Organización general de las células: Citosol y sistema de

Organización general de las células: Citosol y sistema de endomembranas
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Tema 10. El sistema de endomembranas de la célula. Componentes. La compartimentalización del
citoplasma. Retículo endoplásmico: Morfología, distribución y variedades. Retículo endoplásmico
liso y rugoso: estructura, organización y significado funcional.
1. El sistema de endomembranas de la célula
Observado con microscopía óptica, el citoplasma de casi todas las células parece relativamente
desprovisto de estructura. Pero ya antes de empezar el siglo XX, el examen de cortes de tejido
adecuadamente teñidos indicaba la presencia de una extensa red de membranas dentro del citoplasma. Sin
embargo, no fue hasta el desarrollo del microscopio electrónico, en la década de los 40, cuando los biólogos
comenzaron a apreciar las diversas disposiciones de las estructuras membranosas presentes en el
citoplasma de la mayor parte de las células eucariotas. Se observaban vesículas rodeadas de membranas
de diámetros diferentes que contenían materiales de diversa densidad electrónica, largos canales enlazados
por membranas que se ramifican a través del citoplasma para formar una red interconectada de conductos y
pilas de sacos aplanados rodeados de membranas llamadas cisternas.
De los estudios con microscopía electrónica y bioquímicos que siguieron fue cada vez más evidente que
el citoplasma de las células eucariotas estaba subdividido en varios compartimientos rodeados por
membranas. Conforme se examinaron más tipos de células se demostró que las estructuras membranosas
del citoplasma formaban distintas organelas identificables en diversas células a lo largo de la escala
filogenética.
2. Componentes
Para entender la relación existente entre los compartimientos de la célula, resulta útil considerar
cómo pueden haber evolucionado. Parece ser que los precursores de las primeras células eucariotas fueron
organismos parecidos a bacterias; que, generalmente, tienen membrana plasmática pero no membranas
internas. Por tanto, la membrana plasmática realiza todas las funciones dependientes de membrana, como:
bombeo de protones, síntesis de ATP, síntesis de lípidos, etc. No obstante las células eucariotas actuales
tienen un tamaño 10-30 veces mayor y un volumen 1.000-10.000 veces mayor que una bacteria típica. Se
puede suponer, que la profusión de membranas internas responde en parte a una adaptación a este
incremento en tamaño. Las células eucariotas tienen una relación entre superficie y volumen mucho menor;
de forma que probablemente el área de su membrana plasmática es muy pequeña para contener la gran
cantidad de funciones vitales ligadas a membrana que presenta una célula.
Evidentemente, la evolución de las membranas internas ha sido paralela a la especialización de la
función de las membranas. En algunas bacterias existen zonas especializadas de membrana plasmática
que presenta una colección determinada de proteínas de membrana que realizan funciones relacionadas y
que representan orgánulos primitivos (p. ej., la membrana púrpura con bacteriorrodopsina en Halobacterium
o los cromatóforos en bacterias fotosintéticas). En algunas bacterias fotosintéticas, estas zonas de
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membranas se han transformado en invaginaciones de la membrana plasmática; mientras que en otras
bacterias parece que estas invaginaciones se han separado completamente de la membrana plasmática
formando vesículas cerradas intracelulares rodeadas de membrana, especializadas en la fotosíntesis. Por
tanto, un orgánulo eucariota que se haya originado por este procedimiento tendrá un interior
topológicamente equivalente al exterior celular; como es el caso del RE, complejo de Golgi, endosomas,
lisosomas y vesículas de transporte. Así, se puede pensar que todos estos orgánulos son miembros de la
misma familia y que su interior se comunica intensamente entre sí y con el exterior de la célula, vía
vesículas de transporte.
En las bacterias los ribosomas están unidos a la cara citosólica de la membrana plasmática; por lo
que el origen evolutivo de la membrana del RE a partir de la membrana plasmática explicaría por qué en las
células eucariotas los ribosomas están unidos a la membrana del RE.
Así pues, el sistema de endomembranas está compuesto por los siguientes orgánulos:
•
Retículo endoplasmático:
•
Complejo de Golgi.
•
Endosomas.
•
Lisosomas.
•
Vacuolas (vegetales).
-
Liso.
-
Rugoso.
La envoltura nuclear también puede considerarse parte del sistema de endomembranas; ya que se
continúa con el retículo endoplásmico, y es sitio de síntesis de proteínas de membrana. Sin embargo, no es
un orgánulo citoplasmático y su principal papel es regular el flujo de material entre el núcleo y citoplasma.
