La diferencia entre células procariotas y eucariotas.

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Entre nuestra autoconciencia e Internet, el poder de destrozar planetas enteros, los pulgares oponibles y todo ese jazz, a los humanos nos gusta pensar en nosotros mismos como las rodillas de las abejas de la vida. Todas las cosas muy impresionantes, estoy seguro de que todos están de acuerdo, sin embargo, hemos sido bastante favorecidos. Tal vez la muleta más grande en la que descansa nuestro éxito es la gran complejidad y eficiencia de nuestras células, todas trabajando juntas para mantenernos vivos y lo suficientemente inteligentes como para saber que las células son una cosa. Entonces, ¿qué los hace tan especiales? ¿Hay otros tipos de células moviéndose? ¿Posiblemente enfermándonos?

La respuesta corta es el poder de la amistad y sí. Dado que eso probablemente sea muy confuso, echemos un vistazo más profundo a los diferentes tipos de células que existen.

La característica única más completa por la que clasificamos las células es la forma en que ordenan sus estructuras internas, de las cuales hay dos modelos generales: procariotas y eucariotas. Ambas palabras provienen de la palabra raíz griega antigua karyon , que significa nuez o semilla. El prefijo pro , que significa antes, básicamente nos dice que los procariotas llegaron antes que los granos porque cobraron vida antes de que el núcleo evolucionara. Sus contrapartes eucariotas, por el contrario, son organismos de núcleo verdadero (el prefijo eu significa verdadero), ya que tienen núcleos.

procariotas

bacterias E.coli.
Créditos de la imagen Gerd Altmann.

De los dos grupos, los procariotas son los más antiguos y posiblemente cuentan con el diseño interno más simple. Su característica más distintiva es que las partes que los mantienen en marcha, todos y cada uno de los engranajes solubles en agua de sus mecanismos químicos, están todos mezclados en el citoplasma interno. No hay núcleo, su genóforo (ADN plegado) parece una bola de hilo que flota, junto con proteínas y subproductos metabólicos. Algunas cepas de procariotas también emplean un segundo nivel de almacenamiento de información, en forma de plásmidos: pequeños anillos de información genética adicional que la célula recogió durante su vida. Los procariotas carecen de diseños internos complejos, pero se sabe que exhiben estructuras que pueden verse como los primeros precursores de los orgánulos, y utilizan versiones más pequeñas de los ribosomas (las máquinas que fabrican proteínas).

Las paredes celulares de los procariotas también se destacan de sus contrapartes eucariotas. Viviendo en gran medida como entidades unicelulares, los procariotas necesitan invertir mucho más en defensas tanto de los depredadores como de los factores ambientales peligrosos. Sus paredes se basan en peptidoglicano o mureína, que son mucho más resistentes que sus contrapartes construidas con grasa. La estructura rígida del peptidoglucano es específica solo de procariotas. Estas membranas deben ser resistentes para mantener la forma general de las células solitarias y protegerlas contra el estrés mecánico o el daño causado por las presiones osmóticas y la lisis (muerte por ruptura de la membrana).

Los procariotas son casi exclusivamente organismos unicelulares y se dividen principalmente en los dominios Archaea y Bacteria .

eucariotas

Célula humana vista a través de un microscopio de fluorescencia durante un experimento utilizado para comprobar si la célula es capaz de fagocitar (comer) puntos cuánticos. Membrana (roja), núcleo (azul) y puntos cuánticos tragados (verde).
Créditos de la imagen Marc Vidal / Wikimedia.

Los eucariotas son sistemas más refinados. La diferencia más notoria con sus contrapartes sin núcleo es que la mayoría de las sustancias dentro de la célula están cuidadosamente empaquetadas en su propia caja. Los cromosomas (ADN) se almacenan de forma segura en un núcleo (que tiene su propia membrana), fragmentos como las mitocondrias trabajan alegremente (detrás de sus propias membranas), los productos metabólicos se almacenan en vacuolas (sí, membranas), incluso tienen un aparato de Golgi. , una pila de membranas productoras de membranas, básicamente una planta de envasado del tamaño de una celda. Los eucariotas pueden vivir como organismos unicelulares, pero lo hacen con mucha menos frecuencia que los procariotas. Sin embargo, forman la abrumadora mayoría de los verdaderos organismos multicelulares.

