Biología celular y molecular : Principales Organelos

Teoría celular

En 1838, Matthias Schleiden, un abogado alemán que se convirtió en botánico, concluyó que a pesar de la diferencia en la estructura de varios tejidos, las plantas estaban hechas de células y que el embrión de la planta proviene de una sola célula. En 1839, Theodor Schwann, un zoólogo alemán y colega de Schleiden, publicó un informe detallado sobre las bases celulares del mundo animal. Schwann concluyó que las células de plantas y animales son estructuras similares y propuso estos dos principios de la teoría celular:

■ Todos los organismos están compuestos de una o más células.

■ La célula es la unidad estructural de la vida.

Las ideas de Schleiden y Schwann sobre el origen de las células son menos profundas; ambos están de acuerdo que éstas podrían originarse de materiales acelulares. Dada la importancia que tuvieron estos dos investigadores en el mundo cientíﬁco, fue necesario que pasaran muchos años para que las observaciones de otros biólogos, respecto de que las células no se forman por generación espontánea, se aceptaran. Para 1855, el patólogo alemán Rudolf Virchow había formulado un argumento convincente para el tercer postulado de la teoría celular:

■ Las células sólo pueden originarse por división de una célula preexistente.

Propiedades básicas de las células

Las células son muy complejas y organizadas. La complejidad es una propiedad que es evidente cuando se encuentra, pero que es difícil de describir. En este momento es posible pensar sobre la complejidad en términos de orden y consistencia. Cuanto más compleja sea una estructura, mayor es el número de partes que deben estar en el lugar adecuado, menor la tolerancia a errores en la naturaleza e interacciones de las partes y mayor la regulación o control que se debe ejercer para mantener el sistema.

Las células poseen un programa genético y los medios para usarlo. Los organismos están construidos de acuerdo con la información codiﬁcada en un grupo de genes. El programa genético humano contiene suﬁciente información para llenar millones de páginas de un texto, si se codiﬁcara en palabras. Resulta relevante que esta gran cantidad de información está empaquetada dentro de un grupo de cromosomas que ocupan el espacio del núcleo celular: cientos de veces más pequeño que el punto de esta i.

Las células son capaces de reproducirse. Las células, al igual que otros organismos, se generan por reproducción. Las células se reproducen por división, un proceso en el cual el contenido de una célula “madre” se distribuye dentro de dos células “hijas”. Antes de la división, el material genético se duplica con éxito y cada célula hija comparte la misma información genética. En la mayoría de los casos, las dos células hijas tienen el mismo volumen.

Las células obtienen y utilizan energía. Las células invierten una enorme cantidad de energía tan sólo en degradar y reconstruir las macromoléculas y los organelos de los que están hechas. Este continuo “recambio”, como se le llama, mantiene la integridad de los componentes celulares en virtud de los inevitables procesos de desgaste y rotura, y permite a la célula reaccionar con rapidez a las condiciones cambiantes.

Las células llevan a cabo diferentes reacciones químicas. Por lo general, todos los cambios químicos que se efectúan en las células necesitan enzimas, moléculas que incrementan la velocidad a la que ocurre una reacción química. La suma total de las reacciones químicas en una célula representa el metabolismo celular.

Las células se ocupan de numerosas actividades mecánicas. Estos tipos de actividades se basan en cambios intracelulares mecánicos y dinámicos intracelulares, la mayoría de ellos iniciados por cambios en la estructura proteínica “motora”. Las proteínas motoras son sólo uno de los muchos tipos de “máquinas” moleculares empleadas por la célula para llevar a cabo actividades mecánicas.

Las células son capaces de reaccionar a estímulos. La mayor parte de las células está cubierta de receptores que interactúan con sustancias en el ambiente en una forma muy especíﬁca. Las células poseen receptores para hormonas, factores de crecimiento, materiales extracelulares, así como sustancias localizadas en la superﬁcie de otras células. Los receptores de las células proveen las vías a través de las cuales los agentes externos pueden iniciar reacciones especíﬁcas en la célula diana.

Las células son capaces de autorregularse. Además de necesitar energía, el mantenimiento de un estado complejo y ordenado exige regulación constante. La importancia de los mecanismos de regulación celular es más evidente cuando las células se dañan.

