CÁTEDRA DE BIOLOGÍA

Apunte Teórico:

COMPARTIMENTACIÓN CELULAR

SISTEMA DE ENDOMEMBRANAS

Lic. Valeria Caramuti 2006

LA CÉLULA EUCARIOTA Y LA COMPARTIMENTACIÓN A diferencia de la célula procariota, que generalmente consta de un solo

compartimiento rodeado por la membrana plasmática, la célula eucariota está subdividida en compartimientos rodeados por membrana, que son funcionalmente distintos. Cada compartimiento u orgánulo (u organela) contiene su propia dotación de enzimas, otras moléculas especializadas y un complejo sistema de distribución que transporta específicamente los compuestos de un compartimiento a otro. Por lo tanto, la compartimentación, o subdivisión celular en compartimientos, conduce a la especialización funcional.

Las proteínas confieren a cada compartimiento sus propiedades estructurales y funcionales. Catalizan las reacciones que tienen lugar en cada orgánulo y transportan selectivamente pequeñas moléculas hacia dentro y hacia fuera del interior del orgánulo o lumen. También actúan como marcadores específicos de superficie de las organelas que dirigen el destino de proteínas y de lípidos al orgánulo apropiado.

Todas las células eucariotas tienen la misma dotación básica de orgánulos rodeados de membrana. Muchos procesos bioquímicos vitales ocurren en, o sobre, superficies de membrana. Por ejemplo, el metabolismo lipídico catalizado por enzimas unidas a membranas; o la fosforilación oxidativa (formación de ATP) y la fotosíntesis, que requieren de una membrana semipermeable para acoplar el transporte de protones H+ con la síntesis del ATP.

Dado que la bicapa lipídica de los orgánulos de membrana es impermeable a la mayoría de las moléculas hidrofílicas, la membrana de cada orgánulo ha de disponer de proteínas transportadoras encargadas de la importación o exportación de determinados metabolitos. Asimismo, ha de tener un mecanismo de importación y de incorporación al orgánulo de las proteínas características de dicho orgánulo.

En la Fig. 1 se muestran los principales compartimentos de la célula eucariota vegetal.

Figura 1: Esquema de una célula eucariota vegetal.

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Los dos compartimentos más importantes son: el núcleo con el genoma, en donde se sintetizan el ADN (replicación) y el

ARN (transcripción) el citoplasma, que a su vez comprende las distintas organelas y el citosol,

éste último responsable de la mitad del volumen celular, lugar de síntesis de las proteínas, y donde se desarrolla el metabolismo intermediario (moléculas pequeñas que son degradadas y síntesis de pequeñas moléculas). En cuanto a las organelas, cada una tiene una posición característica que depende de la interacción con el citoesqueleto, por ejemplo el Aparato de Golgi está cerca del núcleo y el retículo endoplasmático se extiende desde el núcleo por todo el citosol, ambos dependen de la red de microtúbulos del citoesqueleto.

A su vez, en el citosol se encuentran los siguientes organelos membranosos: • Retículo endoplasmático (RE): representa la mitad del área total de

membrana. Se subdivide en: - Retículo endoplasmático rugoso (RER): con ribosomas para la

síntesis de proteínas integrales de membrana o de proteínas solubles de secreción intra o extracelular.

- Retículo endoplasmático liso (REL): produce lípidos y almacena Ca++.

• Complejo de Golgi: recibe lípidos y proteínas del RE y las distribuye a los distintos destinos intracelulares, generalmente modificándolos covalentemente durante el viaje.

• Lisosomas: con enzimas digestivas que degradan orgánulos y macromoléculas, y partículas del exterior captadas por endocitosis.

• Endosomas: compartimentos con partículas endocitadas que van en camino hacia los lisosomas.

• Vacuolas: de mayor desarrollo en células vegetales, en las que cumplen múltiples funciones.

• Peroxisomas o microcuerpos: con ezimas que participan en reacciones oxidativas.

• Mitocondrias y cloroplastos (estos últimos sólo en cél. vegetales): generan la mayor parte del ATP que se utiliza para desplazar las reacciones biosintéticas que requieren aporte de energía libre.

En general, cada orgánulo rodeado por membrana realiza el mismo tipo de funciones básicas en todos los tipos celulares. No obstante, para poder cumplir las funciones especializadas de las células de los organismos pluricelulares, estos orgánulos varían en abundancia y pueden tener propiedades adicionales que difieren de un tipo celular a otro.

Entonces: La compartimentación crea una superficie extra de membrana a la vez que crea

espacios separados del citosol dando a la célula espacios acuosos funcionalmente especializados, con composición particular merced a las proteínas transportadoras de su membrana.

