unidad nº 2 la cÉlula eucariota

Capítulo 1 Introducción a la Biología

---Biol. A. Agüero (Membrana plasmática y transporte por membrana) Ing. V. Pavez (sistemas de endomembranas---

Ministerio de Educación de la Nación

Universidad Nacional de La Rioja

UNIDAD Nº 2 LA CÉLULA EUCARIOTA OBJETIVOS: Comprender las principales características morfofuncionales de la membrana plasmática, identificando sus componentes y funciones. Comprender y diferenciar los procesos de transporte por membrana, identificando los mecanismos y moléculas involucradas. Conocer la morfología, distribución y función de los diferentes organelos que conforman el sistema de endomembranas. Integrar las actividades del sistema de endomembranas para lograr el desempeño de actividades celulares más complejas. Comprender la estructura de las mitocondrias y relacionarla con su función como organela generadora de energía. INTRODUCCIÓN

La aparición de la membrana plasmática fue un paso crucial de las primeras formas de vida, sin ella la vida celular es imposible. La membrana plasmática que rodea a todas las células define la extensión de la célula. Además, es un filtro altamente selectivo que mantiene la desigual concentración de iones a ambos lados de ella, y permite que los nutrientes penetren y los productos residuales salgan de la célula. En la membrana también existen sensores que permiten que las células respondan a las alteraciones de su entorno. Por otro lado, la membrana también posee propiedades mecánicas apreciables cuando la célula crece o cambia de forma. Dentro de la célula, el citoplasma se observa como una estructura relativamente vacía. Sin embargo, incluso antes de inicios del Siglo XX, cortes de tejido animal, tratados con distintas técnicas de tinción, mostraron la existencia de una extensa red de membranas dentro del citoplasma. No obstante, no fue hasta la década de 1940, junto con el desarrollo de la microscopía electrónica, que los investigadores empezaron a identificar las diversas estructuras limitadas por membranas presentes en el citoplasma de la mayoría de las células eucariotas. La mayor parte de estas estructuras celulares participan en la importación de materiales sin procesar y la exportación de sustancias sintetizadas y productos de desecho. Algunos de estos organelos rodeados por membranas están muy agrandados en las células especializadas en la secreción de proteínas; otros son particularmente abundantes en células especializadas en la digestión de cuerpos extraños. Por último otras organelas de doble membrana se han especializado en la producción de energía metabólicamente útil para la célula, siendo particularmente abundantes en aquellas células o tejidos altamente demandantes de energía. 2.1 Membrana Celular: Una estructura dinámica y fluida

La membrana celular es una estructura dinámica y fluida formada por fosfolípidos y proteínas unidas por enlaces no covalentes (Figura 2.1a). La mayoría de las membranas consisten en un 40% de lípidos y en un 60% de proteínas, aunque existe considerable variación. Los tres tipos principales de lípidos que forman las membranas celulares son los fosfolípidos (lo más abundantes), el colesterol y los glucolípidos. Los tres son anfipáticos – es





decir, tienen un extremo hidrofóbico (hidro= agua; fóbico= fobia= rechazo) y una hidrofílico (hidro= agua; fílico= filo= amor). Por ejemplo una molécula de típica de fosfolípido, como la ilustrada en la figura 2.2, tiene una cabeza hidrofílica y dos colas hidrocarbonadas hidrofóbicas. La membrana generalmente está rodeada por un medio acuoso y, en consecuencia, las moléculas de fosfolípidos se disponen en una bicapa, con sus colas hidrófobas apuntando hacia el interior y sus cabezas hidrófilas de fosfato apuntando hacia el exterior (Figura 2.1a y 2.2). Las colas varían en longitud (normalmente de 14 a 24 átomos de carbono) y una de ellas tiene uno o dos enlaces dobles. Tal como se muestra en la figura 2.2, cada doble enlace genera una curvatura en la cola. Estas diferencias en longitud y grado de saturación entre las colas son importantes porque afectan la fluidez de la membrana. La membrana tiene entre 5 y 9 nanómetros (5 a 9m/1 000 000 000) de grosor y no se puede visualizar con el microscopio óptico. En cambio, con el microscopio electrónico se identifica como una doble línea delgada y continua, es decir, como una doble capa cuya estructura se puede reconocer (Figura 2.1b).

Figura 2.2. Zonas de la molécula fosfolipídica representada esquemáticamente (a), en su fórmula (b), como modelo espacial compacto (c) y como símbolo (d). (Extraído de Albert et al. 2006)

a) b) c)

d)

Figura 2.1. Membrana Plasmática. a) Esquema de la membrana celular (Extraído de Albert et al. 2006); b) Micrografía electrónica de la membrana celular, las flechas señalan cada monocapa (Extraído de Curtis et al., 2008).

