La principal función del material genético es almacenar las instrucciones necesarias para crear y mantener un organismo vivo. Todas las células en nuestro cuerpo, sean musculares, de la piel o del corazón, contienen el mismo material genético y los mismos genes. ¿Cómo pueden entonces estas células ser diferentes y funcionar de forma diferente? Dado que cada una de las células almacenan la información de todos los genes de un organismo, estas necesitan una forma de diferenciarse entre sí y expresar solamente los genes que necesitan cuando los necesitan. Si las células expresaran todos sus genes todo el tiempo, ¡sería un caos!. Desperdiciarían mucha energía produciendo proteínas que no necesitan y ni siquiera tendrían espacio para almacenarlo todo. Afortunadamente, las células se especializan por medio de la diferenciación celular.
- En este artículo vamos a estudiar la diferenciación celular.
- Para comenzar, vamos a definir la diferenciación o especialización celular. Incluyendo la función de los diferentes tipos de células madre.
- Luego, veremos el rol de la diferenciación celular en el desarrollo embrionario y en el crecimiento.
- En seguida, repasaremos el proceso de diferenciación celular y la importancia de la división asimétrica.
- Finalmente, revisaremos la diferenciación celular en animales y plantas y las células especializadas propias de cada uno de estos grupos de organismos.
¿Qué es la diferenciación o especialización celular?
La diferenciación o especialización celular es el proceso mediante el cual una célula se transforma en un tipo celular específico, adquiriendo estructuras y funciones particulares.
Este proceso se da en los organismos pluricelulares, cuyo cuerpo contiene una variada colección de células muy diferentes entre sí que trabajan en conjunto para mantener su funcionamiento. Aunque las células comparten muchas características, existen grupos de células que presentan diferencias, denominadas especializaciones, relacionadas con las funciones específicas que cumplen dentro de los organismos.
La diferenciación celular es un componente crítico del desarrollo embrionario, ya que los embriones en sus etapas iniciales son, básicamente, una masa de células no diferenciadas a las cuales se les denomina células madre. A medida que se reproducen, estas células se convierten en otros tipos de células diferenciadas que son la base de la complejidad estructural de los organismos pluricelulares.
Los humanos, por ejemplo, ¡tenemos más de 200 tipos de células diferenciadas!
Las células madre, también llamadas células troncales, son células indiferenciadas que no han establecido un linaje celular específico.
Un linaje celular es un conjunto de células que provienen de una misma célula madre y se especializan para formar grupos de estructuras que comparten funciones.
Diferenciación celular durante el desarrollo embrionario
Durante el desarrollo embrionario, las células se diferencian progresivamente en distintos tipos celulares que finalmente darán lugar a los distintos órganos y tejidos del cuerpo. A continuación, se presenta una tabla que resume las principales etapas de la diferenciación celular durante el desarrollo embrionario (ver fig. 1), así como el tipo de células madre involucradas en cada una de ellas.
Más adelante describimos cada tipo de célula madre.
Etapa | Periodo de tiempo | Descripción | Tipos de células madre |
Fertilización | Aproximadamente 12-24 horas después del apareamiento | El espermatozoide y el óvulo se unen para formar un cigoto | No aplicable, ya que el cigoto es una célula única |
Segmentación (División celular) | Aproximadamente 3-5 días después de la fecundación | El cigoto se divide varias veces para formar una mórula | Células totipotentes |
Blastulación | Aproximadamente entre el día 5 y 14 después de la fecundación | La mórula se transforma en un blastocisto con dos capas germinales: el trofoblasto y la masa celular interna | Células pluripotentes en la masa celular interna y totipotentes en el trofoblasto |
Gastrulación | Entre el día 14 y 21 | La masa celular interna se transforma en una estructura con tres capas germinales: el endodermo, el mesodermo y el ectodermo | Células multipotentes |
Organogénesis | Aproximadamente entre el día 21 y 60 después de la fecundación | Las células de las tres capas germinales se especializan para formar los distintos tejidos y órganos del cuerpo | Células oligopotentes y unipotentes. |
Tabla 1. Las diferentes etapas del desarrollo embrionario con sus características y las células madre involucradas en cada una de ellas. Los periodos de tiempo hacen referencia al desarrollo embrionario humano.
Fig. 1: La fecundación da lugar al cigoto, que se divide en la mórula y luego en el blastocisto. El blastocisto se implanta en el útero y se convierte en la gástrula, con tres capas germinales: el ectodermo, el mesodermo y el endodermo. La gástrula es el punto de partida para la organogénesis y la formación de los órganos y sistemas del cuerpo humano.