La relación topológica1 de los orgánulos rodeados de membrana puede ser

interpretada a partir de sus orígenes evolutivos. 1 La relación de las superficies.

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Los precursores de las primeras células eucariotas habrían sido organismos parecidos a bacterias (de células procariotas), las cuales tienen membrana plasmática pero no membranas internas. En estas células, por lo tanto, la membrana plasmática realiza todas las funciones dependientes de membrana, como el bombeo de protones, la síntesis de ATP y la síntesis de lípidos. No obstante, las células eucariotas actuales tienen una dimensión lineal entre 10 y 30 veces mayor y un volumen entre 1.000 y 10.000 veces mayor que una bacteria típica. La profusión de membranas internas, entonces, surgió como adaptación al incremento de tamaño: las células eucariotas tienen una relación entre superficie y volumen ( v

s ) mucho menor, de forma que

probablemente el área de su membrana plasmática es demasiado pequeña para contener la gran cantidad de funciones vitales ligadas a membrana que precisa. El extenso sistema de membranas intracelulares de una célula eucariota compensa ese desequilibrio.

Evidentemente, la evolución de las membranas internas ha sido paralela a la especialización de sus funciones.

Estas zonas especializadas de la membrana plasmática, por invaginación, da varios de los orgánulos de la célula eucariota, como por ejemplo el retículo endoplasmático, complejo de Golgi, lisosomas, endosomas y vesículas de transporte. Todas estas estructuras tienen un interior topológicamente equivalente al exterior de la célula. Su interior se conecta entre sí y con el exterior celular por la vía del transporte vesicular y la secreción.

Mitocondrias y plastos (como los cloroplastos) son organelas que difieren de las restantes en que tienen su propio genoma (ADN) de tipo procariota que, sumado a la estrecha similitud entre las proteínas de estos orgánulos y las de algunas bacterias actuales, evidencia su origen en bacterias fagocitadas por otras de mayor tamaño, con las que inicialmente vivieron en simbiosis (Teoría Endosimbiótica). La membrana interna de estas organelas corresponde a la membrana original de las bacterias, mientras que el lumen evolucionó a partir del citoplasma bacteriano. Como podría esperarse de su origen endocítico, estas dos organelas están formados por una doble membrana y permanecen aisladas del extenso tránsito vesicular que conecta a la mayoría de los organelos entre sí y con el exterior celular.

El núcleo tiene una doble membrana o carioteca, que se habría formado por invaginación profunda de la membrana plasmática desde el mesosoma2 de la célula procariota. Así se explica por qué el compartimento nuclear es topológicamente equivalente al citosol. En las células eucariotas, durante la mitosis la carioteca se desintegra y el contenido nuclear queda en contacto con el citosol, como no ocurre con ningún otro orgánulo. El espacio entre ambas membranas es topológicamente equivalente al exterior celular y es continuo con el lumen del RE.

De esta manera podemos dividir a los principales compartimentos celulares en cuatro grupos:

1. Núcleo y citosol: conectados por los complejos de poro nuclear, por lo que son topológicamente continuos (a pesar de ser funcionalmente diferentes).

2. Orgánulos que actúan en rutas de secreción y de endocitosis: RE, complejo de Golgi, endosomas, lisosomas y vesículas de transporte (más vacuolas en células vegetales). El conjunto de estas estructuras constituye el Sistema de Endomembranas (SE) o Sistema Vacuolar Citoplasmático (SVC).

2 Sitio de unión específico para la molécula de ADN en la membrana plasmática de la célula procariota.

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3. Mitocondrias y posiblemente peroxisomas 4. Plastos en vegetales

SISTEMA DE ENDOMEMBRANAS

Observado con el microscopio óptico, el citoplasma de casi todas las células vivas parece relativamente desprovisto de estructura. Pero a partir del desarrollo del microscopio electrónico en la década del 1940, se pudo conocer la subdivisión del citoplasma en compartimentos rodeados por barreras membranosas.

A los estudios con microscopía electrónica se le sumaron investigaciones bioquímicas en distintos tipos de células y así se demostró que las estructuras membranosas del citoplasma formaban las distintas organelas ya citadas, identificables en diversas células, desde levaduras hasta plantas y animales evolutivamente desarrollados.

El sistema de endomembranas (SE) o sistema vacuolar citoplasmático (SVC), es un sistema tridimensional de tubos, cisternas (bolsas aplanadas) y vesículas de diferentes formas, constituidas por membranas con estructura y composición química semejantes a la membrana plasmática.

Dividen al citoplasma en dos compartimentos: el de la matriz citoplasmática o citosol y el contenido dentro del sistema de endomembranas. Estos dos compartimentos contienen volúmenes similares y se comunican entre sí por mecanismos semejantes a los que existen entre la célula y el medio externo, a través de la membrana plasmática. Estas membranas también presentan permeabilidad selectiva.