Bicapa

lipídica

Proteínas Lípidos

a) b)





El modelo estructural más aceptado de membrana es el llamado modelo de mosaico fluido. Aunque los lípidos y las proteínas, unidos a proteínas periféricas o a proteínas concentradas en el interior, parecen estar anclados en una posición fija en la membrana, la estructura de la bicapa es fluida. Algunas de las proteínas incluso pueden desplazarse lateralmente por la bicapa, de manera que la estructura en "mosaico" de fosfolípidos y proteínas cambia en el tiempo. La bicapa lipídica también se comporta como un fluido bidimensional en el cual las moléculas lipídicas se desplazan libremente en su propia capa en cualquier dirección del plano de la membrana. Además se ha demostrado que las moléculas lipídicas individuales que se encuentran dentro de una monocapa rotan con mucha rapidez alrededor de sus ejes longitudinales. Finalmente, las moléculas de fosfolípidos individuales normalmente se mantienen dentro de la monocapa correspondiente y no están sujetas a un proceso de “flip flop” espontáneo (Figura 2.3). En algunos organismos, la bicapa de fosfolípidos alberga grandes cantidades de moléculas de colesterol que la hacen más rígida y menos permeable a moléculas solubles pequeñas. Las dos superficies de la membrana celular difieren mucho en cuanto a composición química, por eso se dice que la membrana celular es asimétrica. En general tienen concentraciones diferentes de distintos tipos de lípidos. En las membranas plasmáticas que han sido analizadas, la composición lipídica de las dos mitades de la bicapa lipídica es marcadamente diferente. En la membrana del glóbulo rojo humano, la mayoría de las moléculas lipídicas que acaben en colina (grupo polar) se encuentran en la mitad exterior de la bicapa lipídica, mientras que la mayoría de los fosfolípidos que contienen un grupo amino primario terminal se hallan en la mitad interior. En muchas clases de células, la capa externa es particularmente rica en glucolípidos y glucoproteínas (Figura 2.4).

Figura 2.3. Diferentes tipos de movimiento posible de las moléculas de fosfolípidos de una bicapa lipídica.

flip-flop

(poco frecuente)

rotación flexión

Difusión lateral

ESPACIO EXTRACELULAR

CITOPLASMA

Figura 2.4. Esquema de la distribución asimétrica de los fosfolípidos y de los glucolípidos en la bicapa lipídica de los glóbulos rojos humanos. Los símbolos utilizados se detallan debajo en “leyenda”. Los terminales azúcar han sido dibujados como hexágonos.

Leyenda:

Fosfatidilcolina

Fosfatidilserina * Fosfatidiletanolanina *

Glucolípido





Aunque la estructura básica de las membranas biológicas está determinada por la bicapa lipídica, la mayor parte de sus funciones específicas están desempeñadas por proteínas. Las proteínas, en extremo diversas en su estructura, desempeñan una variedad de actividades y son responsables de muchas funciones esenciales de las membranas biológicas. Algunas son enzimas, ya que catalizan determinadas reacciones químicas; otras son receptores, implicados en el reconocimiento y la unión de moléculas señalizadoras que vienen desde el exterior de la célula, como las hormonas o elementos de la matriz extracelular que les permiten a las células responder a señales ambientales. Finalmente, otras funcionan como proteínas de transporte, con papeles críticos en el movimiento de sustancias a través de la membrana (Figura 2.5). Muchas proteínas de membrana están directamente insertadas en la misma bicapa. Al igual que sus vecinas lipídicas, estas proteínas de membrana suelen ser anfipáticas: tienen tanto regiones hidrofóbicas, que interaccionan con las colas de las moléculas lipídicas del interior de la bicapa, como regiones hidrofílicas, que se hayan expuestas al agua en uno o, más frecuentemente, ambos lados de la membrana. El carácter hidrofóbico de algunas proteínas de membrana se ve incrementado por la unión covalente de una o más cadenas de ácidos grasos que ayudan a anclar estas proteínas en la bicapa. La facilidad con que las proteínas de membrana pueden ser extraídas de la membrana es muy variable: algunas pueden extraerse mediante procedimientos suaves y otras únicamente tras la destrucción total de la bicapa con detergentes o disolventes orgánicos. Estos dos tipos extremos reciben a menudo el nombre de proteínas periféricas, si son fáciles de extraer, y proteínas integrales, si son difíciles de extraer. Muchas proteínas atraviesan la bicapa quedando expuestas a un entorno acuoso a ambos lados de la membrana, recibiendo el nombre de proteínas transmembranas. Otras proteínas sólo se hallan expuestas al agua, en un lado de la bicapa: algunas de estas proteínas están ancladas en la membrana mediante interacciones no covalentes con las proteínas transmembranas, mientras que otras pueden estar ancladas mediante la unión covalente a cadenas de ácidos grasos que se encuentran en una monocapa o en la otra (Figura 2.6).