Otra diferencia llamativa entre los dos es que los eucariotas son masivos en comparación con los procariotas. Valonia ventricosa , una especie de alga conocida como el globo ocular de los marineros que es relativamente común en aguas tropicales y subtropicales, puede crecer hasta 5,1 centímetros (2,0 pulgadas) de diámetro, pero es una sola célula multinucleada. Definitivamente es una especie sobresaliente, pero de ninguna manera es solo Gromia Sphaerica , el género Acetabularia y Caulerpa Taxifolia son algunas otras células que crecen a tamaños inmensos. Las neuronas de tu cerebro pueden crecer hasta un metro de longitud si mides el axón y también son células eucariotas.

Esos son casos extremos, pero incluso los eucariotas típicos generalmente crecen hasta alrededor de 10-100 m (micrómetros) de diámetro, mientras que los procariotas alcanzan alrededor de 1-2 por 1-4 m. Debido a que son mucho más grandes, mantienen todo compartimentado (lo que ayuda a mejorar enormemente la velocidad de las reacciones químicas) y emplean orgánulos especializados, los eucariotas pueden especializarse y realizar funciones mucho más complejas que los procariotas.

Ejemplo de procariota (Clostridium) en comparación de tamaño con células eucariotas (células epiteliales humanas). La barra es de 20 micrómetros.
Imagen vía Biophilia.

La gran diferencia de complejidad entre las células procariotas y eucariotas dio lugar a la teoría de que estas últimas se formaron, en algún momento del pasado distante, por grupos de procariotas que se fusionaron para beneficio mutuo. Por ejemplo, las mitocondrias o los cloroplastos probablemente alguna vez se trasladaron a otro tipo de bacterias, reuniendo sus recursos y habilidades para crear una célula eucariota estructurada. La evidencia más sólida a favor de esta teoría es que las mitocondrias aún conservan su propio ADN inviolable.

Tales fusiones podrían tener lugar una y otra vez, a medida que más procariotas se unieran a eucariotas ya existentes para formar comunidades organizadas con una complejidad cada vez mayor (y como tal, una gama de funciones cada vez mayor, de la que carecen los procariotas individuales).

Aquí hay una descripción general de las diferencias más importantes entre los dos tipos de células:

¡Muéstrame!

Rasgo	procariota	eucariota
Tamaño general	1-2m por 1-4m, o menos.	10-100m de diámetro.
Organización	En su mayoría unicelulares. Algunas cianobacterias pueden ser multicelulares.	En su mayoría pluricelulares.
Núcleo	Carecen de un verdadero núcleo. En cambio, tienen un nucleoide.	Núcleo verdadero, membrana nuclear.
Material genético	Generalmente tienen un solo plásmido circular. Sin histonas.	Múltiples cromosomas lineales con histonas.
plegamiento del ADN	Alrededor de múltiples proteínas. El ADN plegado se superenrolla más tarde.	Alrededor de las histonas.
La expresion genica	En grupos llamados operones.	Individualmente.
División	Brotación (fisión binaria).	mitosis
Recombinación genética (reproducción sexual)	Limitado a la transferencia unidireccional de ADN. Sin meiosis.	Meiosis y fusión de gametos.
permeabilidad de la pared nuclear	Sin muro nuclear.	Permeabilidad selectiva.
esqueleto celular	Ausente, algunas excepciones.	Presente.
Pared celular	Químicamente complejo, generalmente incluye peptidoglicano (para bacterias).	Químicamente simple, generalmente incluye celulosa o quitina.
Respiración	A menudo estrictamente anaeróbico.	Todos aeróbicos, algunos también facultativamente anaeróbicos.
Síntesis de proteínas	La transcripción y la traducción ocurren simultáneamente.	Transcripción en el núcleo, traducción en el citoplasma.
Vías metabólicas	Amplio rango de variación.	Glucólisis, cadenas de transporte de electrones, ácido cítrico/ciclo de Krebs.
cloroplastos	Ausente. Clorofila dispersa por todo el citoplasma.	Presente (en plantas).
¿Se puede fijar el nitrógeno?	Algunos, si.	No.
Duración del ciclo celular.	20-60 minutos.	12-24 horas.

El simple pero resistente

Detalle de una colonia de bacterias Paenibacillus vortex.
Imagen vía Wikimedia.

A primera vista, es fácil suponer que simple y primitivo equivale a limitado, lo que pondría a los procariotas a un paso de ser inferiores. Pero la naturaleza rara vez resiste reducciones tan simples. Esta aparente simplicidad hizo maravillas para toda la vida en la Tierra a la larga, todos los organismos de hoy deben su existencia a los primeros y humildes procariotas. La prueba de la eficiencia de su diseño es un simple hecho: los procariotas, hasta el día de hoy, siguen siendo la forma de vida más abundante y obstinadamente ubicua en el planeta Tierra.