Tiene funciones comunes en todas sus partes, como: Compartimentalización del citoplasma y en particular, de los distintos

sistemas enzimáticos. Realizar intercambios con el citosol por permeabilidad selectiva de sus

membranas. Proporcionar vías de conducción intracelular para diversas sustancias. Contribuir al sostén y mantenimiento de la estructura celular.

Los compartimentos del SE tienen diferente concentración de solutos que el citosol y se establecen gradientes de concentración debidos a canales especiales o bombas selectivas que están en sus membranas y que son diferentes de los que están en la membrana plasmática.

La disposición de las cavidades del SE entre sí y en relación a los otros componentes celulares varía, dando como resultado distintos conjuntos de estructuras membranosas, con formas y distribuciones características. Su ubicación en la célula se debe a que están en relación con el citoesqueleto.

El SE está constituido por las organelas membranosas conocidas como: • Retículo endoplasmático liso (REL). • Retículo endoplasmático rugoso (RER). • Complejo de Golgi. • Lisosomas, vacuolas (de mayor desarrollo en células vegetales), endosomas

(estos últimos en las células animales) y vesículas de secreción. • Envoltura nuclear. Todas estas organelas están relacionadas estructural y funcionalmente. Figura 2.

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Figura 2: Distintos compartimentos del Sistema de Endomembranas. Las mitocondrias y los plastos de las células vegetales son organelas

membranosas con un origen diferente y por lo tanto no forman parte del SE. En cuento a los peroxisomas su pertenencia o no a este sistema es discutido.

RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO El Retículo Endoplasmático (RE) se divide en dos categorías: Retículo

Endoplasmático Rugoso (RER) y Retículo Endoplasmático Liso (REL). Ambos retículos constituyen un sistema de membranas que encierran un espacio. En consecuencia, el contenido líquido del citoplasma está dividido por el RE en dos compartimentos: un espacio encerrado dentro de sus membranas, denominado espacio luminar o cisternal, y la región situada por fuera de las membranas, que es el espacio citosólico.

La distinción morfológica entre RER y REL consiste en la presencia de ribosomas unidos en el primero y ausencia de los mismos en el último. Cuando están presentes siempre se encuentran en la superficie que enfrenta el espacio citosólico. El RER aparece como una organela membranosa extensa compuesta principalmente de sacos aplanados (cisternas). Los elementos membranosos del REL son típicamente tubulares y forman un sistema interconectado de tuberías que se incurvan a través del citoplasma en el cual se presentan.

Diferentes tipos de células tiene cantidades notablemente distintas de un tipo de RE o del otro, según las actividades de la célula.

Retículo Endoplasmático Rugoso El RER está íntimamente ligado a la síntesis proteica, encontrándose presente en

la mayoría de las células, al menos en alguna etapa de su vida.

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El RER está usualmente formado por sistemas de cisternas amplias (bolsas aplanadas), paralelas entre sí, con una disposición ordenada, formando pilas de membranas que a veces se comunican directamente por delgados túbulos membranosos. Las dependencias de este sistema vacuolar también se comunican indirectamente a través de vesículas membranosas que se desprenden de alguna región (gemación) y se fusionan en otra. De esta manera, se transfieren de un lado a otro fragmentos de membranas y sustancias contenidas en su interior.

El RER se caracteriza por tener ribosomas adosados a la cara externa de sus membranas, es decir, del lado de la matriz citoplasmática. Los ribosomas son estructuras granulosas, desprovistas de membrana, formados por distintas moléculas de ácidos ribonucleicos (ARN) y proteínas, y son parte fundamental de la maquinaria para la síntesis proteica.

Las proteínas se pueden dividir en dos clases, según el sitio donde se ensamblen en la célula:

1. Un tipo de polipéptido se ensambla en los ribosomas unidos a la superficie externa (citosólica) de las membranas del RER. Este tipo incluye:

a. Proteínas secretadas por la célula, por ejemplo enzimas digestivas del páncreas

b. Proteínas integrales de membrana c. Proteínas de ciertos organelos, incluyendo el complejo de Golgi,

lisosomas, endosomas y vacuolas de plantas. 2. El otro tipo de proteínas se ensambla en ribosomas “libres” y

posteriormente se libera en el citoplasma. Este tipo incluye: a. Proteínas destinadas a permanecer en el citoplasma (como las

enzimas glucolíticas o las proteínas del citoesqueleto). b. Proteínas periféricas de la superficie interna de la membrana

plasmática (como espectrinas y anquirinas, que sólo se unen débilmente a la superficie de la membrana).

c. Proteínas que normalmente se encuentran en corpúsculos microscópicos, cloroplastos y mitocondrias. Este último grupo de proteínas se sintetizan en el citoplasma y luego se importan totalmente formadas a través de la membrana interior del organelo apropiado.

