Paseo por dentro de una célula: animal, vegetal y bacteria

Dónde estás

Una célula es demasiado pequeña para imaginarla. El dibujo habitual del libro de texto pone el núcleo, unas cuantas mitocondrias y algunas líneas onduladas de retículo dentro de un círculo, todo más o menos del mismo tamaño y flotando en un espacio vacío. Esta exposición toma una célula animal, la agranda un millón de veces y te deja recorrerla por dentro a la altura normal de los ojos. Todo está dibujado con los tamaños medidos en células reales, así que una mitocondria es una cápsula en la que podrías sentarte y un ribosoma es una cuenta oscura del tamaño de una canica grande.

La célula tiene la forma de una célula extendida sobre una placa de vidrio: una cúpula baja de 30 µm de largo, 24 µm de ancho y 8 µm de alto en el centro. Empiezas en su suelo, que es la parte de la membrana plasmática pegada al vidrio. El núcleo ocupa el centro, con el retículo rugoso envolviendo su lado izquierdo y la pila de Golgi a su derecha. Las mitocondrias y los lisosomas están repartidos alrededor, los microtúbulos salen en abanico desde un punto junto al núcleo y unas vesículas pequeñas viajan por ellos hacia el borde de la célula.

Por qué el modelo es un millón de veces mayor

Lo más obvio sería agrandar la célula lo justo para que tu cuerpo cupiera dentro. Un aumento de 100 000 no basta. A esa escala, una célula de 20 µm se convierte en una burbuja de 2 m y el núcleo sería más pequeño que tu cabeza. Una persona de 1,6 m de altura equivaldría a 16 µm, más alta que la célula entera.

Con un aumento de 1 000 000 las cifras se leen con facilidad. Un metro en el modelo es un micrómetro en la célula, y un milímetro es un nanómetro. Tus ojos, a 1,6 m del suelo, representan 1,6 µm. El recuadro de escala de la esquina superior izquierda lo muestra, y su barra se vuelve a dibujar para lo que tengas justo delante. Si miras una pared a 3 m, la barra indica cuánto mide 1 µm a esa distancia.

Tamaños en el modelo

Estas son las partes principales y los tamaños con que están construidas. Las cifras reales son intervalos, porque las células cambian de un tipo a otro.

El volumen de la célula resulta de unos 3000 µm³. Cell Biology by the Numbers usa 2000 µm³ como regla general para una célula humana, con la mayoría entre 500 y 4000 µm³, y en sus ejemplos resueltos emplea 3000 µm³ para una célula característica de mamífero. Las células HeLa extendidas sobre un portaobjetos llegan a unos 40 µm de ancho y solo miden unos pocos micrómetros de alto, por eso el modelo es una cúpula baja y no una bola.

Comprueba tú algunas cifras

Ponte junto a la mitocondria abierta que hay cerca del inicio. Mide 1 m de ancho, así que su parte de arriba queda un poco por debajo de tus ojos. En la célula real eso es 1 µm, más o menos la centésima parte del grosor de un pelo humano.

La membrana es lo más difícil de ver. Con un grosor de 4 a 10 nm, en el modelo tiene de 4 a 10 mm, el grosor de un lápiz, envolviendo una sala de 30 m de largo. Cell Biology by the Numbers la compara con el revestimiento de un avión frente a la anchura de su fuselaje. Por eso un trozo de la pared derecha está dibujado 20 veces más grueso que el resto. En ese trozo cada cabeza de lípido mide 16 mm en lugar de 0,8 mm, y se pueden contar las dos capas.

El ADN del núcleo es la cifra que no cabe de ninguna manera. Una célula humana lleva unos 2 m de ADN (dos copias de un genoma de unos 3 mil millones de pares de bases, a 0,3 nm por par de bases). En el modelo serían 2000 km de hilo metidos en una bola de 9 m de largo. Los hilos morados que ves por la ventana son una pequeña muestra dibujada para mostrar la textura.