Las células evolucionan. ¿Cómo surgieron las células? Se piensa que las células proceden de algunas formas de vida precelular, las cuales a su vez se originaron de materiales orgánicos sin vida que estuvieron presentes en los océanos primordiales. No obstante, proceden de una célula ancestral común que vivió hace más de tres mil millones de años.

Virus

Ciertas enfermedades eran secundarias a agentes patógenos más pequeños y, de modo presumible, más simples que las bacterias diminutas que se conocían. Estos patógenos se conocieron como virus.

Los componentes que formaron los cristales tenían una estructura muy ordenada, bien deﬁnida y eran mucho menos complejos que las células más simples. Stanley concluyó de manera errónea que el virus del mosaico del tabaco (TMV) era una proteína. De hecho, el TMV es una partícula semejante a un bastón que consiste en una sola molécula de RNA cubierta por una capa helicoidal compuesta de subunidades proteicas.

Los virus provocan una docena de enfermedades humanas, entre ellas el sida, poliomielitis, inﬂuenza, exantemas, sarampión y algunos tipos de cáncer (véase sección 16.2). Los virus se presentan en una amplia variedad de formas, tamaños y estructuras, si bien comparten ciertas características comunes. Todos los virus son parásitos intracelulares obligados, esto es, no se pueden reproducir a menos que se encuentren dentro de una célula hospedadora.

Fuera de las células vivas, los virus existen como partículas, o viriones, que son una especie de paquete macromolecular. El virión contiene una cantidad pequeña de material genético que, en relación con el virus del que se trate, puede ser un DNA o RNA de cadena sencilla o doble.

El material genético del virión está rodeado por una cápsula proteínica, o cápside. Los viriones son agregados macromoleculares, partículas inanimadas que por sí mismas son incapaces de reproducirse, metabolizar o realizar cualquier otra de las actividades relacionadas con la vida. Por ello, los virus no se consideran organismos y no se les describe como seres vivos.

Existen dos tipos básicos de infección viral.

1) En la mayor parte de los casos, los virus secuestran las actividades de síntesis normales de la célula hospedadora y las reorientan para utilizar los materiales disponibles para elaborar ácidos nucleicos virales y proteínas que forman un virión nuevo. Por último, la célula infectada se disuelve (lisis) y libera una nueva generación de partículas virales capaces de infectar a las células próximas.

2) En otros casos, el virus infectivo no causa la muerte de la célula hospedadora, sino que en lugar de ello inserta (integra) su DNA al DNA cromosómico de la célula hospedadora. El DNA viral integrado se conoce como provirus. Un provirus integrado puede tener diferentes efectos que dependen de la célula hospedadora y el tipo de virus.

Viroides

De forma sorpresiva, en 1971 se descubrió que los virus no eran los tipos más simples de agentes infecciosos. se debía a un agente infeccioso formado por una molécula circular pequeña de RNA desprovista por completo de cubierta proteica. Diener denominó a este agente patógeno viroide. El tamaño del RNA de los viroides oscila entre 240 y 600 nucleótidos, la décima parte del tamaño de los virus más pequeños.

La estructura y función de la membrana plasmática

Generalidades de las funciones de la membrana

1. Compartimentalización: Las membranas son hojas continuas, sin interrupciones y como tales, siempre rodean compartimientos. La membrana plasmática rodea el contenido de toda la célula, mientras que la membrana nuclear y la citoplásmica encierran diversos espacios intracelulares. La compartimentalización por la membrana permite la presencia de actividades especializadas sin interferencia externa y permite la regulación independiente de las distintas actividades celulares.

2. Andamiaje para actividades bioquímicas: Debido a su construcción, las membranas proporcionan a la célula un marco o andamiaje extenso dentro del cual los componentes pueden ordenarse para su interacción efectiva.

3. Provisión de una barrera con permeabilidad selectiva: Las membranas previenen el intercambio irrestricto de moléculas de un lado al otro. Al mismo tiempo, las membranas representan un medio de comunicación entre los compartimientos que separan.

4. Transporte de solutos: La membrana plasmática contiene la maquinaria para el transporte físico de sustancias de un lado de la membrana al otro, a menudo de una región en la que el soluto se encuentra en bajas concentraciones hacia una región en la que la concentración de ese soluto es mucho más alta.

5. Respuestas de señales externas: La membrana plasmática tiene una función crucial en la respuesta de una célula a los estímulos externos, un proceso conocido como transducción de señal. Las membranas tienen receptores que se combinan con moléculas especíﬁcas (ligandos) que tienen estructura complementaria. La interacción de un receptor de la membrana plasmática con un ligando externo puede hacer que la membrana genere una señal que estimula o inhibe sus actividades internas.