¿Cómo identifica la célula estos dos tipos de proteínas y delimita sus sitios de síntesis? La síntesis de una proteína en un ribosoma rodeado de membrana o en un ribosoma libre depende de la información contenida en la porción N-terminal del polipéptido, que es la primera parte que surge del ribosoma durante la síntesis proteica. Las proteínas secretorias contienen una secuencia de señales especial en el N-terminal que provoca la unión del ribosoma con una membrana del RE y el desplazamiento del polipéptido naciente al interior del espacio cisternal del RE. Esta hipótesis, conocida como hipótesis de la señal, ha sido apoyada por numerosas pruebas experimentales.

La estructura del RE es ideal para cumplir su papel como sitio de entrada a la vía

biosintética de la célula. Su membrana proporciona una gran superficie sobre la cual se pueden fijar muchos ribosomas. La luz del RE proporciona un ambiente local que favorece el plegamiento y ensamblado correctos de proteínas y un compartimiento donde pueden separarse proteínas secretorias, lisosómicas y vacuolares de otras proteínas recién sintetizadas. El aislamiento de proteínas recién sintetizadas en las cisternas del RE prácticamente las elimina del citoplasma y permite enviarlas a su destino final. Este proceso es un claro ejemplo del papel de las membranas en la

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compartimentación del espacio dentro de la célula de modo que puedan separarse los diferentes tipos de actividades.

Biosíntesis de membranas en el retículo endoplasmático Las membranas no se originan de novo, sino que se originan de membranas

preexistentes. Las proteínas y lípidos recién sintetizados se introducen continuamente a las membranas ya existentes, proceso que en su mayor parte ocurre en el RE. Conforme la membrana se desplaza a través de la célula, las enzimas que residen en los diferentes compartimientos de la célula modifican su composición de diferente manera. Por lo tanto, aunque la membrana pueda fluir por medio de vesículas desde el RE, a través del complejo de Golgi hacia la membrana plasmática, las membranas que constituyen cada uno de estos compartimientos tienen su propia composición única y mantienen su identidad propia.

Este flujo continuo de membranas se da por procesos de gemación y fusión de vesículas, desde el RE, hacia el Golgi, hasta la membrana plasmática.

Recordemos que las membranas celulares son asimétricas. Esta asimetría se establece inicialmente en el retículo endoplasmático conforme lípidos y proteínas se incorporan a la bicapa. Como resultado, los componentes situados en la superficie cisternal de la membrana del RE se pueden identificar en la superficie luminar de las vesículas de transporte, la superficie luminal de las cisternas del Golgi y la superficie externa (exoplásmica) de la membrana plasmática.

Retículo Endoplasmático Liso El REL está muy desarrollado en células de tejidos animales como las del

músculo esquelético, túbulos renales y glándulas endócrinas productoras de esteroides. En tejidos vegetales es abundante en células epidérmicas que producen cutina y suberina para la pared celular; en células del tapete de las anteras que fabrican derivados carotenides; o en células ricas en cromoplastos que requieren de la síntesis de carotenoides y de xantófilas.

Dentro de sus funciones se encuentran: - Síntesis de la mayoría de los lípidos de las organelas, vesículas y membrana

plasmática, incluyendo los lípidos de las membranas de las mitocondrias y de los peroxisomas. Además allí se encuentran las enzimas para la síntesis del colesterol y también algunas que lo modifican para dar lugar a hormonas esteroideas.

- Detoxificación en el hígado de gran variedad de compuestos orgánicos, incluyendo, por ejemplo, barbitúricos y etanol.

- En las células animales grandes reservas de glucógeno se encuentran almacenadas en el hígado en forma de gránulos o rosetas unidas a la superficie externa de las membranas del REL. Cuando se requiere energía se produce la degradación del glucógeno (glucogenólisis), liberándose glucosa.

- A través de sus membranas se producen intercambios iónicos activos y pasivos y se crean diferencias de potencial eléctrico y de concentración de iones. Estos gradientes y potenciales son motores del movimiento de otras moléculas, posibilitando funciones tan importantes como la contracción muscular o la secreción de hormonas. En el músculo, por ejemplo, hay una bomba de Ca++ propia del REL que puede acumular altas concentraciones de Ca++ en las vesículas. La rápida liberación de Ca++ posibilita las contracciones del músculo esquelético.