Es en parte su aparente primitivismo lo que condujo a este éxito. Una mayor simplicidad significa que los procariotas pueden multiplicarse mucho más rápido y de forma económica que los eucariotas. Con una reproducción más rápida viene una tasa de mutación mucho más rápida, lo que permite una adaptación más rápida a nuevos entornos y un desarrollo más rápido de diversas vías metabólicas. Esta capacidad de adaptación, en particular, está potenciada por el uso de plásmidos por parte de los procariotas, lo que les permite compartir datos genéticos entre poblaciones con la misma facilidad con la que intercambiarías memorias USB con un compañero de clase.

Las estructuras más simples y los volúmenes más pequeños también significan que a los procariotas les resulta más fácil llegar a fin de mes, y pueden soportar mucho más abuso que los elegantes eucariotas antes de descomponerse. En conjunto, estas dos cualidades permiten que los procariotas prosperen, aparentemente felices, en condiciones que matarían a otros organismos más rápido de lo que podrían decir formas de vida superiores, como piscinas de ácido fuerte o respiraderos térmicos en el fondo de los océanos. De hecho, se encontraron más de 100 especies de bacterias viviendo en el ambiente tóxico y empapado de radiación de la Reserva Nuclear de Hanford, un lugar tan extremo que se consideraba mortal para todas y cada una de las formas de vida. Estas cosas son tan difíciles que la NASA está legítimamente preocupada de que los rovers contaminen el puto Marte con bacterias terrestres .

Micrografía electrónica de barrido de Strep. Una bacteria (dolor de garganta).
Créditos de imagen Vincent A. Fischetti / Universidad Rockefeller.

La ausencia de orgánulos tampoco parece afectar demasiado a los procariotas. Al carecer de cloroplastos, mitocondrias o vacuolas, simplemente realizan todas las tareas que necesitan directamente en su citoplasma, posiblemente con el equivalente unicelular de un hashtag yolo. Claro, sus procesos normalmente no se desarrollan tan eficientemente como los de un eucariota, pero lo que ganan es versatilidad. Versatilidad que parece haberse ganado la envidia (si no los corazones y las mentes) de los organismos multicelulares de todo el mundo: un pequeño número de bacterias procariotas son los únicos organismos conocidos capaces de descomponer la molécula de gas nitrógeno triátomo y sintetizar los compuestos de nitrógeno que son vitales para todos los organismos multicelulares. No es raro que a estas bacterias se les ofrezca cama y comida en las raíces de las plantas solo por los compuestos de nitrógeno que producen.

Y estos diminutos procariotas han tenido más impacto en tu vida que toda la tecnología humana. Sin ellos, no habría agricultura. No habría plantas, al menos no como las conocemos. Incluso si los humanos evolucionaran de alguna manera en su ausencia, nos moriríamos de hambre; más aún porque los animales de todo tipo (incluidos nosotros) dependen de poblaciones de bacterias simbióticas (no pocas bacterias más en número que sus propias células) para digerir todo lo que nuestro cuerpo no puede, quiere o simplemente no sabe cómo. Aunque probablemente nos atragantemos y muramos primero, ya que las células individuales impulsaron la atmósfera rica en oxígeno de hoy.

En otras palabras, no contentos con colonizar literalmente todos los lugares a los que podían llegar físicamente, incluso los volcanes submarinos o el espacio exterior, los procariotas también han colonizado prácticamente todos los organismos superiores y los mantienen vivos activamente.

Pero ya sabes, somos totalmente las mejores especies. Totalmente

El brillante pero frágil

Micrografía electrónica de barrido criogénico de una sola célula madre humana. Tiene aproximadamente 0.015 mm de diámetro.
Créditos de imagen Slvia A Ferreira, Cristina Lopo, Eileen Gentleman / Kings College London.

Si bien los logros de los procariotas difícilmente pueden sobreestimarse, desde la formación de los primeros indicios de vida hasta las cianobacterias que producen la atmósfera moderna que nos mantiene vivos, los eucariotas también tienen mucho de qué jactarse. Después de todo, fueron los eucariotas trabajando juntos los que dividieron el átomo y llegaron a la luna, algo que sus hermanos más simples nunca lograron por sí mismos, pero que parecen no tener problemas para aprovecharse de .