El blastocisto es la blástula de los mamíferos. Puedes profundizar en todo el proceso mediante el cual dos gametos dan origen a un ser vivo completo en Desarrollo embrionario.
Pero ¿qué son exactamente los tipos de células madre? Pues en función de su potencial de diferenciación, podemos clasificar a las células madre en:
Células totipotentes: Tienen la capacidad de diferenciarse y generar las células que componen las estructuras embrionarias y todo tipo de tejido y órgano, por lo que pueden formar un organismo completo. Son las precursoras de las células pluripotentes.
Células pluripotentes: Pueden especializarse en células de casi cualquier tipo, excepto en tejido extraembrionario (placenta). De este modo, las células pluripotentes son menos versátiles que las células totipotentes, pero a su vez, más versátiles que las células multipotentes.
Células multipotentes: Sólo pueden generar células de su propio linaje celular o capa embrionaria específica (ectodermo, endodermo, mesodermo) de origen. Por ejemplo, una célula multipotente del sistema nervioso puede diferenciarse únicamente en células nerviosas como las neuronas o las células gliales (astrocitos y oligodendrocitos).
Existen otros tipos de células denominados oligopotentes y unipotentes que, como sus sufijos lo indican, tienen la capacidad de diferenciarse, respectivamente, en unos pocos y en un único tipo de células. Estas se detallan más adelante.
Fig. 2: Tipos de células madre. Las células más versátiles y con mayor capacidad de diferenciación son las células totipotentes, mientras que las células más limitadas, que se diferencian en un único tipo de células, son las células unipotentes.
Crecimiento y diferenciación celular
Una vez que nacemos, ya no disponemos de células madre embrionarias y fetales que puedan diferenciarse en múltiples tipos de células y tejidos, puesto que todos los tejidos y órganos ya se han formado. Sin embargo,
algunas células madre también están presentes en los seres vivos que han finalizado su crecimiento, o sea, en los adultos. Se encuentran principalmente en la médula ósea (en el caso de los organismos que la poseen), pero también en otros tejidos, como el cardíaco, aunque en cantidades mucho menores.
En los organismos adultos, las células madres tienen funciones vitales como producir glóbulos blancos, glóbulos rojos y plaquetas para reparar los tejidos dañados.
- Células madre mesenquimales multipotentes que se encuentran principalmente en nuestra médula ósea, encías y sangre periférica. Estas células madre pueden diferenciarse en distintos tipos de células, como linfocitos, células óseas, células del sistema nervioso y células musculares.
Se han realizado muchos estudios de investigación sobre el uso de células madre mesenquimales para tratar enfermedades neurodegenerativas como la enfermedad de Parkinson.
La enfermedad de Parkinson es una enfermedad neurodegenerativa que se caracteriza por la pérdida de neuronas dopaminérgicas en la sustancia negra (una estructura elemental de los ganglios basales relacionada con la locomoción), lo que provoca movimientos rígidos y descoordinados.
- Otro tipo de células madre que se encuentran en el cuerpo adulto son las células madre oligopotentes. Estas células pueden autorrenovarse y diferenciarse en dos o más tipos de células que pertenecen a un tipo de tejido específico.
Este es el caso de las células madre hematopoyéticas y las células madre neuronales, que solo pueden diferenciarse en células del hígado y del sistema nervioso, respectivamente.
- Por último, pero no menos importante, tenemos las células madre unipotentes. Estas células son capaces de autorrenovarse, pero solo pueden diferenciarse en un único tipo específico de línea celular como una neurona o un glóbulo rojo.
Proceso de diferenciación celular
El proceso de diferenciación celular por el que las células madre se especializan ocurre a través de la división celular asimétrica. Durante la división celular asimétrica, la célula madre se divide en dos tipos diferentes de células. La división celular se llama asimétrica porque no produce dos células hijas idénticas. Una característica que hace únicas a las células madre es que son capaces de realizar tanto la división celular simétrica como la asimétrica.
Por ejemplo, una determinada célula madre neuronal puede dividirse para producir otra célula madre neuronal hija y una célula glial hija.