6. Interacción celular: La membrana plasmática permite que las células se reconozcan y se envíen señales unas a otras, que se adhieran cuando sea adecuado, y que intercambien materiales e información.

7. Transducción de energía: Las membranas participan íntimamente en los procesos por los cuales un tipo de energía se convierte en otro tipo (transducción energética). Las membranas también participan en la transferencia de energía química de los carbohidratos y grasas al ATP.

Una breve historia de los estudios sobre la estructura de la membrana plasmática.

Modelo de mosaico fluido: El modelo de mosaico ﬂuido propuesto en 1972 por S. Jonathan Singer y Garth Nicolson de la University of California, San Diego. En el modelo de mosaico ﬂuido, la bicapa lipídica se mantiene como el centro de la membrana, pero la atención se enfoca en el estado físico del lípido. La bicapa de una membrana de mosaico ﬂuido se encuentra en un estado líquido y las moléculas individuales de lípido pueden moverse a los lados dentro del plano de la membrana. La estructura y la disposición de las proteínas de membrana en el modelo de mosaico ﬂuido se encuentran como “mosaico” de partículas discontinuas que penetran la hoja de lípidos.

La composición química de las membranas

Lípidos en la membrana: Las membranas contienen una gran diversidad de lípidos, todos los cuales son anﬁpáticos; o sea, contienen regiones hidrofílicas e hidrófobas. Hay tres tipos principales de lípidos de membrana: fosfoglicéridos, esﬁngolípidos y colesterol.

1. Fosfoglicéridos: La mayoría de los lípidos de la membrana contiene un grupo fosfato, lo que los convierte en fosfolípidos. Como casi todos los fosfolípidos de la membrana están formados sobre una columna de glicerol, se llaman Fosfoglicéridos. los Fosfoglicéridos de la membrana tienen un grupo adicional unido con el fosfato, casi siempre colina (forma fosfatidilcolina, PC), etanolamina (forma fofatidiletanolamina, PE), serina (forma fosfatidilserina, PS) o inositol (forma fosfatidilinositol, PI).

2. Esfingolípidos: Una clase menos abundante de lípidos de membrana son los esﬁngolípidos, son derivados de la esﬁngosina, un amino alcohol que contiene una larga cadena de hidrocarburos. Los esﬁngolípidos consisten en esﬁngosina unida con un ácido graso por su grupo amino. Esta molécula es una ceramida.

3. Colesterol: Otro componente lipídico de ciertas membranas es el esterol colesterol, que en ciertas células animales constituye hasta el 50% de las moléculas de lípidos de la membrana plasmática. Los anillos hidrófobos de una molécula de colesterol son planos y rígidos, e interﬁeren con los movimientos de las colas de ácidos grasos de los fosfolípidos.

La naturaleza e importancia de la bicapa lipídica

La composición lipídica determina el estado físico de la membrana e inﬂuye en la actividad de las proteínas particulares de la misma. Estos lípidos también aportan los precursores para los mensajeros químicos altamente activos que regulan la función celular. La importancia de la bicapa lipídica para mantener la composición interna apropiada de una célula, separar cargas eléctricas a ambos lados de la membrana plasmática y para muchas otras actividades celulares es evidente.

Carbohidratos de la membrana

Las membranas plasmáticas de las células eucariotas también contienen carbohidratos. Según la especie y el tipo celular, el contenido de carbohidratos de la membrana plasmática varía entre 2 a 10% del peso. Más del 90% de los carbohidratos de la membrana tienen enlaces covalentes con las proteínas para formar glucoproteínas; el resto establece enlaces covalentes con lípidos para formar glucolípidos.

La estructura y funciones de las proteínas de la membrana

Según el tipo celular y el organelo particular de la célula, una membrana puede contener cientos de proteínas diferentes. Cada proteína de membrana tiene una orientación deﬁnida en relación con el citoplasma, por lo que las propiedades de una y otra superﬁcie de la membrana diﬁeren mucho. Esta asimetría se conoce como “lateralidad” de la membrana.

