INTRODUCCI�N

Uno de los temas de mayor inter�s para los seres humanos sin duda, es saber c�mo funcionan las c�lulas. Como unidades de los seres vivos que son, su conocimiento resulta esencial para entender c�mo trabajan los tejidos, los �rganos y los sistemas. La agregaci�n de c�lulas les confiere propiedades adicionales, que no modifican la mayor�a de sus propiedades originales, pues sus funciones b�sicas siguen siendo las mismas. Un organismo multicelular, no importa lo complejo que sea, contin�a basando su funcionamiento en el de cada una de sus c�lulas, agregando funciones a las ya existentes en ellas.

Los estudios sobre el comportamiento celular se iniciaron gracias a la acci�n de varias actividades paralelas, que poco a poco han ido convergiendo en un solo camino que tiende a integrar todos los conocimientos al respecto.

A partir del descubrimiento del microscopio por Van Leeuwenhoek, se inici� el estudio de las funciones celulares que pod�an ser observadas con este instrumento, la divisi�n de las c�lulas por ejemplo. El descubrimiento del microscopio abri� la posibilidad de observar objetos muy peque�os y tuvo a la vez el m�rito enorme de haber estimulado la curiosidad de los humanos por conocer m�s sobre las propiedades y caracter�sticas de tejidos y c�lulas.

De manera tanto independiente, a partir de los primeros a�os del siglo pasado, comenz� el estudio de la composici�n qu�mica de los organismos vivos. Con cierta rapidez, se lleg� a definir un enorme n�mero de compuestos de todos tipos y complejidades que se pod�an aislar de los organismos vivos; se gener� as� una vasta �rea del conocimiento humano, la llamada qu�mica org�nica.

Uno de los organismos que, desde antes del principio de los siglos que nuestro calendario cuenta, atrajo la atenci�n de los humanos, a causa de su utilidad en la fabricaci�n del pan y el vino fue la levadura. Pero s�lo a principios del siglo XIX se iniciaron los estudios encaminados a conocer su funcionamiento, en principio dentro del marco de numerosas consideraciones religiosas y filos�ficas. Schwann, cient�fico alem�n, defini� que la levadura era un organismo vivo, responsable de la fermentaci�n, e inici� violenta pol�mica en contra de las cr�ticas de otro cient�fico, Liebig, quien no s�lo se opuso a las ideas de Schwann sino que hizo cruel burla de ellas. Muchos a�os despu�s, Pasteur realiz� los interesantes experimentos que confirmaron las ideas de Schwann y que fueron, en cierta forma, los precursores de la actual biotecnolog�a. Gracias a ellas se demostr� que los problemas de la mala calidad de la cerveza francesa frente a la alemana proven�an precisamente de la presencia de bacterias en los in�culos de levadura que se utilizaban para la producci�n de la bebida, y surgi� la posibilidad de resolver el problema. La levadura es capaz de realizar la siguiente transformaci�n:

Glucosa ®2C0₂ + 2 mol�culas de alcohol et�lico

El inter�s por las levaduras se debe a que el C0₂ (bi�xido de carbono) es el que produce las burbujas en la masa de harina, que al hornearla, le dan suavidad al pan, ya que el alcohol es el principio activo de cientos y quiz� miles de bebidas espirituosas en todo el mundo, adem�s de una sustancia de gran importancia industrial.

Hacia finales del siglo pasado, B�chner describi� la capacidad de las c�lulas rotas de levadura, que podr�an ser consideradas muertas, de fermentar el az�car. Este descubrimiento abri� la puerta para que muchos otros cient�ficos se lanzaran al estudio de tal transformaci�n. Desde de un principio se puso de manifiesto la enorme dificultad que implicaba aclarar la naturaleza del proceso. Se necesitaron muchos a�os de trabajo y la labor de numerosos y brillantes investigadores para caracterizar el gran n�mero de compuestos que interven�an. Qued� claro que hab�a sustancias complejas, a las que se dio el nombre de enzimas (del griego zymos, levadura) que eran responsables de producir las transformaciones de unos intermediarios en otros. Se fueron encontrando muchas otras sustancias que interven�an en el proceso y luego se descubri� que en los m�sculos de los organismos vivos se daban transformaciones semejantes. M�s tarde se vio que el mismo proceso, como tal, o con algunas variaciones, tambi�n lo realizaban miles de organismos y pr�cticamente todos los tejidos vivos conocidos. Hacia los primeros a�os de este siglo, a partir de esos descubrimientos, naci� la bioqu�mica.

A continuaci�n se desarrollaron tambi�n los estudios sobre las transformaciones de otras sustancias, como las grasas y las prote�nas. El trabajo de decenas de a�os de miles de investigadores de todo el mundo ha llevado al estado actual de conocimiento que tenemos sobre el metabolismo, esa enorme y complicada serie de transformaciones que experimentan constantemente las sustancias que ingerimos o que producimos en nuestro organismo.