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COMPLEJO DE GOLGI El complejo de Golgi tiene una morfología característica que consiste en

pilas de cisternas aplanadas, paralelas (3 a 7), concéntricas, que generalmente tienen una curvatura, presentando una cara cóncava y otra convexa, estando relacionados con vesículas y túbulos. Las cisternas, limitadas por una membrana, tienen diámetros de entre 0.5 a 1.0 μm. En las células vegetales, una sola pila de Golgi casi siempre se denomina dictiosoma. Puesto que las membranas del Golgi están desprovistas de ribosomas se clasifican como membranas lisas.

Las cisternas que constituyen las pilas del Golgi tienen una orientación polarizada; las más próximas al núcleo y RE, convexas, se consideran de la cara cis (también llamada de entrada o de formación), en tanto que las cisternas del extremo opuesto de la pila, cóncavas, se encuentran en la cara trans (también llamada de salida), siendo la composición diferente de un extremo al otro. La cara trans se considera la cara de maduración o de producción por gemación de vesículas de secreción. Ambas caras están estrechamente asociadas a unos compartimentos especiales, formados por una red de estructuras tubulares y cisternas: la red del cis Golgi (RCG), o compartimento intermediario y la red del trans Golgi (RTG), respectivamente. Las proteínas y los lípidos entran por la red del cis Golgi en agrupaciones túbulo-vesiculares que proceden del RE y salen por la red del trans Golgi en vesículas de transporte con destino a la superficie celular o a otro compartimiento. Se cree que ambas redes son importantes en la clasificación de las proteínas. La proteínas que entran en la RCG pueden o bien seguir a través del Golgi o volver al RE. Las proteínas que salen de la RTG pueden seguir hacia delante y ser clasificadas para cualquier sitio al que sean destinadas, como lisosomas, vesículas de secreción o la superficie celular, o bien ser devueltas al compartimiento anterior.

Una célula individual puede contener desde unas cuantas hasta varios miles de pilas de cisternas, según el tipo de célula. Por ejemplo, el complejo de Golgi es particularmente abundante en células jóvenes metabólicamente muy activas; allí actúan como orgánulos secretores de materiales para la formación de la membrana plasmática durante la división celular y de polisacáridos estructurales de la pared celular, constituyendo las vesículas que al confluir formarán el fragmoplasto.

En cuanto a sus funciones, el complejo de Golgi es el lugar donde se realiza la mayoría de la síntesis de carbohidratos, incluyendo la pectina, hemicelulosa y celulosa de las paredes celulares de las plantas; la mayoría de los proteoglicanos que son secretados para formar la matriz extracelular animal y/o sustancia intercelular de tejidos animales; y de los carbohidratos que, quedando unidos a la membrana plasmática, forman el glucocálix.

Tal como se mencionó, el Golgi también es el lugar de clasificación y distribución de productos del RE, enviándolos principalmente a la membrana plasmática, a los lisosomas o formando vesículas de exportación de productos (secreción).

Una gran parte de los glúcidos que fabrica el Golgi se unen como cadenas de oligosacáridos a las proteínas y lípidos que el RE le envía. Algunos de estos oligosacáridos actúan como señales que dirigen determinadas proteínas hacia vesículas que las enviarán a los lisosomas. No obstante, la mayoría de las proteínas y lípidos, una vez adquiridos los oligosacáridos apropiados en el complejo de Golgi, son reconocidos por otros mecanismos y dirigidos mediante vesículas de transporte a otros destinos. (Figura 3)

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En resumen, algunas funciones del Golgi son: Distribución de los productos del RE, y direccionamiento, especialmente de

proteínas, a las diferentes organelas, a la membrana plasmática y al exterior de la célula.

Glucosilación (o adición de oligosacáridos) de proteínas y de lípidos. Síntesis de polisacáridos de la pared celular de la célula vegetal. Síntesis de proteoglicanos. Concentración y empaquetamiento de proteínas de exportación (a veces se

almacenan). Concentración y empaquetamiento de enzimas hidrolíticas, es decir

formación de lisosomas. Provisión de membranas a través de flujo permanente, desde el RE hacia la

membrana plasmática y también hacia otras organelas.

Figura 3: Esquema de un dictiosoma mostrando la cara de formación (cis) y

de maduración (trans) y micrografía electrónica del mismo.