¿Pero cómo sabe cada célula en qué tipo específico debe diferenciarse? Hasta hace poco, no se conocían bien los mecanismos subyacentes a este proceso, sin embargo, ahora se ha demostrado que se debe principalmente a variaciones altamente reguladas en el nivel de expresión de los genes. Gracias a este control, se pueden alterar las proteínas que se expresan en cada célula, lo que puede alterar directamente sus características o cambiar sus respuestas frente a factores externos.
Las células animales y vegetales se especializan en función de señales químicas. Estas señales pueden ser:
- Internas, lo que significa que la señal procede de la propia célula diferenciadora.
- Externas, lo que significa que la señal procede de otra célula, que puede ser vecina o estar distante, o bien de estímulos ambientales.
Cuando una célula recibe una señal, genes específicos de esa célula diferenciada se expresan y la conducen a convertirse en una célula de un linaje específico. Entonces, si una célula madre recibe una señal que le indica que se diferencie en una célula del sistema nervioso, esta célula madre sólo expresará los genes necesarios para formar una célula del sistema nervioso.
Veamos la formación de glóbulos rojos como ejemplo de cómo la diferenciación se desencadena por la exposición a estímulos extrínsecos.
Una hormona conocida como eritropoyetina es la responsable de controlar la producción de glóbulos rojos, más apropiadamente denominados eritrocitos. La producen principalmente las células de los riñones en respuesta a la hipoxia, o niveles bajos de oxígeno que llega a los tejidos, que puede indicar un número insuficiente de glóbulos rojos.
La eritropoyetina se une a los receptores de las células madre de la médula ósea roja. Esta unión activa una cascada de señales que da lugar a varios ciclos de división que acaban produciendo un glóbulo rojo inmaduro.
La diferenciación celular en animales
La diferenciación celular provoca cambios drásticos en el tamaño, la forma, el potencial de membrana, la actividad metabólica y las respuestas a las señales. Las características de una célula especializada o diferenciada incluyen:
- Forma determinada, que le ayuda a cumplir su función.
- Función específica, que cumple como parte de un tejido y/o de un órgano.
- Actividad celular específica. Metabolismo diferenciado para poder sintetizar o descomponer distintas moléculas necesarias para su función.
Veamos 3 ejemplos puntuales de cómo varían la forma, la función y la actividad celular entre tipos de células animales especializadas:
| Célula especializada | Forma | Función | Actividad celular / metabólica |
| Células parietales | Son cúbicas y están situadas en las glándulas y la mucosa gástricas (estómago). | Producen ácido clorhídrico para ayudar en la digestión de los alimentos. | Utilizan grandes cantidades de energía para transportar iones de hidrógeno y cloruro a través de la membrana celular. |
| Células fotorreceptoras | Son redondeadas o alargadas y están cubiertas de proteínas fotosensibles llamadas opsinas. | Se encuentran en la retina del ojo y convierten la luz en señales eléctricas que el cerebro puede interpretar como imágenes. | Requieren grandes cantidades de energía para mantener su sensibilidad a la luz y para sintetizar y reciclar las proteínas fotosensibles en su membrana celular. |
| Células de Sertoli | Son estrelladas y se intercalan entre las células germinales en los testículos. | Apoyan y nutren a las células germinales que se convierten en espermatozoides. | Producen y secretan hormonas sexuales, sintetizan y transportan nutrientes a las células germinales. |
Tabla 2. Algunos ejemplos de células especializadas en animales, con detalles sobre su forma, función y actividad celular.
En el cuerpo humano, y en el de los vertebrados en general, hay 6 tipos principales de células especializadas: 5 tipos de células somáticas, o corporales, y las células sexuales, también conocidas como reproductoras o germinales.
Células somáticas
Los 5 tipos de células somáticas son: células epiteliales, células nerviosas, células musculares, células inmunitarias y células del tejido conectivo.
Capa germinal o embrionaria | Tipo de célula somática especializada | Función principal | Principales subtipos |
Ectodermo (piel) y endodermo (epitelio interior de órganos huecos) *Aunque las células epiteliales en el exterior de los pulmones provienen del mesodermo | Epiteliales | Recubren y protegen el exterior del cuerpo (incluyendo uñas y cabello) y el interior de los órganos huecos. | Escamosas, cúbicas y columnares; pueden agruparse de forma simple, estratificada, e incluso pluriestratificada. |
Ectodermo | Nerviosas | Enviar señales a otras células para mantener la comunicación interna del cuerpo. | Neuronas y células gliales |
Mesodermo | Musculares | Movimientos voluntarios (corporales) e involuntarios (algunos órganos internos como el corazón) | Esqueléticas, cardíacas y lisas |
Inmunitarias | Defienden al organismo contra los agentes patógenos y los daños estructurales de la piel. | Linfocitos (B, T células NK) y granulocitos (neutrófilos, eosinófilos, basófilos, monocitos) |
Células del tejido conectivo | Proporcionar soporte estructural al cuerpo al producir y mantener la matriz extracelular. También ayudan a la protección contra los patógenos. | Células óseas, células sanguíneas y los fibroblastos. |
Tabla 3. Las diferentes capas germinales o embrionarias y los tipos de células especializadas que se desarrollan a partir de cada una, junto con sus principales funciones y subtipos.