Las proteínas de membrana pueden agruparse en tres clases distintas caracterizadas por la intimidad de su relación con la bicapa lipídica. Son las siguientes:

Proteínas integrales que penetran la bicapa lipídica. Éstas son proteínas transmembrana; o sea, que cruzan por completo la bicapa lipídica, por lo que tienen dominios que sobresalen por los lados extracelular y citoplásmico de la membrana. Algunas proteínas integrales sólo tienen un segmento que abarca toda la membrana, otros la cruzan varias veces. Los estudios de secuenciación del genoma sugieren que las proteínas integrales constituyen 20 a 30% de todas las proteínas codiﬁcadas.

Proteínas periféricas que se sitúan completas fuera de la bicapa lipídica, ya sea en el lado citoplásmico o el extracelular, aunque se relacionan con la superﬁcie de la membrana mediante enlaces no covalentes.

Proteínas ancladas al lípido que se localizan fuera de la bicapa lipídica, en la superﬁcie extracelular o en la citoplásmica, pero que tienen enlaces covalentes con una molécula de lípido que se encuentra dentro de la bicapa.

Lípidos de la membrana y fluidez de la membrana

El estado físico del lípido de una membrana se describe por su ﬂuidez (o viscosidad). Si la temperatura se reduce lentamente, se llega a un punto en el que la bicapa cambia. El lípido pasa de una fase cristalina líquida a un gel cristalino congelado en el que el movimiento de las cadenas de ácido graso de los fosfolípidos está muy limitado. La temperatura a la cual ocurre este cambio se llama temperatura de transición.

Importancia y mantenimiento de la fluidez de la membrana

La ﬂuidez de la membrana representa un compromiso perfecto entre una estructura rígida y ordenada que carecería de movilidad y un ﬂuido no viscoso completamente líquido en el que los componentes de la membrana no pudieran orientarse, y que carecería de organización, estructura y soporte mecánico. Además, la ﬂuidez permite que haya interacciones dentro de la membrana.

La temperatura interna de la mayoría de los organismos (aparte de aves y mamíferos) varía con la temperatura ambiental. Como es esencial para muchas actividades que las membranas permanezcan en estado ﬂuido, las células responden a las condiciones cambiantes mediante la modiﬁcación de los tipos de fosfolípidos que las componen. El mantenimiento de la ﬂuidez de la membrana es un ejemplo de la homeostasis a nivel celular.

Balsas lipídicas

Cuando se extraen los lípidos de la membrana de las células para preparar bicapas lipídicas artiﬁciales, el colesterol y los esﬁngolípidos tienden a autoensamblarse en microdominios que tienen mayor grado de gelación y orden que las regiones circundantes, compuestas sobre todo por fosfoglicéridos. Por sus propiedades físicas distintivas, estos microdominios tienden a ﬂotar en el ambiente más líquido y desordenado de la bicapa artiﬁcial. Como resultado, estos parches de colesterol y esﬁngolípido se llaman balsas lipídicas.

La naturaleza dinámica de la membrana plasmática

A partir de la discusión previa resulta aparente que la bicapa lipídica puede existir en un estado relativamente ﬂuido. Como resultado, un fosfolípido puede moverse a los lados dentro de la misma hoja con mucha facilidad. La movilidad de las moléculas individuales de lípidos dentro de la bicapa de la membrana plasmática puede observarse directamente al microscopio si se unen las cabezas polares de los lípidos con partículas de oro o compuestos ﬂuorescentes. Se calcula que un fosfolípido puede difundirse de un extremo de una bacteria al otro en uno o dos segundos. Por el contrario, una molécula de fosfolípido tarda horas o días en moverse a la otra hoja de la membrana.

La difusión de las proteínas de membrana después de la fusión celular

La fusión celular es una técnica en la que dos tipos distintos de células, o células de dos especies diferentes, se fusionan para producir una célula con un citoplasma común y una sola membrana plasmática continua.

El movimiento de sustancias a través de las membranas celulares

Hay dos formas básicas de movimiento de sustancias a través de la membrana: pasiva por difusión o activa por un proceso de transporte acoplado con energía. Ambos tipos de movimientos producen un ﬂujo neto de un ion o compuesto particular. El término ﬂujo neto indica que el desplazamiento de una sustancia hacia la célula (entrada) y fuera de la célula (salida) no está equilibrado, sino que una excede a la otra. Se conocen varios procesos diferentes mediante los cuales las sustancias se desplazan a través de las membranas: difusión simple por la bicapa lipídica; difusión simple por un conducto acuoso recubierto por proteína; difusión facilitada por un transportador proteínico, y transporte activo, que requiere una “bomba” proteínica impulsada por energía y capaz de mover sustancias contra un gradiente de concentración.