Figura 2.5. Funciones de proteínas de membrana (Extraído de Albert et al. 2006).





Las proteínas transmembrana presentan segmentos que atraviesan el medio hidrófobo del interior de la bicapa, por lo que están compuestos de aminoácidos con cadenas laterales hidrófobas. Sin embargo, los enlaces peptídicos que unen a los aminoácidos de una proteína normalmente son polares determinando un esqueleto polipeptídico hidrófilo. Es por ello que los átomos que componen el esqueleto polipeptídico forman enlaces hidrogenados entre sí adquiriendo una conformación de hélice ∝. En estas hélices que abarcan todo el espesor de la membrana las cadenas laterales hidrófobas están expuestas a la parte externa de la hélice, mientras que los átomos del esqueleto polipeptídico se ubican en el interior (Figura 2.7). Otras proteínas transmembranas forman poros acuosos que permiten el pasaje de moléculas hidrosolubles. Estas proteínas son complejas y poseen una serie de hélices ∝ que se despliegan varias veces a través de la bicapa. Las cadenas laterales hidrófilas se localizan en el interior y forman parte del revestimiento del poro generado por el agrupamiento de varias hélices adosadas. Dada su espesor y fragilidad, la membrana celular esta reforzada por un esqueleto proteico unido mediante proteínas transmembrana. Es así que la conformación de las células y las propiedades mecánicas de la membrana plasmática están determinadas por una red de proteínas fibrosas, denominada corteza celular unida a la superficie citosólica de la membrana.

Figura 2.6. Esquema de las cuatro maneras en que las proteínas de membrana pueden estar asociadas a la bicapa lipídica. (1) Proteínas que atraviesan la bicapa; (2) cadena polipeptídica extendida sólo parcialmente a través de la bicapa; (3) fijadas por interacciones no covalentes con otras proteínas de membrana; y (4) proteína unida covalentemente a un ácido graso de una monocapa.

1

2 3

4

Figura 2.7. Hélice ∝ de una proteína transmembrana (Extraído de Alberts et al. 2006).





Todas las células eucariotas tienen hidratos de carbono en sus superficies, la mayor parte de ellos en forma de cadenas laterales de oligosacáridos unidas covalentemente a las proteínas de membrana (glucoproteínas) o en menor porción, unidas a los lípidos (glucolípidos). La proporción de hidratos de carbono en las membranas plasmáticas oscila en total entre un 2% y un 10% del peso de la membrana. La distribución de los carbohidratos es más asimétrica que para el caso de lípidos y proreçinas, ya que las cadenas laterales de los oligosacáridos de los glucolípidos y de las glucoproteínas de las membranas internas y plasmáticas están localizadas en la superficie no citoplasmática: en las membranas plasmáticas, los residuos de azúcar quedan todos al descubierto en la cara exterior de la célula. Los términos cubierta celular, glucocaliz y matriz extracelular, se utilizan a menudo para describir la zona periférica, rica en carbohidratos, de la superficie de la mayoría de las células eucariotas. El carbohidrato está formado por las cadenas laterales de oligosacáridos de las glucoproteínas y de los glucolípidos unidos a la membrana, aunque con frecuencia también se presentan glucoproteínas o glucolípidos que han sido segregados y luego absorbidos sobre la superficie celular (Figura 2.8). Algunas de estas macromoléculas absorbidas son componentes de la matriz extracelular, por lo que resulta una cuestión semántica el delimitar donde termina la membrana plasmática y donde empieza la matriz extracelular.

2.2 Transporte a través de la Membrana Celular

Todas las células están rodeadas por una membrana plasmática, permitiéndoles existir como entidad individual al poder regular el pasaje de materiales hacia su interior y exterior. Para facilitar el intercambio la membrana está atravesada por canales y bombas muy selectivos formados por moléculas proteicas. Actualmente, se sabe que unas determinadas proteínas de membrana son las responsables de la transferencia de estos solutos a través de las membranas celulares. Estas proteínas, que reciben el nombre de proteínas de transporte a través de las membranas, se presentan en muchas formas y en todos los tipos de membranas biológicas. Algunas proteínas de transporte, simplemente transportan un soluto de un lado al otro de la membrana: reciben el nombre de transporte sencillo o uniporte. Otras funcionan como sistemas de cotransporte en los que la transferencia de un soluto depende de la transferencia simultanea o secuencial de un segundo soluto, ya sea en la misma dirección –

CITOPLASMA

Figura 2.8. Esquema de la cubierta celular (glucocaliz) que está formada por las cadenas laterales de oligosacáridos de los glucolípidos y de las glucoproteínas intrínsecos de la membrana.