La membrana en sección

Un fosfolípido tiene una cabeza que se mezcla con el agua y dos colas que no. En el agua, las colas se esconden de ella alineándose cola con cola, lo que da dos capas con cabezas en las dos caras exteriores. Cada capa tiene unos 2 nm de profundidad, así que el núcleo de la bicapa mide unos 4 nm de grosor. Las proteínas se asientan en esta película. El barril azul del trozo ampliado es un canal que atraviesa las dos capas, y la proteína con cuentas verdes por fuera lleva una cadena de azúcares.

La membrana es fluida. Los lípidos se deslizan de lado junto a sus vecinos todo el tiempo, pero muy rara vez saltan de una capa a la otra, así que las dos capas pueden mantener mezclas de lípidos distintas. El modelo los deja quietos.

El núcleo y sus poros

La envoltura nuclear son dos membranas, una interna y otra externa, con un hueco de unas decenas de nanómetros entre ellas. La ventana abierta en la parte delantera del núcleo muestra los dos bordes, separados unos 4 cm en el modelo. La membrana externa continúa en el retículo rugoso, y por eso las láminas del retículo del modelo empiezan justo al lado del núcleo.

Los poros nucleares atraviesan las dos membranas a la vez. Cada uno es un anillo de proteínas de unos 120 nm con un canal en el centro, y el núcleo de un vertebrado tiene unos 2000. Por los poros salen el ARN mensajero y las subunidades de los ribosomas, y entran las proteínas que se necesitan dentro del núcleo. El modelo muestra de 300 a 1100 poros según tu dispositivo.

Dentro, el nucléolo es una región densa sin membrana alrededor, dibujada con 2 µm en el modelo. Se forma alrededor de los genes del ARN ribosómico, y allí se ensamblan las dos mitades del ribosoma antes de exportarse.

Dónde se fabrican y empaquetan las proteínas

Un ribosoma lee el ARN mensajero y une aminoácidos en una cadena. Los ribosomas que flotan en el citosol fabrican proteínas que se quedan en el citosol. Cuando el comienzo de una proteína nueva lleva una señal del retículo, el ribosoma se ancla al retículo y va metiendo la cadena que crece a través de la membrana hasta el interior del saco, y eso es lo que da al retículo su aspecto rugoso. El retículo liso no tiene ribosomas. Es una red de túbulos de 30 a 100 nm de ancho que fabrica lípidos y almacena calcio.

Desde el retículo, las proteínas viajan en vesículas pequeñas hasta el aparato de Golgi. Una célula de mamífero tiene de 40 a 100 pilas de Golgi, casi siempre reunidas cerca del centrosoma, y cada pila tiene de cuatro a ocho cisternas. El modelo muestra una pila de seis. Las proteínas entran por la cara cis, la más cercana al retículo, se les recortan y añaden azúcares mientras avanzan y salen por la cara trans en vesículas que van a la membrana, a los lisosomas o a otros compartimentos.

La cinesina camina por un microtúbulo

Los microtúbulos son tubos huecos de unos 25 nm de ancho, formados por lo general por 13 filas de tubulina. Cada fila es una cadena de pares de tubulina alfa y beta que se repite cada 8 nm. La mayoría de los microtúbulos nacen en el centrosoma, junto al núcleo, y se extienden hacia el borde de la célula. Son rígidos y casi rectos a lo largo de las distancias que hay dentro de una célula.

La cinesina-1 tiene dos cabezas motoras unidas por un tallo largo enrollado y una cola que sujeta la carga. Camina mano sobre mano, como lo describe PDB-101. Una cabeza sigue unida al microtúbulo mientras la otra se suelta, la adelanta balanceándose y se une 16 nm más allá. Cada paso mueve la carga 8 nm y gasta un ATP. Cell Biology by the Numbers da unos 800 nm por segundo para la cinesina convencional en el tubo de ensayo, con unos 100 pasos antes de soltarse.