La energía del movimiento de solutos

La difusión es un proceso espontáneo en el que una sustancia se desplaza de una región de alta concentración a otra de baja concentración, lo que al ﬁnal elimina la diferencia de concentración entre las dos regiones. A mayor diferencia en la carga (diferencia de potencial o voltaje) entre los dos compartimientos, mayor será la diferencia en la energía libre. Por tanto, la tendencia de un electrólito a difundir entre dos compartimientos depende de dos gradientes: un gradiente químico determinado por la diferencia en la concentración de la sustancia entre ambos compartimientos, y el gradiente de potencial eléctrico, establecido por la diferencia en la carga. Juntas, estas diferencias se combinan para producir un gradiente electroquímico.

Difusión de sustancias a través de las membranas

Deben cumplirse dos condiciones para que un no electrólito pueda difundir en forma pasiva a través de la membrana plasmática. La sustancia debe estar presente en mayor concentración en un lado de la membrana que en el otro y la membrana debe ser permeable a la sustancia. Una membrana puede ser permeable a un soluto determinado 1) porque el soluto puede pasar en forma directa por la bicapa lipídica, o 2) porque el soluto puede cruzar por un poro acuoso que atraviesa la membrana.

Las membranas son muy permeables a pequeñas moléculas inorgánicas, como O2, CO2, NO y H2O; se cree que éstas se deslizan entre los fosfolípidos adyacentes. En cambio, las moléculas polares más grandes, como los azúcares, aminoácidos e intermediarios fosforilados, tienen poca penetrabilidad de la membrana.

La difusión del agua a través de las membranas

Las moléculas de agua se mueven con mucha mayor rapidez a través de una membrana celular que los iones disueltos o los solutos orgánicos polares pequeños, que en realidad no penetran. Por esta diferencia en la penetrabilidad del agua frente a los solutos, se dice que las membranas son semipermeables. El agua se desplaza con facilidad a través de una membrana semipermeable de una región con menor concentración de soluto a una de mayor concentración de soluto. Este proceso se llama ósmosis.

La difusión de iones a través de las membranas

La bicapa lipídica que constituye el centro de las membranas biológicas es muy impermeable a sustancias con carga, incluidos iones pequeños como Na+, K+, Ca2+ y Cl−. No obstante, el movimiento rápido (conductancia) de estos iones a través de la membrana tiene una función crucial en muchas actividades celulares, incluida la formación y propagación de un impulso nervioso, secreción de sustancias al espacio extracelular, contracción muscular, regulación del volumen celular y la abertura de estomas en las hojas de las plantas.

Se distinguen tres categorías principales de conductos iónicos:

Conductos activados por voltaje, cuyo estado de conformación depende de la diferencia en la carga iónica a ambos lados de la membrana.

Conductos activados por ligando, cuyo estado de conformación depende de la unión de una molécula especíﬁca (ligando), que casi nunca es el soluto que pasa por el conducto. Algunos conductos activados por ligando se abren (o cierran) después de la unión de una molécula con la superﬁcie externa del conducto; otros se abren (o cierran) después de la unión del ligando con la superﬁcie interna del conducto.

Conductos mecanoactivados, cuyo estado de conformación depende de fuerzas mecánicas (p. ej., estiramiento) que se aplican a la membrana.

Difusión facilitada

Las sustancias siempre se difunden a través de una membrana de una región de mayor concentración de un lado a otra con menor concentración al otro lado, pero no siempre se difunden a través de la bicapa lipídica o por un conducto. En muchos casos, la sustancia se une primero en forma selectiva con una proteína que abarca toda la membrana llamada transportador activo, que facilita el proceso de difusión.

Transporte activo

Como la difusión facilitada, el transporte activo depende de proteínas integrales de la membrana que se unen en forma selectiva con un soluto particular y lo desplazan a través de la membrana en un proceso impulsado por cambios en la conformación de la proteína. Sin embargo, a diferencia de la difusión facilitada, el desplazamiento de un soluto en contra de un gradiente de concentración requiere el aporte acoplado de energía. Por consiguiente, el desplazamiento endergónico de iones u otros solutos a través de la membrana contra un gradiente de concentración está acoplado con un proceso exergónico, como la hidrólisis de ATP, la absorbancia de luz, el transporte de electrones o el ﬂujo de otras sustancias en favor de su gradiente. Las proteínas que realizan el transporte activo a menudo se denominan “bombas”.