Bicapa

lipídica

Glucocaliz ó

cubierta

celular

= residuos de aúzcar

Glucolípido

Glucoproteína

trasmembrana

Glucoproteína

absorbida





con transporte unidireccional/ simporte, o en la dirección puesta – transporte de intercambio / antiporte (Figura 2.9).

Con el tiempo suficiente, esencialmente, cualquier molécula difundirá a través de una bicapa lipídica libre de proteínas, a favor de su gradiente de concentración. Por regla general, cuanto más pequeña sea una molécula y cuanto más soluble sea en aceite, tanto más rápidamente difundirá a través de una bicapa. Las moléculas pequeñas no polares se disuelven fácilmente en las bicapas lipídicas y por lo tanto difunden con rapidez a través de ellas. Las moléculas polares sin carga si su tamaño es suficientemente reducido también difunden rápidamente a través de una bicapa. Las sustancias que atraviesan la membrana pueden hacerlo como si transitara una “ruta libre" (es decir sin gasto de energía) o “una ruta con peaje" (gastando energía). El primero recibe el nombre de transporte pasivo y el segundo transporte activo (Figura 2. 10). Aunque las proteínas de transporte permiten el paso a través de las membranas celulares de un gran número de pequeñas moléculas polares, no pueden transportar macromoléculas, tales como proteínas, polinucleótidos o polisacáridos. La mayoría de las células son capaces de expulsar y de absorber macromoléculas. Los mecanismos que utilizan las células suponen la formación y fusión secuencial de vesículas rodeadas de membrana. Cuando la célula debe secretar alguna sustancia hacia el exterior celular, recurre a un proceso denominado exocitosis (exo= fuera; cito= célula, fuera de la célula) (Figura 2.9). Mientras que, cuando las células ingieren macromoléculas y partículas por medio de un mecanismo similar, pero siguiendo una secuencia inversa.

Figura 2.9. Esquema de proteínas de transporte como sistemas de transporte sencillo (uniporte), cotransporte unidireccional (simporte) y transporte de intercambio (antiporte). (Modificado de Albert et al. 2006).

Transporte sencillo

(UNIPORTE) Cotransporte unidireccional

(SIMPORTE)

Transporte de intercambio

(ANTIPORTE)

moléculas

transportadas

Ion cotransportado





La sustancia que debe ser ingerida se rodea progresivamente por una pequeña porción de la membrana plasmática, que primero se invagina y luego se estrangula formando una vesícula intracelular que contiene el material ingerido (Figura 2.11). Este proceso recibe el nombre de endocitosis (endo= dentro; cito= célula, dentro de la célula). Según el tamaño de las vesículas formadas, se distinguen dos tipos de endocitosis: la pinocitosis (“bebida de la célula”), que comporta la ingestión de líquidos y/o solutos mediante pequeñas vesículas, y la fagocitosis(“comida de la célula”) que implica la ingestión de grandes partículas, tales como microorganismos o mediante grandes vesículas (a menudo denominadas vacuolas).

Difusión simple

Bicapa

lipídica

Difusión facilitada

TRANSPORTE

PASIVO TRANSPORTE

ACTIVO

Gradiente

electroquímico

Proteína de

canal

Proteínas

transportadoras

Moléculas transportadas

EN

ER

GÍA

Fig. 2.10. Esquema del transporte pasivo y activo, a favor del gradiente electroquímico y activo en contra del gradiente, respectivamente. (Modificado de Albert et al. 2006).

a)

b)

CITOPLASMA

Figura. 2.11 Esquema de los dos procesos de difusión por membrana-a) exocitosis, y b) endocitosis. (Extraído de Albert et al.2006).





2.3 Aquaporinas

Dado que todos los iones, lípidos, azúcares, proteínas y otras macromoléculas que forman parte de las células y su entorno se encuentran disueltos en un medio acuoso, su transporte genera un flujo de agua a través de la membrana. Es por ello que entender cómo el agua atraviesa las membranas celulares el cuerpo ha constituido una de las cuestiones de mayor interés en biología. El descubrimiento del primer canal de agua en la membrana celular, la acuaporina-1 (AQP1), el estudio de su distribución en los tejidos y la investigación de sus propiedades estructurales y funcionales le valieron a Peter Agre el premio Nobel de química de 2003. Agre y su equipo encontraron que los ovocitos de la rana Xenopus laevis inyectados con cantidades exiguas de ARN mensajero de AQP1 desarrollaban una permeabilidad al agua superior a la de un ovocito control sin inyectar o inyectado con agua. Se descubrió también que la permeabilidad al agua dependiente de AQP1 se inhibía mediante cloruro de mercurio y que tal efecto se revertía con agentes reductores. El comportamiento reseñado correspondía al esperado para un flujo de agua mediado por canales. El tamaño de las acuaporinas suele oscilar entre 250 y 300 aminoácidos. Estructuralmente se