A un millón de veces el tamaño real, 800 nm por segundo se convierten en 0,8 m por segundo, el ritmo de un paseo tranquilo. Pero las cabezas dan unos 100 pasos por segundo, demasiado rápido para seguirlo en pantalla. Por eso el paso de la guía dedicado a la cinesina activa la cámara lenta a 1/20 de la velocidad real, para que veas cómo cada cabeza adelanta a la otra.

Mitocondrias y lisosomas

Las mitocondrias tienen dos membranas. La externa es lisa. La interna se pliega en crestas, que le dan una gran superficie para las proteínas que fabrican ATP. Cell Biology by the Numbers describe una mitocondria típica como una cápsula de aproximadamente 2 µm de largo y 1 µm de ancho, aunque en muchas células se unen en redes ramificadas de decenas de micrómetros. El modelo usa diez cápsulas separadas y abre una para que veas las crestas.

Los lisosomas son bolsas con más de 60 tipos de enzimas digestivas, y una célula suele tener cientos. El modelo muestra seis. Su interior se mantiene a pH 4,5 a 5, y las enzimas funcionan mejor con esa acidez. El citosol que los rodea está a un pH de alrededor de 7,2, donde las enzimas no funcionan bien, así que un lisosoma que pierde su contenido no digiere el resto de la célula.

Encogerse diez y cien veces

A un millón de veces el tamaño real, la célula se recorre con facilidad, pero todo lo que mide menos de unos 20 nm es una miga a tus pies. Un ribosoma tiene el tamaño de una canica y un canal de potasio mide 8 mm. Para ver moléculas hace falta un segundo escalón de aumento, y los botones de «Tamaño» de arriba a la derecha te dan dos más: ×10 y ×100.

Los botones no reconstruyen la célula. Te encogen a ti. A ×10 la escala es de 10 000 000 a 1, un metro delante de ti son 100 nm y tus ojos están a 160 nm del suelo. A ×100 la escala es de 100 000 000 a 1, un metro son 10 nm y mides 16 nm, más o menos la altura de un proteasoma. El recuadro de la esquina superior izquierda muestra siempre el aumento actual, lo que representa un metro y tu altura real, así que las cifras son honestas en cualquier escalón. La célula no cambia. Una mitocondria que tenía el tamaño de un sofá se convierte en un edificio de 100 m de largo, y pasar a su lado a ×100 llevaría minutos.

Moléculas a su tamaño real

Las moléculas están dibujadas como modelos de cuentas, con una cuenta por cada parte plegada de una proteína, al estilo de las ilustraciones de RCSB PDB-101. Están construidas a su tamaño real y colocadas donde trabajan, y permanecen ocultas hasta que te acercas lo suficiente para que se vean. Desde el otro lado de la célula no cuesta nada dibujarlas.

En la célula animal hay cuatro lugares donde encontrarlas:

• En la membrana del suelo, cerca de la parte delantera derecha. Canales de potasio, bombas de sodio-potasio, receptores y acuaporinas están en un trozo de membrana pavimentado con cabezas de lípidos separadas 0,8 nm. Una fosa recubierta de clatrina, una jaula de unos 100 nm, tira hacia dentro de un brote de membrana. Filamentos de actina de 7 nm cruzan el suelo, con un motor de miosina V caminando por uno de ellos, y cerca hay un filamento intermedio que parece una cuerda.
• En la multitud de al lado. Una caja de 100 nm de lado está llena de proteínas con la densidad del citosol real, unos 3 millones por micrómetro cúbico. A ×100 es un muro de moléculas en el que puedes meterte. En su borde hay un proteasoma, una chaperona Hsp90, un gránulo de glucógeno y una hilera de ribosomas que leen un mismo ARN mensajero.
• En el núcleo. Un tramo de ADN enrollado en nucleosomas, con la ARN polimerasa II fabricando una hebra de ARN, y un complejo del poro nuclear con todo detalle en la envoltura.
• En los orgánulos. Un ribosoma anclado al retículo rugoso por su canal Sec61, una fila de ATP sintasas en el borde cortado de la mitocondria abierta y un motor de dineína bajo la vía de la cinesina.