Lo que más los distingue es la complejidad, tanto en la forma como en la función. Los eucariotas son sin duda mecanismos más complejos. Los tejemanejes de sus procesos internos se distribuyen ordenadamente en salas separadas, lo que hace que las reacciones sean mucho más rápidas y eficientes, ya que los diferentes compuestos no interfieren entre sí (al nivel de una celda, los productos químicos no son imperceptiblemente diminutos, son vigas y grúas, motores y placas gruesas). Por ejemplo, las células animales contienen mitocondrias, mientras que las plantas contienen cloroplastos, los cuales pueden producir energía en un nivel con el que los procariotas solo pueden soñar.

En ninguna parte esta organización es más relevante que en el caso del ADN detrás de las paredes de su núcleo, el material genético de los eucariotas se mantiene lo más seguro posible. La lectura y la copia del ADN son mucho más rápidas aquí que en un desorden flotante de citoplasma de procariotas. La información se puede proteger mejor contra alteraciones químicas o físicas accidentales (mutaciones) debido a la seguridad que proporciona el núcleo y debido a un mejor plegamiento y almacenamiento de datos en forma de cromosomas. Toda esta complejidad también significa que los eucariotas llevan mucha más información genética. Su procariota promedio solo tiene alrededor del 0.001% del material genético en un eucariota.

Glóbulos blancos (eucariotas) persiguiendo bacterias (procariotas) con una agilidad increíble a pesar de sus tamaños relativos.

Los eucariotas también son simplemente mejores para moverse, por contradictorio que sea. Todo, de nuevo, se reduce a las estructuras internas. Los procariotas generalmente usan flagelos proteicos (colas onduladas) para moverse, pero tienen poco control sobre hacia dónde se dirigen realmente, pueden avanzar o dar vueltas en reversa. A pesar de vivir su vida cómodamente entre sus pares y generalmente no deambular, los eucariotas poseen filamentos internos que sirven para mantener su forma. Estos filamentos pueden contraerse para cambiar la forma de las células, permitiéndoles realizar movimientos muy complejos con un alto grado de control, tanto dentro como fuera de la célula.

Luego hay un nivel final de complejidad. Los eucariotas trabajan juntos para formar organismos, mientras que los procariotas rara vez lo hacen. Si no estás realmente seguro de por qué uno es mejor que el otro, bueno, incluso no estar seguro solo es posible porque eres un grupo de células que trabajan juntas, y algunas de ellas están confundidas.

Trabajar juntos también generó una especialización cada vez mayor en eucariotas. Las esponjas, algunas de las primeras formas de vida multicelular que existen, eran básicamente un puñado de eucariotas todos agrupados por seguridad en colonias donde todos hacían las mismas cosas. Todos digirieron la comida, todos hicieron caca en el mismo lugar donde comieron. La vida es elegante así. Con el tiempo, sin embargo, la evolución ha creado sistemas increíbles a partir de estas células, desde cerebros que pueden comprender la física cuántica hasta animales que pesan 65 toneladas.

Todo eso es posible gracias a la especialización: algunas células obtienen nutrientes de los alimentos, otras les dicen a todos qué hacer, otras mantienen a todos alejados de las cosas que quieren comer mucho. Podría decirse que esto también ha creado el mayor talón de Aquiles de los eucariotas. En cierto sentido, las células de los organismos multicelulares están domesticadas y han crecido para depender unas de otras hasta tal punto que ya no pueden sobrevivir solas. Son extremadamente eficientes, pero necesitan condiciones afinadas para trabajar. Son increíblemente capaces como un todo, y están irremediablemente fuera de lugar por sí mismos.

Un pequeño trozo de hígado humano injertado en un ratón con un hígado dañado.
Créditos de la imagen Chelsea Fortin, Kelly Stevens y Sangeeta Bhatia / Instituto Koch, MIT.

Es en gran parte debido a esta interdependencia que los procariotas son una de las mayores amenazas para la vida eucariota. Las bacterias no quieren enfermarte, solo quieren comer y hacer bebés. El problema es que cuando comen pedazos de ti y hacen bebés dentro de ti, esto arruina todas las condiciones suaves y cómodas que tus eucariotas necesitan para vivir. Y como hemos visto, los procariotas son los tanques corpulentos de la vida celular, mientras que los eucariotas son enormes y brillantes, pero algo débiles y blandos.

Pero trabajando juntos, los eucariotas han desarrollado antibióticos para ayudar a inclinar el campo de batalla a su favor (por un tiempo). Y trabajando juntas, estas células literalmente han alcanzado las estrellas. No está mal para algunas cosas débiles y blandas.

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¿Entonces, qué piensas? ¿Serán las células sofisticadas trabajando juntas ser el mayor logro de la evolución, o los mansos (procariotas) finalmente heredarán la Tierra cuando sigamos el camino de los dinosaurios? Háganos saber en los comentarios a continuación.

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