organizan en seis segmentos de estructura hélice ∝ que atraviesa la membrana de lado a lado, unidos por cinco lazos conectores. Dos de los lazos (uno extracelular y otro intracelular) se pliegan hacia la membrana y se aproximan para formar el poro. La estructura resultante encierra una zona central estrecha que se ensancha abriéndose hacia ambos lados de la membrana (Figura 2.12). Este particular plegamiento, en forma de reloj de arena, pone en contacto los tripletes NPA (asparragina-prolina-alanina) para formar el sitio más estrecho del poro. Aunque cada acuaporina constituye por sí sola un canal, en la membrana celular estas proteínas se ensamblan en grupos de cuatro.

Figura 2.12. Organización de las acuaporinas. a) Segmentos transmembranas (1 al 6) y asas de unión (A a E) en un monómero extendido; b) formación del poro entre los segmentos NPA de las asas B y E; organización de una acuaporina (tetrámero) en membrana (Extraído de Sanchez 2003).





2.4 Compartimentalización Celular

La Compartimentalización celular, ha resultado una ventaja evolutiva de la célula eucariota frente a la procariota. En primer lugar, permite especializar funciones en los organelos, debido sobre todo a la gran cantidad de reacciones de síntesis y degradación que se dan en la célula. Es importante señalar que cada compartimento debe tener una composición proteica diferente, como pueden ser proteínas hidrolasas, de síntesis, entre otras. Otra punto importante, es que estos compartimentos están relacionados entre si, no directamente, exceptuando al núcleo con el retículo endoplasmático, transportando las proteínas en vesículas. Estos compartimentos están en posiciones determinadas, mantenidos en su lugar por el citoesqueleto. Algunos organelos, se mueven y las vesículas cuando se desplazan, lo hacen con la ayuda del citoesqueleto. Por último, esta Compartimentalización produce en la célula un aumento de tamaño. 2.5 Citosol Si se eliminara la membrana plasmática de una célula eucarionte y después se eliminaran todos los organelos rodeados de las membranas, como el núcleo, el Retículo endoplasmático, el Complejo de Golgi, las mitocondrias y el resto de los organelos, quedaría el citosol. En la mayoría de las células, el citosol es el compartimiento aislado más grande. Contiene una innumerable cantidad de moléculas grandes y pequeñas tan estrechamente relacionadas que se compara más como un gel acuoso que como una solución líquida. Es el sitio de muchas reacciones químicas que son fundamentales para la existencia de la célula. Por ejemplo, en el citosol se producen los primeros pasos de la degradación de las moléculas de nutrientes y también es el lugar donde la célula realiza uno de sus procesos de síntesis esenciales: la síntesis de proteínas. Los ribosomas, las diminutas máquinas moleculares que sintetizan moléculas proteicas, son visibles con el microscopio electrónico como partículas pequeñas en el citosol, unidas con frecuencia a la superficie citosólica del Retículo endoplasmático.

Figura 2.13 Compartimentalización Celular. Permite que cada compartimento rodeado por membrana realice una función independiente del resto de organelos (Extraído de Essential Cell Biology, Garland Science, 2010).





Figura nº 2.14 Componentes, Estructura y Funciones del Citosol. (Adaptación de Essential Cell Biology,

Garland Science, 2010).

Figura 2.15 Citosol. El resto de la célula, excluidos todos los organelos, se denomina citosol (Extraído de Essential Cell Biology, Garland Science, 2010).