Las densidades son reales donde lo dice la guía (la caja de la multitud, el suelo de lípidos) y más escasas en el resto, porque una membrana real está tan llena de proteínas que costaría distinguir los canales.

Una célula vegetal a la misma escala

El botón «Célula» cambia a una célula de hoja construida a la misma escala. Mide 40 µm de largo, 24 µm de ancho y 20 µm de alto, dentro de una pared de celulosa. Cell Biology by the Numbers describe células vegetales de este tipo con la mayor parte del volumen ocupada por una vacuola, y es lo primero que se nota: un bloque translúcido llena el centro, y el resto de la célula queda apretado en una capa fina a su alrededor y en una sala en un extremo, donde está el núcleo.

Los cloroplastos están en el suelo, debajo de la vacuola, y contra una de las paredes. Miden 5 µm de largo, dentro del intervalo de 4 a 6 µm que se da para las plantas vasculares, y uno está abierto para mostrar sus grana, pilas de sacos tilacoides planos, y un grano de almidón. En la pared del fondo, un campo de punteaduras con plasmodesmos, canales de unos 50 nm, conecta esta célula con su vecina. A lo largo de la pared cercana, los orgánulos circulan por un circuito de cables de actina a 4 µm por segundo, dentro del intervalo de 1 a 100 µm por segundo medido para la corriente citoplasmática. A ×100, dentro del cloroplasto abierto, puedes encontrar la Rubisco, la enzima que fija el dióxido de carbono, y el fotosistema II, que rompe el agua y libera oxígeno.

Una bacteria a la misma escala

La tercera célula es E. coli. Cell Biology by the Numbers usa como regla general aproximadamente 1 µm de ancho, 2 µm de largo y 1 µm³ de volumen, así que a un millón de veces el tamaño real el organismo entero es una cápsula de 2 m tendida sobre la placa, del tamaño de una de las mitocondrias de la célula animal. No es una casualidad del modelo. Las mitocondrias descienden de bacterias que otra célula engulló en un pasado lejano, y todavía conservan un pequeño genoma propio. La cuadrícula de la placa está dibujada en cuadrados de 1 µm.

A ×1 eres demasiado grande para entrar, así que el recorrido empieza a ×10. Dentro, los ribosomas llenan casi todo el espacio alrededor del nucleoide, la maraña del cromosoma en el centro sin membrana alrededor. La envoltura que tienes encima tiene tres capas: la membrana interna, una red fina de peptidoglucano y la membrana externa. En la envoltura hay motores flagelares de unos 45 nm, cada uno haciendo girar un filamento en sacacorchos unas 100 veces por segundo, y una red de quimiorreceptores en un extremo indica a los motores cuándo invertir el giro. Como no hay núcleo de por medio, los ribosomas empiezan a leer el ARN mensajero mientras todavía se está fabricando, algo que el modelo muestra en dos lugares cerca del inicio.

La guía

El botón «Guía» abre una lista de 78 cosas que visitar: 49 en la célula animal, 14 en la célula vegetal y 15 en la bacteria. Puedes buscar por nombre, filtrar por célula y por tipo (orgánulos, moléculas y procesos) y ordenar por tamaño. Al elegir una, se cambia de célula y de tamaño si hace falta y te lleva a un punto delante de ella. Una ficha muestra entonces su tamaño real, cuántas tiene una célula, una descripción breve, sus fuentes y una barra que compara su tamaño con una proteína, un ribosoma, E. coli, una célula animal y tu propia altura con el tamaño actual.

Siete procesos, las fases de la mitosis, el ciclo celular, la placa celular de una célula vegetal en división y la fisión binaria de las bacterias, no se representan en las células 3D. Sus fichas muestran en su lugar un pequeño dibujo.