Considerados en conjunto estos orgánulos forman un sistema de endomembranas estructural y
funcionalmente interrelacionadas. Otros orgánulos membranosos del citoplasma son: mitocondrias,
peroxisomas y cloroplastos.
3. La compartimentalización del citoplasma
Aunque el microscopio electrónico puede suministrar imágenes muy detalladas de las partes de una
célula, son imágenes congeladas en el tiempo. Ya que las células realizan procesos dinámicos, debemos
poner en acción nuestra imaginación. Muchos estudios muestran que casi todos los orgánulos
membranosos del citoplasma forman parte de una red dinámica integrada en la cual se intercambian
materiales de una parte a otra de la célula en ambos sentidos. En la mayoría de los casos, los vehículos de
transporte entre orgánulos, p. ej., del retículo endoplásmico al complejo de Golgi, son minúsculas vesículas
de transporte que se forman por gemación a partir de un compartimiento membranoso. Estas vesículas se
mueven a través del citoplasma de manera dirigida, con frecuencia a lo largo de vías formadas por
elementos del citoesqueleto, y luego se fusionan con la membrana de un compartimiento diferente que
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acepta tanto la carga soluble de la vesícula como su envoltura membranosa. Ciclos repetidos de gemación
y de fusión desplazan materiales a lo largo de las vías a través de la célula.
Se han identificado diversas vías en el citoplasma. Una vía biosintética en la que se sintetizan
materiales en el retículo endoplásmico o en el complejo de Golgi, se modifican durante su paso a través del
complejo de Golgi y se transportan en el citoplasma a diferentes destinos, como la membrana plasmática,
un lisosoma, o la vacuola de una célula vegetal. Esta ruta se conoce como vía secretora (incluye flujo de
lípidos, carbohidratos y proteínas), pues gran parte de los materiales sintetizados en el retículo
endoplásmico o en el complejo de Golgi están destinados a ser descargados (secretados) hacia el medio
extracelular.
Las actividades secretoras de las células se dividen en dos tipos:
a) Secreción constitutiva: se transportan materiales desde su sitio de síntesis y se descargan al espacio
extracelular de manera continua, no regulada. La mayor parte de las células realizan este tipo de
secreción, proceso que contribuye no sólo a la formación de matriz extracelular, sino también de la
propia membrana plasmática.
b) Secreción regulada: se secretan y almacenan materiales en gránulos de secreción rodeados de
membrana en las regiones periféricas del citoplasma y sólo se descargan en respuesta a un estímulo
apropiado. Este tipo de secreción ocurre p. ej., en células que producen y liberan hormonas o enzimas
digestivas y en células nerviosas que liberan neurotransmisores.
Así como, la vía secretora desplaza materiales hacia el exterior de la célula, la vía endocítica funciona
en dirección opuesta llevando materiales del exterior de la célula y desde la superficie de la membrana
plasmática a compartimientos como los endosomas y lisosomas del citoplasma celular.
El movimiento de vesículas y de los materiales encerrados en ellas a lo largo de diferentes vías
dentro de una célula es análogo a los movimientos de vehículos que llevan diferentes tipos de carga a lo
largo de las calles de una ciudad. Ambos tipos de transporte requieren unas normas de tráfico para
garantizar que los materiales destinados a diferentes localizaciones sean entregados con precisión en los
sitios apropiados. La clasificación de las proteínas con diferente dirección se facilita por receptores
residentes en las paredes de la vesícula de transporte que reconocen proteínas destinadas a sitios
particulares.
Como hemos visto, los primeros estudios con microscopía electrónica suministraron a los biólogos
una descripción detallada del citoplasma de las células con muy poca atención a las funciones de las
estructuras observadas. Para definir las funciones del sistema de endomembranas fue necesario desarrollar
nuevas técnicas y efectuar experimentos innovadores.
Así mediante la técnica de autorradiografía (Jamieson y Palade) se pudo responder a la pregunta
de: ¿dónde se sintetizan las proteínas secretoras en las células y como llegan a la superficie celular dónde
serán descargadas?
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Para determinar los sitios donde se sintetizan las proteínas de secreción se incuban durante un
breve periodo secciones de tejido en solución con aminoácidos radiactivos. Durante este tiempo los
aminoácidos marcados fueron captados por las células vivas e incorporados a las proteínas conforme se
ensamblan en los ribosomas. Los tejidos se fijaron y las proteínas sintetizadas durante la incubación con
aminoácidos radiactivos se determinaron mediante autorradiografía. Esta técnica reveló que el retículo
endoplásmico es el sitio donde se sintetizan las proteínas de secreción.