Células germinales
Por último, pero no menos importante, tenemos las células germinales, reproductoras o sexuales. Estas células tienen la función de la reproducción sexual. Las células germinales de las hembras se llaman óvulos, mientras que las de los machos se llaman espermatozoides. Cuando un espermatozoide fecunda (se une a) un óvulo, se forma un cigoto. Este cigoto sufre una serie de divisiones celulares para generar células madre. A medida que las células madre se dividen, comienzan a diferenciarse en linajes celulares específicos, creando así células diferenciadas.
La diferenciación celular en plantas
Como todos los seres vivos multicelulares, las plantas necesitan células especializadas para llevar a cabo funciones específicas dentro de su organismo. Algunas de las células especializadas más importantes se encuentran en los pelos o vellos de la raíz, el xilema y el floema.
| Células especializadas | Ubicación en la planta | Función | Características principales |
| Células pilosas de la raíz | Raíces | Absorción de agua y nutrientes del suelo | Gran superficie, alta concentración de mitocondrias, transporte activo de sustancias y mantenimiento del gradiente hídrico |
| Xilema | Toda la planta | Transporte de agua desde las raíces hasta las hojas | Células alargadas muertas, sin orgánulos ni citoplasma, con paredes celulares reforzadas con lignina, que forman tubos continuos con fosas para permitir el flujo de agua |
| Floema | Toda la planta | Transporte de los productos de la fotosíntesis | Células vivas que forman tubos. Las principales son los elementos de tubo criboso, células cilíndricas con orgánulos limitados y sin núcleo, por lo que dependen de células compañeras para la generación de productos. Estas están conectadas a través de placas cribosas para el flujo de materiales de célula a célula |
Tabla 4: Algunos ejemplos de células especializadas en plantas, su ubicación, función y características principales.
Fig. 3: El xilema y el floema son dos tipos de tejidos vasculares, constituidos por céluas especializadas, que se encuentran en las plantas y que desempeñan un papel fundamental en el transporte de agua, nutrientes y otras sustancias vitales por todo el organismo vegetal.
Diferenciación celular - Puntos clave
- La diferenciación celular es la base de la complejidad estructural de los organismos pluricelulares al producir células diferenciadas o especializadas, es decir que tienen una estructura y función específica.
- La especialización celular es un componente crítico del desarrollo embrionario, ya que los embriones en sus etapas iniciales son, básicamente, una masa de células no diferenciadas a las cuales se les denomina células madre.
- Las células madre son células indiferenciadas que no han establecido un linaje celular específico. Con base en su potencial de diferenciación, estas células pueden ser: multipotentes, oligopotentes, pluripotentes, totipotentes o unipotentes.
- Una vez que nacen, los organismos poseen muy pocas células madre embrionarias y fetales que puedan diferenciarse en múltiples tipos de células y tejidos, puesto que todos los tejidos y órganos ya se han formado.
- En vertebrados que tienen médula ósea, esta posee células mesenquimales multipotentes que pueden diferenciarse principalmente en células inmunitarias.
- La forma en que las células madre logran diferenciarse o especializarse es a través de la división celular asimétrica donde la célula madre se divide en dos tipos diferentes de células.
- La diferenciación celular se debe principalmente a variaciones altamente reguladas en el nivel de expresión de los genes.
- En el cuerpo humano, y en el de los vertebrados en general, hay 6 tipos principales de células especializadas: 5 tipos de células somáticas (células epiteliales, células nerviosas, células musculares, células inmunitarias y células del tejido conectivo) y las células sexuales, también conocidas como reproductoras o germinales.
- Las plantas también necesitan células especializadas para llevar a cabo funciones específicas dentro de su organismo. Algunas de las células especializadas más importantes se encuentran el pelo de la raíz, el xilema y el floema.
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