Qué hace un aumento de un millón con velocidades y distancias

Como 1 m del modelo es 1 µm de la célula, cualquier longitud se convierte subiendo la unidad seis escalones. Una célula de 20 µm de ancho mide 20 m, la longitud de un autobús y medio puestos en fila. Un ribosoma de 25 nm mide 25 mm, es decir 2,5 cm, el tamaño de una canica grande. Una proteína de 5 nm mide 5 mm, como un grano de arroz visto de punta, y una membrana de 5 nm de grosor tiene 5 mm, una capa que cabría entre dos dedos alrededor de un salón de 30 m.

Las velocidades cambian igual, porque el tiempo no se estira. La kinesina camina a unos 800 nm por segundo, que en el modelo son 0,8 m por segundo. Una proteína que se desplaza unos micrómetros en un segundo recorre unos metros. Usted camina a unos 1,4 m por segundo, que en la célula real son 1,4 µm por segundo, algo más rápido que una kinesina. Cruzar los 30 m de la célula le lleva unos 21 segundos. Con ×100 el mismo paso es de 14 nm por segundo, y por eso el control Caminar tiene un ajuste rápido.

Las unidades esconden una trampa. Las áreas cambian con el cuadrado y los volúmenes con el cubo. Una mitocondria de 1 µm³ es 1 m³ en el modelo, un cubo de un metro de lado. La célula entera, de unos 3000 µm³, son 3000 m³, un salón mayor que una piscina olímpica, que contiene unos 2500 m³. Los números de la tabla anterior son longitudes. Cuando esta guía da una cantidad por célula, se refiere a esos 3000 metros cúbicos.

Cuántas moléculas hay y cuánto tardan en cruzar

Según Cell Biology by the Numbers, hay unos 3 millones de proteínas en cada micrómetro cúbico de una célula, de modo que una célula humana de 2000 a 4000 µm³ contiene del orden de 10 000 millones (10¹⁰) de proteínas. Para los 3000 µm³ de este modelo resulta 3000 × 3 millones, unos 9000 millones. En el modelo, cada metro cúbico a su alrededor contiene 3 millones de ellas. La distancia media entre proteínas vecinas es la raíz cúbica de 1 µm³ dividido entre 3 millones, unos 0,007 µm o 7 nm, que en pantalla son 7 mm. Una proteína típica mide unos 5 nm, así que casi se tocan. Esta es la densidad que reproduce la caja de la multitud. Todo lo demás del modelo está mucho más vacío.

Las moléculas de una célula no viajan en línea recta. Las moléculas de agua las empujan de un lado a otro, un movimiento llamado difusión, y el tiempo medio para recorrer una distancia x crece con el cuadrado de esa distancia. Para una partícula que se mueve en una dimensión es t ≈ x² / 2D, donde D es la constante de difusión. En tres dimensiones el 2 pasa a ser un 6. El libro da para D unos 100 µm²/s en el caso de una proteína de tamaño medio en agua y unos 10 µm²/s dentro de una célula. Con esos números:

• Para cruzar una célula de E. coli, x = 1 µm: t ≈ 1 / 60, unos 0,02 s. El libro cita unos 0,01 s.
• Para cruzar una célula HeLa, x = 20 µm: t ≈ 400 / 60, unos 7 s. El libro cita unos 10 s.
• A lo largo de un axón de 1 cm, x = 10 000 µm: t ≈ 10⁸ / 60, unos 1,7 millones de s, casi tres semanas. El libro dice unas dos semanas, porque redondea D y el factor.

Un motor que avanza a 1 µm por segundo tardaría de 2 a 3 horas en recorrer 1 cm, y por eso las neuronas transportan la carga por los microtúbulos en lugar de esperar a que se difunda. Sin embargo, a la escala de una célula los dos métodos se parecen. A 20 µm un motor necesita 20 s y la difusión menos de 10 s, de modo que una célula pequeña deja que las moléculas se difundan y reserva los motores para la carga grande o la que debe llegar a un lugar concreto.