2.6 Sistema de Endomembranas Una célula eucarionte típica realiza millones de reacciones químicas diferentes, muchas de estas reacciones son incompatibles entre sí. Por ejemplo, mientras que una serie de reacciones elabora glucosa, otras, la degradan; algunas enzimas sintetizan enlaces peptídicos, en tanto que otras los hidrolizan y así, sucesivamente. De hecho, si las células de un órgano como el hígado se rompen y sus contenidos se mezclan en un tubo, se produce un caos químico y las enzimas de las células y otras proteínas se degradan con rapidez por efecto de sus propias enzimas proteolíticas. Para que una célula funcione de manera eficaz, de algún modo se deben separar los diferentes procesos intracelulares que se producen en forma simultánea. Las células han desarrollado diversas estrategias para aislar y organizar sus reacciones químicas. Una de estas estrategias utilizadas por las células, es agrupar las diferentes enzimas requeridas para catalizar una secuencia particular de reacciones en complejos grandes formados por múltiples componentes. Estos complejos se emplean, por ejemplo, en la síntesis de ADN, ARN y de proteínas. Otra estrategia de la célula eucarionte, es la de confinar los diferentes procesos metabólicos y las proteínas requeridas para llevarlo a cabo, dentro de distintos compartimientos delimitados por membranas. Como se comentó anteriormente, las membranas celulares representan barreras de permeabilidad selectiva a través de las que se puede controlar el transporte de la mayoría de las moléculas. Los principales organelos delimitados por membranas de una célula animal, se encuentran rodeados por el citosol, que a su vez está delimitado por la membrana plasmática. El núcleo es, en general, el organelo más importante en las células eucariontes. Está cercado por una membrana doble, conocida como envoltura nuclear y se comunica con el citosol a través de poros nucleares, que perforan la envoltura. La membrana nuclear externa se continúa con la membrana del Retículo Endoplasmático (RE). 2.6.1 Retículo Endoplasmático Las funciones del sistema de endomembranas se inician con el RE. En las células animales el RE es una continuación de la cubierta nuclear que se extiende a través del citoplasma. Sus membranas pueden tener una apariencia áspera o lisa, dependiendo de que los ribosomas estén o no unidos a la membrana que da hacia el citosol. Lo que llevó a denominarlos durante mucho tiempo rugoso y liso respectivamente. Investigaciones recientes han demostrado que los ribosomas se unen al RE sólo para la síntesis de proteínas, una vez finalizada ésta, se desprenden. Al inhibir la síntesis proteica, no se puede observar la rugosidad del RE, por lo que las publicaciones más actuales, sólo lo denominan RE. El RE es un sistema de sacos y tubos membranosos interconectados, q con frecuencia, se extienden a todo lo largo de la célula. El RE es el sitio principal de síntesis de membranas nuevas en la célula. Grandes áreas que se muestran como pilas de sacos aplanados, presentan ribosomas adheridos a la superficie citosólica, los cuales como se mencionó, llevan a cabo la síntesis de proteínas, que luego son liberadas en la luz o en la membrana del RE. El área libre de ribosomas, forma curvas a través del citoplasma como conductos interconectados, es escaso en la mayoría de las células, pero está muy desarrollado en otras que realizan funciones particulares, por ejemplo, es el sitio de las hormonas esteroides en





las células de la glándula suprarrenal y el sitio donde se detoxifica una variedad de moléculas orgánicas, incluido el alcohol, en las células hepáticas. En muchas células eucariontes esta parte del RE secuestra el Ca+2 del citosol; la liberación y la recaptación del Ca+2, está implicada en la respuesta rápida a muchas señales extracelulares. 2.6.2 Complejo o Aparato de Golgi El complejo de Golgi presenta una morfología característica, consistente sobretodo en cisternas membranosas aplanadas, parecidas a discos, con bordes dilatados, vesículas y túbulos relacionados. Las cisternas, que también reciben el nombre de Dictiosomas,

presentan diámetros que oscilan entre 0,5 y 1,0 m, se disponen en una pila ordenada, muy parecida a una superposición de hojuelas y curvadas de tal forma que asemejan a un tazón poco profundo. Por lo general, una pila de Golgi contiene menos de ocho cisternas. Una célula individual puede contener desde unas cuarenta hasta varios miles de piles distintas, según sea el tipo de célula. Las pilas de Golgi en la célula animal están conectadas entre sí, por túbulos membranosos un solo gran complejo, situado junto al núcleo de la célula. El Complejo de Golgi se divide en varios compartimientos con funciones diferentes dispuestos a lo largo de un eje, desde la cara cis, o de entrada más cercana al RE, hasta la cara trans o de salida, en el lado puesto de la pila. La cara cis del organelo la forma una red de túbulos conectados entre sí que se conoce como red Cis de Golgi (RCG). La RCG funcionaría sobretodo, como una estación de clasificación que distingue entre las proteínas que deben enviarse de regreso al RE y aquellas a las que se les permite avanzar a la siguiente estación de Golgi. La mayor parte de este Complejo consiste en una serie de cisternas grandes y aplanadas que se dividen en cisternas cis, mediales y trans. La cara trans del organelo contiene una red distintiva de túbulos y vesículas llamada red trans de Golgi (RTG). Al igual que la RCG, la RTG también es una estación clasificadora.

Figura 2.16: Retículo Endoplasmático. Muchos componentes celulares son producidos en el Retículo Endoplasmático. Este organelo presenta una variedad de formas: túbulos, vesículas, cisternas. En algunos casos en una misma célula se pueden observar los tres tipos (Extraído de Essential Cell Biology, Garland Science, 2010).