Para determinar la vía que siguen las proteínas secretoras dentro de la célula desde su sitio de
síntesis hasta donde se descargan. Realizaron experimentos de “seguimiento de pulsos”; después de
incubar el tejido durante un corto periodo con aminoácidos radiactivos (pulso), lo transfirieron a un medio
con aminoácidos no marcados (seguimiento), periodo durante el que las proteínas sintetizadas no
incorporan radiactividad. Cuanto más largo es el periodo de seguimiento más lejos llegan las proteínas
sintetizadas durante el periodo de pulso a partir del sitio de síntesis en la célula. Con esta técnica se pueden
seguir los movimientos de moléculas recién sintetizadas siguiendo una onda de material radiactivo que se
desplaza a través de los compartimientos membranosos del citoplasma de la célula y que, por tanto, reúne
a compartimientos membranosos aparentemente separados, en una unidad funcional integrada.
La microscopía electrónica y la autorradiografía proporcionan información sobre la estructura y
función de los orgánulos celulares, pero no suministra datos sobre la composición bioquímica de estas
estructuras. Las técnicas de fraccionamiento celular (Claude y De Duve) permiten fragmentar una célula por
homogeneización, rompiéndose las membranas citoplasmáticas y los extremos de los fragmentos de
membrana se fusionan para formar vesículas esféricas menores de 100 nm de diámetro. Entre los
diferentes tipos de vesículas membranosas, las del sistema de endomembranas forman un grupo
heterogéneo de vesículas de tamaño similar conocidas como microsomas. Las vesículas aisladas de la
fracción microsómica mantienen un notable grado de su actividad original en la célula. Así, además de su
composición bioquímica, se pueden determinar muchas de sus capacidades funcionales, como su actividad
enzimática o su capacidad de secreción.
4. Retículo endoplásmico. Morfología, distribución y variedades
Todas las células eucariotas tienen retículo endoplásmico (RE). Normalmente, su membrana
constituye más de la mitad del total de las membranas de la célula. Forma una red laxa y laberíntica de
túbulos y sáculos (o cisternas) aplanados y ramificados, que se anastomosan entre sí; tendiendo a
disponerse paralelamente donde son abundantes. Existen evidencias de que se encuentra interconectados
entre sí, extendiéndose por todo el citoplasma; de modo que la membrana del RE forma una lamina
continua que define un único espacio interno; este espacio, altamente intrincado, se denomina lumen, o
espacio luminal o cisternal del RE y, a menudo, ocupa más del 10% del volumen celular total. La
membrana del RE separa el lumen del RE del citoplasma, y media la transferencia selectiva de
determinados compuestos entre estos dos compartimientos. El RE es un sistema canalicular intracelular
cerrado, que no se abre normalmente en la superficie celular; sin embargo, se continúa con la membrana
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externa de la envoltura nuclear; así, el espacio situado entre las dos membranas que rodean al núcleo
puede considerarse como una cisterna, perinuclear, del RE.
El RE desempeña un papel fundamental en la biosíntesis celular. Su membrana es lugar de
producción de todas las proteínas de transmembrana y lípidos de la mayoría de los orgánulos celulares:
incluido el propio RE, complejo de Golgi, lisosomas, endosomas, vesículas secretoras y membrana
plasmática. La membrana del RE también contribuye de forma importante a la formación de las
membranas de las mitocondrias y peroxisomas, ya que produce los lípidos de estos orgánulos. Además,
todas las proteínas de secreción al exterior celular, y las que acabaran en el lumen del RE, en el complejo
de Golgi o en los lisosomas, son inicialmente transportadas al lumen del RE.
El RE se divide en dos categorías muy amplias: retículo endoplásmico rugoso (RER) y retículo
endoplásmico liso (REL). La distinción morfológica entre RER y REL consiste en la presencia en el
primero de gránulos densos de ribonucleoproteína, ribosomas, que están implicados en la síntesis de
proteínas y que cuando están presentes, siempre se encuentran en la superficie del espacio citosólico.
5. Retículo endoplásmico rugoso y liso: estructura, organización y significado funcional
5.1. Retículo endoplásmico rugoso
El RER aparece como un orgánulo membranoso extenso compuesto principalmente de sacos
aplanados o cisternas separados por un espacio citosólico. Las micrografías electrónicas muestran el
espacio cisternal del RER dividido en compartimientos separados, pero se cree que todas las cisternas de
RER se comunican entre sí y que el espacio cisternal es continuo entre ellas.