Al mismo tiempo, y con el desarrollo de mejores microscopios, se avanz� en la descripci�n de la estructura de los microorganismos, los tejidos animales y vegetales y su componente unitario, la c�lula. Aunque en un principio fue un proceso dif�cil y estuvo combinado con gran cantidad de imaginaci�n y especulaci�n, el conocimiento del interior de la c�lula aport� hechos reales y teor�as; con gran lentitud se fue descubriendo la imagen de los componentes, pero s�lo recientemente se le asign� alguna funci�n a cada uno. Uno de los grandes avances modernos fue el invento del microscopio electr�nico, que aclar� conceptos, ampli� conocimientos, y cada d�a, aun en la �poca actual, nos ofrece nueva informaci�n sobre la fina estructura de nuestras c�lulas.

A finales de los cuarenta se inici� el camino para integrar los conocimientos sobre las formas o estructuras de las c�lulas y sus funciones. Por estas fechas se logr� aislar los organelos celulares y se inici� el dif�cil trabajo de aclarar sus funciones. Fue a partir de entonces que se inici� un trabajo m�s integrado, para conocer y relacionar las funciones y las estructuras; lo cual dio pie a que en la �poca actual, la adquisici�n de nuevos conocimientos gire alrededor de un esquema general que re�ne los conocimientos sobre la composici�n y el funcionamiento de las mol�culas, las estructuras celulares, las c�lulas mismas, los tejidos, los �rganos y los individuos.

Las caracter�sticas estructurales de los componentes celulares se pueden estudiar en las c�lulas �ntegras. Tambi�n, en ocasiones, es posible inferir conceptos fisiol�gicos de las im�genes que se observan, como sucede en el curso de la divisi�n celular, de donde se ha obtenido mucha informaci�n sobre los cromosomas y su divisi�n, su papel en la transmisi�n de las caracter�sticas hereditarias de unas c�lulas a otras, y otras propiedades de las c�lulas durante su divisi�n.

Por el contrario, en el caso de algunos organelos, es dif�cil obtener informaci�n s�lo con observar diferentes estados de la c�lula. Para conocerlos ha sido necesario obtenerlos en forma m�s o menos pura, a partir de homogeneizados celulares hechos con ciertas precauciones. El caso del fraccionamiento de las c�lulas hep�ticas nos da idea de lo sencillo que resulta obtener algunos de sus componentes. En la figura 1 se presenta un esquema del sistema que se emplea para fraccionar por centrifugaci�n a velocidades variables los elementos de las c�lulas.

Figura 1. Sistema general para obtener organelos celulares. A partir de un homogeneizado de c�lulas rotas, por centrifugado a diferentes velocidades y tiempos, se obtienen los distintos organelos.

Para hacer un homogeneizado, primero se cortan con unas tijeras fragmentos peque�os de tejido. Se utiliza un medio isot�nico, es decir, que contenga una concentraci�n de sustancias semejantes a la de las c�lulas y organelos, para que los cambios de la presi�n osm�tica conserven al m�ximo la estructura y la funci�n de los componentes.

Luego se coloca el homogeneizado en un tubo de centrifugaci�n y se pasa a trav�s de una gasa, para eliminar los fragmentos de tejido que no se han roto y material fibroso. Si se somete a centrifugaci�n a una velocidad que aumente 600 veces la fuerza de la gravedad, en unos diez minutos se van al fondo las c�lulas completas y los n�cleos. Tambi�n es factible utilizar procedimientos adicionales para purificar los n�cleos, lav�ndolos de diferentes maneras y volvi�ndolos a separar por centrifugaci�n.

El sobrenadante de esta primera centrifugaci�n se puede someter luego a una fuerza centr�fuga 15 000 veces mayor que la gravedad. As� se obtiene un paquete o pastilla de material en el fondo, que contiene en su mayor parte mitocondrias, lisosomas y otras part�culas, como los centriolos. Tambi�n hay procedimientos para purificar cada uno de estos componentes.

Si se toma el sobrenadante de esta segunda centrifugaci�n y se somete ahora a una fuerza 105 000 veces mayor que la de la gravedad durante 60 minutos, se obtiene la llamada fracci�n microsomal (de microsomas), formada principalmente por ves�culas del ret�culo endopl�smico, muchas de las cuales tienen adheridos los ribosomas. Por este procedimiento, utilizando sustancias que permiten liberar los ribosomas de las membranas, por ejemplo un detergente, y centrifugando de nuevo a la misma velocidad, se obtienen los ribosomas puros.

Finalmente, al sobrenadante que resulta de la centrifugaci�n a 105 000 x g, se le llama fracci�n soluble o citosol, y representa solamente una diluci�n del material no particulado de la c�lula en el medio de homogeneizaci�n.

Las fracciones que se obtienen as� se utilizan para muchos estudios que nos dan informaci�n sobre las funciones de cada organelo. Es claro que los m�todos para romper y homogeneizar las c�lulas var�an de unos tejidos o tipos celulares a otros, y el caso de las c�lulas hep�ticas no es m�s que un ejemplo de uno de los m�todos m�s sencillos que hay.