Transporte activo primario

En 1957, Jens Skou, un ﬁsiólogo danés, descubrió una enzima hidrolítica del ATP en las células nerviosas del cangrejo que sólo se activaba en presencia de Na+ y K+. Skou propuso, y estaba en lo correcto, que esta enzima, encargada de la hidrólisis del ATP, era la misma proteína que se activaba para transportar los dos iones; la enzima se llamó Na+/K+-ATP-asa, o la bomba de sodio y potasio.

por cada ATP que se hidroliza, se bombean tres iones sodio fuera y se bombean dos iones potasio hacia el interior. Debido a esta proporción de bombeo, la Na+/ K+-ATP-asa es electrogénica, lo que signiﬁca que contribuye en forma directa a la separación de cargas a través de la membrana.

Transporte activo secundario (cotransporte)

El establecimiento de gradientes de concentración, como los de Na+, K+ y H+, proporciona un medio por el cual puede almacenarse energía libre en una célula. La célula utiliza la energía potencial almacenada en los gradientes iónicos de varias formas para realizar un trabajo, incluido el transporte de otros solutos. La tendencia de los iones sodio a difundir de regreso a través de la membrana plasmática apical en favor de su gradiente de concentración es “conducida” por las células epiteliales para impulsar el cotransporte de moléculas de glucosa al interior de la célula contra un gradiente de concentración. Se dice que las moléculas de glucosa están impulsadas por transporte activo secundario.

Potenciales de membrana e impulsos nerviosos

Todos los organismos responden a la estimulación externa, una propiedad conocida como irritabilidad. Las células nerviosas (neuronas) están especializadas en la recopilación, conducción y transmisión de información, que se codiﬁca en forma de impulsos eléctricos de desplazamiento rápido.

El potencial de reposo

Un voltaje (o diferencia de potencial eléctrico) entre dos puntos, como el interior y exterior de la membrana plasmática, se produce cuando hay un exceso de iones positivos en un punto y un exceso de iones negativos en el otro punto. La presencia de un potencial de membrana no es exclusiva de las células nerviosas, estos potenciales se encuentran en todos los tipos de células, con magnitud variable entre unos −15 mV y −100 mV. Para las células no excitables, o sea las distintas a neuronas y células musculares, este voltaje se llama sólo potencial de membrana. En una célula nerviosa o muscular, este mismo potencial se conoce como potencial de reposo porque está sujeto a cambios drásticos.

El potencial de acción

Como el cambio positivo en el voltaje de la membrana induce un descenso en la polaridad entre ambos lados de la membrana, se conoce como despolarización. Si el estímulo produce sólo una despolarización de la membrana de unos cuantos milivoltios, por ejemplo de −70 a −60 mV, la membrana regresa con rapidez a su potencial de reposo en cuanto cesa el estímulo. Sin embargo, si el estímulo despolariza la membrana más allá de cierto punto, llamado umbral, lo que ocurre alrededor de los −50 mV, se inicia una nueva serie de fenómenos. El cambio de voltaje hace que se abran los conductos de sodio activados por voltaje. En conjunto, estos cambios en el potencial de membrana se llaman potencial de acción.

Propagación de los potenciales de acción como impulso

Una vez que se inicia el potencial de acción, no permanece localizado en un sitio particular, sino que se propaga como impulso nervioso a lo largo de la célula hasta las terminaciones nerviosas. Los impulsos nerviosos se expanden a lo largo de la membrana porque un potencial de acción en un sitio tiene efecto en el sitio adyacente. La despolarización intensa que acompaña a un potencial de acción crea una diferencia en la carga en las superﬁcies interna y externa de la membrana plasmática. Como resultado, los iones positivos se mueven hacia el sitio de despolarización en la superﬁcie externa de la membrana y lejos de ese sitio en la superﬁcie interna. Este ﬂujo de corriente local hace que la membrana en la región justo delante del potencial de acción se despolarice. Como la despolarización que acompaña al potencial de acción es muy grande, la membrana de la región adyacente se despolariza con facilidad hasta un nivel mayor al valor umbral, lo que abre los conductos de sodio en esta región adyacente y genera otro potencial de acción. Por tanto, una vez iniciados, los potenciales de acción exitosos recorren todo el largo de la neurona sin perder intensidad, llegan a su célula blanco con la misma fuerza que tenían en su punto de origen.