Las proteínas se separan en la RTG en tipos diferentes de vesículas que se dirigen a la membrana plasmática o a varios destinos intracelulares. Se cree que los elementos membranosos del complejo de Golgi cuentan con el soporte mecánico de un esqueleto periférico de la membrana o andamiaje compuesto por varias proteínas, incluidas integrantes de la familia de las espectrinas y actinas, proteínas que también están presentes como parte de la membrana plasmática. La estructura de Golgi puede mantener un enlace físico con proteínas motoras que dirigen el movimiento de las vesículas y túbulos que entran y salen del complejo de Golgi. El complejo de Golgi no tiene una composición uniforme de un extremo al otro. Las diferencias en la composición de los compartimientos de membrana desde la cara cis a la trans reflejan el hecho de que el Complejo de Golgi es sobre todo, una “planta procesadora”. Las proteínas de membrana recién sintetizadas, así como las proteínas secretoras y lisosómicas, salen del RE y entran al complejo de Golgi por su cara cis y luego pasan a través de la pila, hasta la cara trans. Conforme avanzan por la pila, las proteínas originales sintetizadas en el RE sufren varias modificaciones específicas, realizadas por enzimas, las cuales cambian en forma diferente las proteínas por ser secretadas y las proteínas de membrana, según su estructura y destinos finales. Después que las proteínas por ser secretadas y las proteínas de membrana son modificadas en el Complejo de Golgi, son transportadas afuera por un segundo grupo de vesículas, que parecen brotar del lado trans del complejo. Algunas vesículas transportan las proteínas de membrana destinadas a la membrana plasmática o las proteínas solubles para ser liberadas desde la superficie celular; otras transportan proteínas solubles o de membrana a los lisosomas u otros organelos. 2.6.3 Lisosomas Los lisosomas proveen un ejemplo excelente de la capacidad de las membranas intracelulares para formar compartimientos cerrados, en los cuales la composición de la luz

Figura 2.17 Complejo de Golgi. El complejo de Golgi está formado por estructuras aplanadas (Dictiosomas). Participa en la síntesis y empaquetamiento de las moléculas que van a ser secretadas por la célula (Extraído de Essential Cell Biology, Garland Science, 2010).





(el interior acuoso del compartimiento) difiere sustancialmente de la del citosol circundante. Exclusivos de las células animales, los lisosomas son responsables de degradar ciertos componentes que se han tornado obsoletos para la célul o el organismo. El proceso por el cual un organelo envejecido es degradado en un lisosoma, se denomina autofagia (comerse a uno mismo). Los materiales llevados por la endocitosis o fagocitosis hacia el interior de la célula, también pueden ser degradados n los lisosomas. En la fagocitosis partículas grandes insolubles, por ejemplo bacterias, son envueltas por la membrana plasmática e internalizadas. Los lisosomas contienen un grupo de enzimas hidrolíticas, alrededor de 50, que degradan los polímeros en sus unidades monoméricas. Por ejemplo, las nucleasas degradan el ARN y el ADN en sus mononucleótidos constitutivos; las proteasas degradan diversas proteínas y péptidos; las fosfatasas quitan los grupos fosfato a los mononucleótidos, a los fosfolípidos y a otros compuestos; otras enzimas degradan los polisacáridos complejos y los glucolípidos en unidades pequeñas. Todas las enzimas lisosómicas trabajan con mayor eficiencia con pH ácido y colectivamente se denominan Hidrolasas ácidas. Dos tipos de proteínas de transporte de la membrana lisosómica trabajan juntas para bombear los iones H+ y Cl- (HCl) desde el citosol a través de la membrana, acidificando de este modo la luz. El pH ácido ayuda a desnaturalizar las proteínas, haciéndolas accesibles a la acción de las hidrolasas lisosómicas, las cuales son resistentes a la desnaturalización ácida. Las enzimas lisosómicas son poco activas al pH neutro de las células y de la mayoría de los líquidos extracelulares. Así, si un lisosoma libera sus enzimas al citosol, donde el pH se encuentra entre 7,0 y 7,3, causa poca degradación de los componentes citosólicos. Las proteínas citosólicas y nucleares no son casi nunca degradas en los lisosomas, sino más bien en los proteosomas, grandes complejos multiproteicos en el citosol.

Figura 2.18 Lisosomas. Un lisosoma contiene enzimas hidrolíticas y una bomba de protones (Extraído de Essential Cell Biology, Garland Science, 2010).





