) posee un núcleo delimitado por envoltura y un complejo sistema de orgánulos.

Los principales componentes de la célula eucariota son:

• Membrana plasmática: bicapa lipídica con proteínas (modelo del mosaico fluido) que regula el intercambio de sustancias.
• Núcleo: contiene el ADN organizado en cromatina; en él se localiza el nucléolo, donde se sintetizan los ribosomas.
• Mitocondrias: sede de la respiración celular y de la producción de ATP.
• Cloroplastos (solo en células vegetales y algas): realizan la fotosíntesis.
• Retículo endoplasmático (rugoso y liso): síntesis de proteínas y lípidos.
• Aparato de Golgi: modifica, empaqueta y distribuye las proteínas.
• Ribosomas: síntesis de proteínas (traducción del ARN mensajero).
• Lisosomas: digestión celular mediante enzimas hidrolíticas.
• Vacuolas: almacenamiento (muy voluminosas en la célula vegetal).
• Citoesqueleto: red de filamentos que da forma, sostén y permite el movimiento.

Las células vegetales presentan además pared celular de celulosa, cloroplastos y una gran vacuola central, rasgos que las diferencian de las animales.

5. Las necesidades energéticas: respiración celular y fotosíntesis

La vida es un sistema abierto que mantiene su orden a costa de un flujo continuo de energía. El metabolismo engloba el conjunto de reacciones celulares: las catabólicas (degradación de moléculas complejas con liberación de energía) y las anabólicas (síntesis, que consume energía). La moneda energética que las conecta es el ATP (adenosín trifosfato), cuya hidrólisis libera energía:

La respiración celular aeróbica oxida la glucosa hasta $\mathrm{CO_2}$ y agua, liberando la energía almacenada en sus enlaces:

Transcurre en tres etapas: la glucólisis (en el citoplasma, escinde la glucosa en dos moléculas de piruvato con rendimiento neto de $2$ ATP y $2$ NADH), el ciclo de Krebs (en la matriz mitocondrial, que libera $\mathrm{CO_2}$ y coenzimas reducidos) y la cadena de transporte de electrones con la fosforilación oxidativa (en la membrana mitocondrial interna), donde el $\mathrm{O_2}$ actúa como aceptor final de electrones. El rendimiento total es de unas $30$–$38$ moléculas de ATP por glucosa. En ausencia de oxígeno, la célula recurre a la fermentación (láctica o alcohólica), mucho menos eficiente:

La fotosíntesis es el proceso inverso en el balance global: los organismos autótrofos captan energía luminosa para sintetizar materia orgánica a partir de $\mathrm{CO_2}$ y agua, liberando oxígeno:

Consta de una fase luminosa (en los tilacoides del cloroplasto), donde la clorofila absorbe la luz, se rompe el agua (fotólisis, con desprendimiento de $\mathrm{O_2}$) y se producen ATP y NADPH; y una fase oscura o ciclo de Calvin (en el estroma), que fija el $\mathrm{CO_2}$ para formar glucosa. La fotosíntesis es la puerta de entrada de la energía a la biosfera y el origen del oxígeno atmosférico.

6. La división celular

Toda célula procede de la división de otra. El ciclo celular comprende la interfase —subdividida en $G_1$ (crecimiento), $S$ (replicación del ADN) y $G_2$ (preparación)— y la fase M o de división. La replicación semiconservativa del ADN en la fase S garantiza que cada célula hija reciba una copia idéntica de la información genética.

La mitosis es la división del núcleo que reparte el material genético duplicado entre dos células hijas genéticamente idénticas a la progenitora. Se divide en cuatro etapas: profase (condensación de los cromosomas y desaparición de la envoltura nuclear), metafase (los cromosomas se alinean en la placa ecuatorial), anafase (separación de las cromátidas hermanas hacia los polos) y telofase (reconstrucción de los núcleos). La división del citoplasma (citocinesis) completa el proceso. La mitosis asegura el crecimiento, la renovación de tejidos y la reproducción asexual.

La meiosis, propia de la formación de gametos, consta de dos divisiones sucesivas y reduce a la mitad el número de cromosomas (de célula diploide $2n$ a gametos haploides $n$). Durante la meiosis se produce el entrecruzamiento (recombinación genética) y el reparto al azar de los cromosomas, fuentes esenciales de la variabilidad sobre la que actúa la selección natural.

7. Los cromosomas y la transmisión de la herencia

En la célula eucariota el ADN se asocia a proteínas (histonas) formando la cromatina, que se condensa durante la división en cromosomas. Cada cromosoma lleva numerosos genes, unidades de información que codifican caracteres. El conjunto de genes constituye el genotipo; su manifestación observable, el fenotipo, resulta de la interacción entre genotipo y ambiente.

Las bases de la herencia fueron establecidas por Gregor Mendel (1865) a partir de sus experimentos con guisantes, que le permitieron formular sus leyes:

• 1.ª ley (uniformidad): el cruce de dos razas puras da una descendencia uniforme en el primer filial.
• 2.ª ley (segregación): los dos alelos de cada carácter se separan al formar los gametos y se reparten independientemente.
• 3.ª ley (transmisión independiente): los caracteres distintos se heredan de forma independiente entre sí.

El redescubrimiento de Mendel en 1900 y la posterior identificación del ADN como soporte material del gen —culminada con el modelo de doble hélice de Watson y Crick (1953)— integraron la genética mendeliana con la biología molecular en la llamada teoría cromosómica de la herencia.