El citoesqueleto y la movilidad celular

Las células eucariotas poseen un “sistema esquelético”, un citoesqueleto. El citoesqueleto se compone de tres estructuras filamentosas bien definidas, microtúbulos, microfilamentos y filamentos intermedios, que en conjunto constituyen una red interactiva. Cada uno de los tres tipos de filamentos citoesqueléticos es un polímero de subunidades proteínicas unidas mediante enlaces débiles no covalentes. Este tipo de construcción se presta a un ensamble y un desensamble rápidos, que dependen de una regulación celular compleja.

Revisión de las principales funciones del citoesqueleto

1. Un andamio dinámico que brinda soporte estructural, el cual puede determinar la forma de la célula y resistir fuerzas que tiendan a deformarla.

2. Un marco interno encargado de establecer las posiciones de los organelos dentro de la célula.

3. Una red de rieles que dirigen el movimiento de materiales y organelos dentro de las células. Los ejemplos de esta función comprenden el traslado de las moléculas de mRNA a partes específicas de una célula, el movimiento de portadores membranosos del retículo endoplásmico al aparato de Golgi y el transporte de vesículas que contienen neurotransmisores a lo largo de la célula nerviosa.

4. El aparato generador de fuerza que mueve las células de un sitio a otro. Los organismos unicelulares se mueven por “arrastramiento” sobre la superficie de un sustrato sólido o al propulsarse por su ambiente acuoso con la ayuda de organelos locomotores especializados que contienen microtúbulos (cilios y flagelos) que sobresalen de la superficie celular.

5. Un componente esencial de la maquinaria para la división celular. Los elementos del citoesqueleto constituyen el aparato que se encarga de separar los cromosomas durante la mitosis y la meiosis, además de dividir la célula madre en dos células hijas durante la citocinesis.

Estudio del citoesqueleto

El uso de la microscopia con fluorescencia en células vivas

El microscopio de fluorescencia tiene una participación preponderante en esta revolución al permitir a los investigadores observar en forma directa los procesos moleculares en las células vivas, un método que se conoce como visualización de células vivas. En la técnica más usual se sintetizan proteínas con marcas fluorescentes dentro de una célula como una proteína fusionada que contiene proteína verde fluorescente (GFP).

El uso de pruebas de moléculas individuales in vitro e in vivo

El advenimiento de la videomicroscopia de alta resolución dio lugar al desarrollo de pruebas de motilidad in vitro. Estas pruebas hacen posible la detección de la actividad de una molécula proteínica individual que actúa como motor molecular en “tiempo real”.

Uso de técnicas de imágenes con fluorescencia para vigilar la dinámica del citoesqueleto

Para un biólogo celular, “dinámico” implica “en constante cambio”. Las estructuras dinámicas experimentan algún tipo de reconstrucción todo el tiempo, ya sea que sus partes antiguas se intercambien por nuevas o que se degraden por completo y se reconstruyan. Por tanto, aunque un microtúbulo o filamento de actina parezca estático de un momento al otro si se observa al microscopio, en realidad sus componentes moleculares se encuentran en un estado de cambio constante.

La vigilancia de estos cambios requiere el uso de técnicas capaces de medir la dinámica de polímeros. Una técnica poderosa llamada recuperación de fluorescencia después de fotoblanqueamiento (o FRAP).

Microtúbulos

Estructura y composición

-Los microtúbulos son estructuras tubulares huecas y se encuentran en casi todas las células eucariotas.

-Los microtúbulos forman parte de diversas estructuras, como el huso mitótico de las células en división y el centro de cilios y flajelos.

-Tienen un diámetro externo de 25 nm, una pared con grosor aproximado de 4 nm y pueden extenderse a lo largo o ancho de la célula.

-La pared de un microtúbulo está formada por proteínas globulares dispuestas en hileras longitudinales, conocidas como protofilamentos, que se alinean en paralelo con respecto al eje longitudinal del túbulo.

-Cuando se observan en un corte transversal, puede verse que los microtúbulos están formados por 13 protofilamentos alineados lado a lado en un círculo dentro de la pared.

Proteínas relacionadas con los microtúbulos

Los microtúbulos preparados a partir de tejido vivo contienen proteínas adicionales, llamadas proteínas relacionadas con microtúbulos (o MAP, por sus siglas en inglés). Las MAP comprenden un conjunto heterogéneo de proteínas.