La luz del RER varía mucho de 20-40 nm hasta 1 µm cuando la luz de la cisterna queda muy
dilatada por el contenido. Las membranas del RER son más delgadas que la plasmática, miden unos 7 nm
en vez de los 10 nm que es el espesor habitual de la membrana plasmática. La bicapa lipídica es también
más delgada, pues las cadenas de fosfolípidos del RER son menos largas y están menos saturadas que las
de la membrana plasmática. Las membranas del RER constan de un 30% de lípidos y un 70% de proteínas,
teniendo un mayor contenido en proteínas que la membrana plasmática.
Igual que en la membrana plasmática, hay una asimetría en la distribución de los fosfolípidos. Así, la
capa lipídica interna (hemimembrana E o exoplasmática) es más rica en fosfatidil-colina y en
esfingomielina que la externa (hemimembrana P o protoplasmática), la cual es más rica en fosfatidiletanolamina y fosfatidil-serina que la interna.
Los ribosomas se fijan a la membrana del RER por la subunidad mayor. La fijación ocurre en
proteínas específicas del RER denominadas receptor del ribosoma, pero sólo se unen a la membrana del
RER aquellas moléculas de mRNA que codifican proteínas con un péptido señal específico para su
reconocimiento por dicha membrana.
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5.1.1. Significado funcional
La misión del RER es el almacenamiento de las proteínas sintetizadas por los ribosomas para su
glicosilación. Las proteínas sintetizadas por los ribosomas libres no se glicosilan, no son empaquetadas y
permanecen en el hialoplasma. Si han de pasar a algún orgánulo, lo hacen a través de la membrana del
orgánulo por un sistema de bombeo. Existen, sin embargo, algunas evidencias de glucoproteínas en el
hialoplasma o en el nucleoplasma.
Las proteínas que se almacenan en el RER se utilizan con diversos fines:
•
Formación de membranas citoplasmáticas: RER y REL, envoltura nuclear y complejo de
Golgi, junto con las enzimas que forman parte de estas membranas o que están contenidas en
ellas.
•
Secreción celular: Proteínas sintetizadas en el RER pasan al complejo de Golgi y desde éste
se emiten en el interior de vesículas de secreción que se unen a la membrana plasmática,
vertiendo el contenido por exocitosis (secreción constitutiva y regulada).
•
Enzimas lisosómicas (hidrolasas ácidas).
•
Posiblemente, participa en la formación de la membrana de los peroxisomas.
5.2. Retículo endoplásmico liso
Generalmente, la diferencia fundamental del REL con el RER es la ausencia de ribosomas
adheridos a sus membranas. Además, los elementos membranosos del REL son típicamente tubulares y no
cisternas, formando un sistema interconectado a través del citoplasma. Sin embargo, esta configuración
tiene muchas excepciones. En muchos tipos celulares (células germinales masculinas, músculo estriado
esquelético y cardiaco, etc.) el REL también forma cisternas, además de túbulos. En otros casos (células de
Sertoli) el REL y RER no establecen solución de continuidad, pasando bruscamente de uno a otro, u
observándose cisternas que presentan ribosomas en una superficie y no en la otra (túbulos cribosos y
células acompañantes de vegetales).
Las membranas del REL tienen las mismas dimensiones que las del RER y similar composición,
pero no idéntica. Comparando con el RER, posee más lípidos (hay más esfingomielina y colesterol) y
menos proteínas. Las proteínas específicas del REL varían de una célula a otra según las funciones
particulares del orgánulo.
Todo esto lleva a pensar que, efectivamente, el RE es un sistema dinámico de membranas común,
que puede especializarse en la síntesis proteíca, formando el RER, o en otras funciones que son
características del REL.
5.2.1. Significado funcional
En la membrana del REL se encuentran enzimas que intervienen en una amplia variedad de
procesos. Las funciones mejor conocidas son:
•
Síntesis de lípidos: fosfolípidos y colesterol de membranas celulares.
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Participación en la síntesis de derivados lipídicos:
-
Hormonas esteroideas.
-
Lipoproteínas.
-
Quilomicrones intestinales.
-
Ácidos biliares.
Detoxificación: muchas sustancias tóxicas liposolubles exógenas y del metabolismo celular, se
degradan en el REL. Las sustancias tóxicas se inactivan en la membrana del REL mediante
reacciones de oxidación y conjugaciones. La reacción detoxificante más importante se realiza
mediante el sistema del citocromo P450.
•
Secuestro de iones calcio dentro del espacio cisternal: la liberación regulada de Ca2+ por el REL
(retículo sarcoplásmico en células musculares) desencadena respuestas celulares específicas,
incluyendo la contracción de las células musculares.