8. Las mutaciones

Una mutación es una alteración del material genético que puede transmitirse a la descendencia (si afecta a las células germinales). Constituyen la fuente última de variabilidad genética y la materia prima de la evolución. Según su alcance se clasifican en:

• Génicas o puntuales: cambios en la secuencia de nucleótidos de un gen (sustituciones, inserciones o deleciones de bases).
• Cromosómicas: alteraciones de la estructura de los cromosomas (deleciones, duplicaciones, inversiones y translocaciones).
• Genómicas: cambios en el número de cromosomas, ya sea de cromosomas sueltos (aneuploidías, como la trisomía 21) o de juegos completos (poliploidías, frecuentes en plantas).

Pueden ser espontáneas (errores de la replicación) o inducidas por agentes mutágenos físicos (radiaciones ionizantes y ultravioleta), químicos o biológicos. La mayoría son neutras o perjudiciales, pero unas pocas resultan ventajosas y, seleccionadas positivamente, impulsan la adaptación de las especies.

9. La sensibilidad celular

La sensibilidad o irritabilidad es la capacidad de la célula para detectar cambios en su medio (estímulos) y responder a ellos, una propiedad esencial para la supervivencia. La detección corre a cargo de receptores, generalmente proteínas de membrana que reconocen señales específicas (moléculas, luz, presión) y desencadenan una respuesta mediante procesos de transducción de señal.

En los organismos unicelulares, la respuesta suele traducirse en movimientos orientados llamados taxias: quimiotaxis (hacia nutrientes o alejándose de tóxicos), fototaxis (respuesta a la luz) o galvanotaxis. En los pluricelulares, la sensibilidad se especializa en células receptoras y, sobre todo, en las neuronas, capaces de generar y propagar el impulso nervioso —una onda de despolarización de la membrana debida al flujo de iones $\mathrm{Na^+}$ y $\mathrm{K^+}$— que constituye la base de los sistemas nervioso y sensorial. La sensibilidad celular es, por tanto, el fundamento último de toda la coordinación de los seres vivos.

10. Los seres unicelulares

Muchos organismos completan todas sus funciones vitales con una sola célula. Se distribuyen en varios grandes grupos:

• Bacterias (dominio Bacteria) y arqueas (dominio Archaea): procariotas de enorme diversidad metabólica. Intervienen en ciclos biogeoquímicos, fermentaciones industriales, la flora intestinal y también en enfermedades. Las arqueas colonizan ambientes extremos (fuentes hidrotermales, aguas hipersalinas).
• Protozoos: eucariotas heterótrofos (amebas, paramecios, flagelados), muchos de ellos de vida libre y otros parásitos.
• Algas unicelulares y otros protistas autótrofos, base del fitoplancton y principales productores de oxígeno de los océanos.
• Levaduras: hongos unicelulares de gran importancia en la industria alimentaria (pan, vino, cerveza) por su capacidad fermentadora.

Se reproducen principalmente de forma asexual (bipartición, gemación, esporulación), lo que les permite un crecimiento poblacional muy rápido. Su papel ecológico es decisivo: reciclan la materia, fijan nitrógeno y carbono, y sostienen las cadenas tróficas. Además, fueron las primeras formas de vida y de ellas derivan, por evolución, todos los organismos pluricelulares.

Aplicación didáctica

Aunque este temario corresponde a la especialidad de Física y Química, sus contenidos son de biología celular y encuentran su desarrollo curricular en la materia de Biología y Geología de la ESO y del Bachillerato (Real Decreto 217/2022 y Real Decreto 243/2022, LOMLOE). La base química de la vida y las necesidades energéticas conectan de forma natural con Física y Química, lo que permite un tratamiento interdisciplinar (enlaces, reacciones, energía) muy valioso para desarrollar la competencia STEM y la competencia en pensamiento científico.

Los distintos apartados se distribuyen a lo largo de la etapa: la célula y la teoría celular en 1.º de ESO; la nutrición celular, la reproducción y la herencia hacia 3.º–4.º de ESO; y su formalización molecular en Biología de Bachillerato. Metodologías como el uso del microscopio, las situaciones de aprendizaje en torno a la salud o el medio ambiente, y las simulaciones digitales resultan especialmente eficaces.

Conviene anticipar errores frecuentes del alumnado: confundir respiración celular con respiración pulmonar; creer que las plantas solo realizan fotosíntesis y no respiran; interpretar la fotosíntesis como el “inverso exacto” de la respiración sin advertir que ocurren en orgánulos y con rutas distintas; o entender la mutación como un fenómeno siempre negativo. Explicitar estas ideas previas y contrastarlas con evidencias es clave para una comprensión sólida.

Conclusión

La biología celular ofrece una visión unificada de lo vivo: desde el origen abiótico de las primeras moléculas hasta la sofisticada organización de la célula eucariota, todos los seres vivos comparten una misma base química, una misma unidad estructural y funcional —la célula—, unos mismos mecanismos de obtención de energía (respiración y fotosíntesis) y un mismo lenguaje genético, cuya transmisión y variación (herencia y mutaciones) explican la continuidad y la evolución de la vida. Comprender que estos procesos no son sino manifestaciones de las leyes físicas y químicas de la materia organizada constituye una de las grandes síntesis de la ciencia contemporánea y un fundamento imprescindible para la formación científica del alumnado.