Malentendidos frecuentes

• «Los orgánulos flotan lejos unos de otros en agua vacía». En una célula real el citosol es un gel muy apretado y los orgánulos están muy próximos, con el retículo endoplasmático extendido casi por todas partes. El espacio abierto por el que camina en el modelo es una simplificación para que pueda moverse.
• «Las moléculas saben adónde ir». La mayoría encuentra a su pareja por azar, por difusión, y solo reacciona si se topa con ella en la orientación adecuada. Los motores como la kinesina son la excepción, porque siguen vías, pero la carga también tiene que encontrar la vía.
• «La kinesina camina como una persona». En la animación lo parece, pero las cabezas son tan pequeñas que el agua que las rodea las empuja sin cesar. El paso es un trinquete en el que cada ATP hace que una cabeza avance y se una, de modo que la agitación se convierte en pasos en una sola dirección.
• «El núcleo es el cerebro de la célula y lo controla todo directamente». El núcleo guarda y copia el genoma y produce ARN, pero las proteínas se fabrican en el citosol y en el retículo, y muchas decisiones de la célula nacen de señales que llegan a la membrana. Las mitocondrias incluso conservan un genoma pequeño propio.
• «Todas las células se parecen al dibujo del libro de texto». El modelo muestra un solo tipo de célula extendida sobre vidrio, con los tamaños de las que se estudian con más frecuencia. Un glóbulo rojo no tiene núcleo y una fibra muscular tiene muchos, y el volumen de las células abarca varios órdenes de magnitud.

En qué se diferencia el modelo de una célula real

• Aquí el citosol está casi vacío. Una célula real contiene unos 3 millones de proteínas en cada micrómetro cúbico. Las motas que flotan a tu alrededor son unos pocos miles como mucho, y derivan despacio en lugar de chocar a gran velocidad.
• Hay menos ribosomas. El modelo dibuja unos pocos miles. Una célula real tiene muchos más, tan apretados sobre el retículo rugoso que las láminas parecen tachonadas.
• La actina y los filamentos intermedios son escasos. Unos haces de actina cruzan el suelo y unos pocos filamentos intermedios envuelven el núcleo, pero la densa malla de actina bajo la membrana se ha omitido para que los caminos queden despejados.
• Las moléculas se ocultan de lejos. Los modelos moleculares solo aparecen cuando estás lo bastante cerca para verlos, y se quedan quietos en lugar de dar tumbos.
• La mayoría de los orgánulos no se mueven. En una célula viva, las mitocondrias se desplazan, se dividen y se fusionan, y el retículo cambia de forma de un minuto a otro.
• El núcleo tiene una ventana. Una envoltura real está cerrada salvo por sus poros.
• Los colores son inventados. A este tamaño los orgánulos no tienen color propio. Los microscopios electrónicos los muestran en gris, y las imágenes de fluorescencia usan tintes.

Cómo moverte

En un ordenador, usa WASD o las flechas para caminar y arrastra con el ratón para mirar alrededor. R te sube y F te deja bajar de nuevo. Mayús hace que te muevas más rápido. Si haces clic en el suelo, caminas hasta allí. En un teléfono, la mitad izquierda de la pantalla es un joystick y la mitad derecha gira la vista. Las dos flechas de la derecha te suben o te bajan.

El panel de la derecha del escenario tiene tres filas. «Célula» cambia entre la célula animal, la vegetal y la bacteria. «Tamaño» te encoge a ×10 o ×100 y te devuelve. «Paso» pone tu ritmo en lento, normal o rápido, lo que ayuda a ×100, donde el paso normal solo recorre 13 nm por segundo. El pequeño mapa de arriba a la izquierda muestra desde arriba dónde estás; haz clic en él para caminar hasta ese punto.

Las etiquetas con nombres aparecen cuando te acercas a algo, y a ×100 nombran moléculas sueltas. El control «Todas las etiquetas» muestra más a la vez. La lista de «Piezas» y la «Guía» te llevan directamente a lo que elijas.