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ISOSOMAS os lisosomas son compartimientos delimitados por membrana rellenos de

enzima das para la digestión intracelular controlada de macromoléculas. Contie as,

si se

caracteculas,

os

s

e la mayoría de los otros orgánulos celular

stión

superficie celular empiezan con la endocitosis, mediante la cual las células captan macrom este

a

es rtículas, tales como microorganismos o restos celulares, mediante grandes

ste

2. lutos a de las

LLs hidrolíticas usanen unos 40 tipos de enzimas hidrolíticas, entre las que se encuentran proteas

nucleasas, glucosidasas, lipasas, fosfolipasas, fosfatasas y sulfatasas. Todas ellas son hidrolasas ácidas, cuya actividad óptima se expresa a un pH cercano a 5, que es el pH que se mantiene en el interior de los lisosomas. En este sentido el citosol está doblemente protegido contra el ataque de su propio sistema digestivo. Normalmente, la membrana del lisosoma mantiene las enzimas alejadas del citosol, pero inclusoproduce alguna fuga la dependencia ácida de la actividad de estas enzimas protege el contenido del citosol, cuyo pH es de aproximadamente 7.2.

Como en el caso de otros orgánulos intracelulares, el lisosoma no sólo contieneuna dotación característica de enzimas sino también una membrana envolvente

rística. Por ejemplo, la membrana lisosómica contiene proteínas de transporte que permiten que se escapen los productos finales de la digestión de macromolécomo los aminoácidos, los azúcares y los nucleótidos, de tal manera que estos productpuedan ser excretados o reutilizados por la célula. También contiene una bomba de protones que utiliza la energía de hidrólisis del ATP para bombear H+ al interior del lisosoma, manteniendo así el lumen a un pH ácido. La mayoría de las proteínas de la membrana lisosómica están altamente glucosiladas3, lo cual puede ayudar a protegerlafrente a las proteasas lisosómicas del lumen.

Los lisosomas muestran una notable heterogeneidad en cuanto a su morfología, lo cual contrasta con la uniformidad relativa d

es. La diversidad refleja la amplia variedad de funciones digestivas mediadas porlas hidrolasas ácidas, como la digestión de desechos intra y extracelulares, la digede microorganismos fagocitados e incluso la nutrición celular. Por esta razón, a veces se considera a los lisosomas como una colección heterogénea de orgánulos distintos cuya característica común es un elevado contenido en enzimas hidrolíticas.

En las células animales, las rutas que llevan hacia los lisosomas desde la

oléculas, sustancias particuladas y, en casos especiales, otras células. En proceso, el material que va ser ingerido es rodeado progresivamente por una pequeñporción de la membrana plasmática, que primero se invagina y luego se estrangula formando una vesícula endocítica que contiene el material o partícula ingeridos. En función del tipo de vesículas que se forman, se pueden distinguir dos tipos de endocitosis:

1. Fagocitosis o “ingestión celular”: comprende la ingestión de grandpavesículas o fagosomas (generalmente de diámetro mayor a 0.25 μm). Eproceso lo llevan a cabo células fagocíticas especializadas, como los neutrófilos y macrófagos, células sanguíneas de los vertebrados. Pinocitosis o “bebida celular”: implica la ingestión de fluidos y de sovía pequeñas vesículas, de un tamaño de 0.1 a 0.2 μm. La mayorícélulas eucariotas ingieren continuamente fluidos y solutos por pinocitosis.

3 Unidas a oligosacáridos.

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Este tipo de endocitosis se puede dividir de manera muy general en dos categorías:

a. endocitosis a granel: consiste en la captación de líquidos ce.

ambién

secreción

b. consiste en la captación

y

celular.

s,

La Autofagia: constituye una tercer vía que entrega materiales para su digestión

en lnas

o,

NDOSOMAS ducto de la endocitosis, generalmente se fusionan con los

endoso tipo

los

IGESTIÓN INTRACELULAR as vesículas endosomales, fusionándose las

membr atacan

s, aminoácidos y nucleótidos, resulta l

les.

extracelulares que la superficie de la membrana no reconoCualquier molécula, grande o pequeña, incluida en el líquido tpenetra a la célula. Puede ocurrir de manera continua en muchos tipos de células y su función primaria puede centrarse en la recuperación de membrana plasmática luego de períodos de o durante el ingreso de líquido extracelular. endocitosis mediada por receptores (EMR): de macromoléculas extracelulares específicas (ligandos) luego de unirse a receptores en la superficie exterior de la membrana plasmática. Proporciona un medio para la captación selectivaeficiente de macromoléculas que pueden estar presentes en concentraciones relativamente bajas dentro del líquido extraConstituye un mecanismo muy refinado destinado a llevar al interiorde la célula una cantidad de moléculas específicas, que en general son portadoras de un mensaje. Estas moléculas pueden ser hormonafactores de crecimiento, enzimas y proteínas plasmáticas, para los cuales las células cuentan con los receptores específicos.