Los lisosomas varían en tamaño y forma y pueden hallarse varios cientos en una célula animal típica. En efecto, funcionan como sitios donde se acumulan diversos materiales para ser degradados. Los lisosomas primarios son aproximadamente esféricos y no contienen partículas, ni desechos de membranas visibles. Los lisosomas secundarios, que son más grandes y de forma irregular, parecen ser el resultado de la fusión de lisosomas primarios con otros organelos y vesículas. Contienen partículas o membranas en proceso de ser digeridas. 2.6.4 Peroxisomas Los peroxisomas, caracterizados por De Duve en 1960, llevan a cabo gran variedad de funciones (no menos de 50 reacciones enzimáticas), como el metabolismo lipídico (principalmente ácidos de cadena larga), de algunos aminoácidos y numerosas actividades enzimáticas de tipo oxidasa. Su nombre proviene de su papel en la formación y oxidación del peróxido de hidrógeno. El peroxisoma es una organela de membrana simple, siendo particularmente importantes en el hígado y en el riñón donde adquiere una forma redonda u oval, con un diámetro aproximado de 500 nm. Su matriz es típicamente granulada y contiene un nucleoide de estructura regular semejante a un cristal (urato oxidasa). Todas las proteínas peroxisomales se sintetizan en polirribosomas libres, entran en el citosol y contienen peptido señal de entrada peroxisomal (SEP, o PTS) que los dirigen hacia el organelo. En el mecanismo que controla la importación intervienen una serie de genes denominados peroxinas. De manera similar a los lisosomas, los peroxisomas contienen una gran cantidad de enzimas, encontrándose particularmente peroxidasa, catalasa, urato oxidasa y aminoácido oxidasa. Algunas de estas enzimas utilizan oxígeno para oxidar sus sustratos generando como producto el peróxido de hidrógeno que es eliminado por la catalasa.

Figura 2.19 Peroxisomas. (Extraído de Antonenkov et al. 2007).





2.6.5 Mitocondrias Las mitocondrias tienen por función la generación de ATP a través de la respiración celular. Prácticamente todas las células eucariotas (plantas, animales, hongos y protistas) contienen orgánulos complejos llamados mitocondrias. Estos orgánulos son el sitio de la respiración aeróbica, un proceso que incluye la mayor parte de las reacciones que convierten la energía química presente en ciertos alimentos a ATP. La respiración aerobia requiere oxígeno y resulta en la liberación de átomos de carbono de moléculas de los alimentos como el dióxido de carbono. Las mitocondrias son más numerosas en las células que son muy activas y por lo tanto tienen altos requerimientos de energía. Más de 1.000 mitocondrias se han contado en una sola

célula de hígado. Las mitocondrias varían en tamaño, que van de 2 a 8 m de longitud y son capaces de cambiar el tamaño y forma rápidamente. Las mitocondrias suelen dar lugar a otras mitocondrias por el crecimiento y la división posterior. Cada mitocondria está delimitado por una doble membrana, la cual forma dos compartimentos diferentes dentro del orgánulo: el espacio intermembrana y la matriz (Figura 2.20). El espacio intermembrana es el compartimiento formado entre las membranas mitocondriales externas e internas, mientras que la matriz, es el compartimiento cerrado por la membrana mitocondrial interna, contiene enzimas que descomponen las moléculas de los alimentos y convierten su energía a otras formas de energía química. La membrana mitocondrial externa es lisa y permite que muchas moléculas pequeñas pasen a través de ella. Por el contrario, la membrana mitocondrial interna tiene numerosos pliegues y estrictamente regula los tipos de moléculas que se pueden mover a través de ella. Los pliegues, llamados crestas, se extienden dentro de la matriz. Las crestan aumentan notablemente el área de la membrana, proporcionando mayor superficie para las reacciones químicas que transforman la energía química de los alimentos en la energía del ATP. La membrana contiene la serie compleja de enzimas y otras proteínas necesarias para estas reacciones.

membrana interna

membrana externa

matriz

crestas

Figura 2.20 Mitocondrias Dibujo y micrografía electrónica

de una mitocondria (Extraído de Solomon et al.

2005).





En una célula de mamífero, cada mitocondria tiene 5-10 idéntica, moléculas circulares de ADN, lo que representa hasta un 1% del ADN total en la célula. En 1988 dos equipos de investigadores independientemente vincularon las mutaciones en el ADN mitocondrial con cierta enfermedades genéticas. Douglas C. Wallace de la Universidad Emory informó que una mutación heredada en un gen mitocondrial se asocia a una forma de ceguera infantojuvenil. Ian J. Holt y sus colegas en el Instituto de Neurología de Londres vincularon las mutaciones mitocondriales a trastornos musculares progresivos. Los investigadores han encontrado evidencias de vínculos entre las mutaciones mitocondriales y varias otras enfermedades, incluyendo algunos casos de Alzheimer y la diabetes tipo 2.

unidad nº 2 la cÉlula eucariota

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