Si queremos acercarnos al conocimiento de las funciones celulares, no debemos olvidar el papel que desempe�aron los microorganismos en estas investigaciones; aunque mencionamos a la levadura, participaron muchos otros microbios, entre los que destaca el colibacilo o Escherichia coli, humilde bacteria que crece en el intestino de casi todos los humanos. De hecho, aquellos estudios que se iniciaron por simple curiosidad, permitieron saber que hay grandes variaciones en el comportamiento metab�lico de los microbios y los hongos microsc�picos. De los estudios b�sicos de los cient�ficos surgieron productos de gran beneficio para la humanidad, como las sulfas o los antibi�ticos. Este trabajo de investigaci�n llev� a desarrollar la biotecnolog�a, el amplio campo donde se obtienen diversos productos de los seres vivos.

Otro cap�tulo importante, iniciado en los a�os cincuenta, fue la posibilidad de cultivar c�lulas de organismos superiores; posteriormente se desarroll� el conocimiento sobre sus funciones. Por ejemplo, no s�lo se pudo llegar a cultivarlas, sino se demostr� que una c�lula de un organismo es capaz de regenerarlo; tambi�n se encontr� que cultivando c�lulas vegetales, en algunos casos se pueden reproducir de manera mucho m�s r�pida que por la siembra, variedades de plantas que conservan sus caracter�sticas. Los cultivos celulares pueden ser invadidos por los virus, pero esto, que pudiera parecer una tragedia, ha servido para reproducir algunos de estos agentes pat�genos y as� elaborar algunas vacunas contra ellos.

Este libro busca acercar al lector al conocimiento de algunas de las funciones generales de las c�lulas, para que se asome al mundo maravilloso de las estructuras y el acomodo de funciones extraordinarias que tienen cabida en un espacio tan peque�o. Casi todos creemos que una neurona y una c�lula muscular se comportan de manera muy distinta; sin embargo, al revisar sus funciones fundamentales resulta que son muchas m�s las semejanzas que las diferencias, y que es posible establecer un patr�n o sistema general de comportamiento, no s�lo de las c�lulas, sino de sus componentes, la membrana, los organitos u organelos celulares, el n�cleo, las mitocondrias, etc. Adem�s, esto es v�lido no s�lo en lo que se refiere a las funciones, que t�picamente se describen a nivel fisiol�gico (como la reproducci�n, el movimiento u otras caracter�sticas) sino para la base de las funciones celulares que es en �ltima instancia la gigantesca serie de transformaciones qu�micas, el gran n�mero de interacciones de sus mol�culas, en el intrincado mundo en el cual ya no es posible diferenciar entre la bioqu�mica, la biolog�a molecular y la fisiolog�a de las c�lulas. Todo el conocimiento se va integrando dentro del �rea que recibe el nombre de biolog�a celular o fisiolog�a celular.

Como consecuencia, se busca presentar una imagen integral de las funciones celulares, sin diferenciar entre las que se pueden apreciar de manera macrosc�pica, como la divisi�n celular, y aquellas que no podemos ver, como las transformaciones de la energ�a o el transporte de sustancias hacia el interior o el exterior de la c�lula, y que en t�rminos generales han sido consideradas m�s bien del dominio de la bioqu�mica. En el mundo actual, y cada vez con mayor frecuencia, tienden a desaparecer las divisiones artificiales que en una �poca fueron m�s o menos claras, pero que m�s bien fueron reflejo de la ignorancia de los investigadores, y no una realidad biol�gica. Es fundamental que el lector asimile la idea de que no hay separaci�n entre el movimiento de una c�lula que podemos ver en el microscopio, o incluso a simple vista, y los procesos moleculares que ocurren en �l. Las c�lulas se mueven porque algunas de sus mol�culas se acortan o alargan, resultado de interacciones y deslizamiento de sus componentes y la participaci�n de otras, unas peque�as y otras grandes, la mayor parte de ellas invisibles a nuestros ojos, pero todas relacionadas de tal forma que finalmente hacen posible el fen�meno macrosc�pico que podemos observar, la contracci�n de la fibra muscular.

Es importante tambi�n que el lector est� dispuesto a revisar otros libros que en esta misma serie tocan conocimientos o temas que aqu� se ver�n de manera muy resumida. Al final se dar�n algunos t�tulos que servir�n de consulta a quien est� interesado en ampliar ciertos conocimientos. Algunos de estos libros pertenecen a esta misma colecci�n, La Ciencia desde M�xico, donde los estudiantes encontrar�n textos sencillos y amenos, que har�n aumentar su inter�s por los temas que aqu� presentamos. Tambi�n haremos referencias a obras m�s complejas, las cuales llevar�n al interesado por un camino que finalmente lo guiar� hasta las fuentes primeras, los trabajos originales de los investigadores.