os lisosomas. Corresponde a la destrucción de partes obsoletas de la propia célula. El proceso de digestión supone que el orgánulo sea envuelto por membraderivadas del RE, generándose un autofagosoma. Se cree que el autofagosoma se fusiona con un lisosoma (o un endosoma tardío). El proceso está altamente reguladde forma que durante la remodelación celular se pueden seleccionar diferentes componentes celulares y ser destinados a su destrucción. (Figura 4)

ELas vesículas promas, que son un conjunto de vesículas y túmulos presentes en las células de

animal. Los endosomas se dividen en dos tipos de compartimientos: los endosomas tempranos, que son los recién formados y están cerca de la membrana plasmática, y endosomas tardíos, más alejados de la membrana plasmática. Son diferentes de los lisosomas por su contenido en enzimas y su menor grado de acidez; en ellos tambiénhay una bomba de H+ que mantiene un pH ácido (~6), aunque no tan bajo como el de los lisosomas. A veces, los materiales volcados en los endosomas tempranos son descargados en los tardíos. Allí comenzaría la digestión celular.

DLos lisosomas primarios van hacia lanas respectivas. Así se forman cuerpos de mayor tamaño, los lisosomas

secundarios, que contienen gran cantidad y variedad de enzimas hidrolíticas queel material incorporado, degradándolo a partículas simples. A estas vesículas también se las llama vacuolas digestivas o heterofagosomas.

Las moléculas simples como monosacáridontes de la digestión, pueden pasar al citoplasma a través de la membrana de

lisosoma secundario o vacuola digestiva, gracias a proteínas transportadoras especia

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Si quedan porciones sin digerir y se mantienen las vacuolas, constituirán los cuerpos residuales, que se van acumulando en el citoplasma a medida que la célula envejece.

Figura 4: Esquema que muestra la ruta para la digestión intracelular (en este caso

para la autofagia) SECRECIÓN CELULAR Secreción es la descarga, a través de la membrana celular, de moléculas

sintetizadas por una célula que desempeña su función fuera de la misma. La secreción celular es una de las principales funciones del complejo de Golgi.

Este complejo mantiene un flujo constante de vesículas de transporte destinadas a la membrana plasmática. La fusión de estas vesículas con la membrana celular se llama exocitosis. Es decir que la membrana plasmática recibe aporte de endomembranas gracias a este proceso de exocitosis. El aumento de la superficie de la membrana suele estar compensado por un proceso de endocitosis que mantiene relativamente estable la superficie celular.

En general, todos los procesos de secreción activa requieren de un aumento en la concentración del Ca2+ intracelular.

Existen dos tipos de secreción celular: Secreción constitutiva: es la secreción por exocitosis de fosfolípidos y proteínas de membrana, como así también de proteoglucanos y glucoproteínas de la matriz extracelular. Esta es una ruta de secreción no selectiva. Dado que la entrada en esta ruta no requiere ninguna señal particular, también se denomina vía por defecto. Así, parece que cualquier proteína o lípido del lumen del complejo de Golgi es automáticamente arrastrada por la vía constitutiva a menos que sea devuelta específicamente al RE, sea retenida

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como proteína residente en el propio complejo de Golgi o sea seleccionada para las rutas que conducen a la secreción regulada o a los lisosomas.

Secreción regulada: requiere de señales químicas para que la exocitosis se produzca. Esta vía se encuentra en células especializadas en secretar rápidamente productos cuando son necesarios (como hormonas, neurotransmisores o enzimas digestivas). En este caso las proteínas solubles y otras sustancias se almacenan primero en vesículas de secreción.

ENVOLTURA NUCLEAR La envoltura nuclear (también llamada carioteca) encierra el ADN y define el

compartimiento nuclear. Esta envoltura está formada por dos membranas concéntricas que están perforadas por complejos de poro nuclear. A pesar de que la membrana nuclear interna y la externa son un continuo, presentan una composición proteica diferente. La membrana nuclear interna contiene proteínas que actúan como lugares de unión específicos de la cromatina y de la red proteica de la lámina nuclear, que aporta soporte estructural a la membrana. La membrana nuclear interna está rodeada por la membrana nuclear externa, que es continua con la membrana del RE, y está tapizada por ribosomas que realizan síntesis de proteínas. Las proteínas producidas por estos ribosomas son transportadas al espacio que queda entre las membranas nuclear interna y externa (el espacio perinuclear), el cual, a su vez, es continuo con la luz del RE.

Existe un tráfico bidireccional continuo entre el citosol y el núcleo. La gran cantidad de proteínas que actúan en el núcleo –incluyendo las histonas,, las ADN y ARN polimerasas, las proteínas reguladoras de los genes y las proteínas de procesamiento del ARN- son importadas de forma selectiva desde el citosol, donde son fabricadas, hasta el compartimiento nuclear. Al mismo tiempo, los ARNt y los ARNm son sintetizados en el compartimiento nuclear y luego son exportados al citosol. Al igual que el proceso de importación, el proceso de exportación es también selectivo; por ejemplo, los ARNm sólo son exportados si han sido modificados correctamente en el núcleo por reacciones de procesamiento de ARN. En algunos casos, el proceso de transporte es complejo: por ejemplo, las proteínas ribosómicas son fabricadas en el citosol, importadas al núcleo –donde se ensamblan con ARN ribosómicos recién fabricados, formando partículas- y luego son exportados de nuevo al citosol como parte de una subunidad ribosómica; cada uno de estos pasos implica un transporte selectivo a través de la envoltura nuclear.

En todas las células eucariotas la envoltura nuclear está perforada por los complejos de poro nuclear. Se cree que están formados por más de 50 proteínas diferentes, denominadas nucleoporinas, ordenadas según una sorprendente simetría octogonal.

En general, cuanto más activa sea la transcripción nuclear, mayor será el número de complejos de poro presentes en la envoltura nuclear. La envoltura nuclear de una célula típica de mamífero contiene entre 3000 y 4000 complejos de poro. Si la célula está sintetizando ADN, necesita importar aproximadamente 106 moléculas de histona desde el citoplasma cada 3 minutos para poder empaquetar el ADN recién sintetizado en forma de cromatina, lo cual significa que, por término medio, cada poro ha de transportar alrededor de 100 moléculas de histona por minuto. Si la célula está creciendo rápidamente, cada poro también ha de transportar por término medio 6 subunidades ribosómicas mayores y menores recién ensambladas por minuto desde el núcleo, donde son producidas, hasta el citosol, donde son utilizadas.

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Cada complejo de poro presenta uno o más canales acuosos abiertos, a través de los cuales pueden difundir pasivamente las moléculas pequeñas solubles en agua. Dado que muchas proteínas celulares son demasiado grandes para pasar por difusión a través de los complejos de poro nuclear, la envoltura nuclear permite que el compartimiento nuclear y el citosol mantengan diferentes conjuntos de proteínas. Para que sean transportadas moléculas específicas de gran tamaño se requiere de la unión a proteínas receptoras que las transportan activamente a través de los complejos de poro. Por ejemplo, las proteínas nucleares son dirigidas hacia el núcleo mediante señales de localización nuclear, consistentes en ciertas secuencias de aminoácidos, las cuales a su vez han de ser reconocidas por receptores de importación al núcleo. La exportación del núcleo funciona como la importación, pero en el sentido opuesto.

La lámina nuclear es una red de subunidades proteicas interconectadas, denominadas también láminas nucleares. Las láminas son un tipo especial de filamentos intermedios que polimerizan formando una red bidimensional.. La lámina nuclear da forma y estabilidad a la envoltura nuclear, a la cual se halla anclada por la unión de los porors nucleares y proteínas integrales de membrana de la membrana nuclear interna. La lámina también interacciona directamente con la cromatina, que a su vez lo hace con proteínas integrales de la membrana nuclear interna. Junto con la lámina, estas proteínas de membrana actúan como unión estructural entre el ADN y la envoltura nuclear.

Cuando el núcleo se desorganiza durante la mitosis, la lámina nuclear se despolimeriza. Los complejos de poro nuclear también se desensamblan y se dispersan en el citosol. Las proteínas de membrana de la envoltura nuclear –ya no unidas a los complejos de poro, cromatina o lámina nuclear- difunden en la membrana del RE. En conjunto, estos fenómenos provocan la rotura de las barreras que normalmente separan el núcleo y el citosol, de forma que las proteínas nucleares, que ya no están unidas ni a las membranas ni a los cromosomas, se diluyen en el citosol de la célula en división.

Posteriormente en la mitosis (en la anafase tardía), la envoltura nuclear se reorganiza sobre la superficie de los cromosomas, a medida que las proteínas de la membrana nuclear interna y las láminas se unen de nuevo a la cromatina. Las membranas del RE rodean grupos de cromosomas y continúan fusionándose hasta que se forma de nuevo la envoltura nuclear cerrada. Durante este proceso los complejos de poro nuclear también se vuelven a ensamblar y se inicia la reimportación activa de proteínas que presentan secuencias de localización nuclear. (Figura 5)

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Figura 5: Envoltura nuclear. A la izquierda se muestra complejos de proteínas y

ARN saliendo por los poros de la membrana nuclear. A la derecha se muestra la correspondiente micrografía electrónica.

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Barcelona, 2004. Campbell, N.A., Mitchell, L.G. & Reece, J.B. Biología. Conceptos y relaciones. 3°

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