Algunas MAP pueden verse en micrografías electrónicas como puentes que conectan los microtúbulos entre sí, lo que mantiene su alineación paralela. Las MAP suelen incrementar la estabilidad de los microtúbulos y promover su ensamble.

Microtúbulos como soportes y organizadores estructurales

Los microtúbulos son lo bastante rígidos para resistir fuerzas que pudieran comprimir o doblar la fibra. Esta propiedad les permite brindar soporte mecánico, tal como las vigas de acero sostienen un edificio alto de oficinas o los postes que sostienen la estructura de una tienda. La distribución de los microtúbulos citoplásmicos en una célula ayuda a determinar la forma de la misma. En células animales cultivadas, los microtúbulos se extienden con un patrón radial desde el área alrededor del núcleo hacia la periferia, lo que confiere su forma redondeada y aplanada a estas células. En cambio, los microtúbulos de las células epiteliales cilíndricas casi siempre están orientados con el eje longitudinal paralelo al eje mayor de la célula.

En las células vegetales los microtúbulos desempeñan una función indirecta en el mantenimiento de la forma celular mediante su influencia en la formación de la pared celular. Se cree que los microtúbulos de la corteza influyen en el movimiento de las enzimas que sintetizan celulosa y que se localizan en la membrana plasmática.

Microtúbulos como agentes de movilidad intracelular

Transporte axonico

El axón de una neurona motora individual puede prolongarse desde la médula espinal hasta la punta de un dedo de la mano o del pie. El centro de manufactura de esta neurona es su cuerpo celular, una porción redondeada de la célula que se encuentra dentro de la porción ventral de la médula espinal. Cuando se inyectan aminoácidos marcados en el cuerpo celular, se incorporan a proteínas marcadas que se mueven hacia el axón y viajan por toda su extensión. Muchos materiales distintos, entre ellos moléculas neurotransmisoras, se incluyen en compartimientos dentro de vesículas membranosas en el retículo endoplásmico y el aparato de Golgi del cuerpo celular y luego se transportan por toda la longitud del axón.

Proteínas motoras que cruzan el citoesqueleto microtubular

Las proteínas motoras de una célula convierten la energía química (almacenada en forma de ATP) en energía mecánica, que se emplea para mover el cargamento celular unido al motor. Una sola célula puede contener cien proteínas motoras diferentes, cada una supuestamente especializada en una actividad distinta, como el movimiento de tipos particulares de cargamento en una región específica de la célula. En conjunto, las proteínas motoras pueden agruparse en tres grandes familias: cinesinas, dineínas y miosinas. Las cinesinas y las dineínas se mueven a lo largo de los microtúbulos, en tanto que las miosinas lo hacen a lo largo de microfilamentos.

Cinesinas: La cinesina es un tetrámero construido con dos cadenas pesadas idénticas y dos cadenas ligeras idénticas. Una molécula de cinesina tiene varias partes, incluido un par de cabezas globulares que se unen a un microtúbulo y actúan como “máquinas” generadoras de fuerza que hidrolizan ATP. Cada cabeza (o dominio motor) se conecta con un cuello, un pedúnculo cilíndrico y una cola con forma de abanico que se une al cargamento que debe moverse.

Dineina citoplasmática: La es una proteína enorme (su masa molecular se aproxima a 1.5 millones de Da) formada por dos cadenas pesadas idénticas y varias cadenas intermedias y ligeras. Cada cadena pesada de la dineína consiste en una cabeza globular grande con dos proyecciones alargadas (tallos). La cabeza de la dineína, que es 10 veces más grande que la de la cinesina, actúa como una máquina generadora de fuerza. Cada tallo contiene el importante sitio de unión con el microtúbulo situado en la punta.

Centrosomas: una estructura compleja que contiene dos centriolos con forma de barril rodeados por material pericentriolar (PCM) electrodenso. Los centriolos son estructuras cilíndricas de unos 0.2 mm de diámetro y casi siempre miden lo doble de largo. Contienen nueve fibrillas espaciadas de manera uniforme; en el corte transversal cada una de ellas se ve como una banda de tres microtúbulos, designados túbulos A, B y C.

Cuerpos basales y otros MTOC

Los centrosomas no son los únicos MTOC de las células. Los microtúbulos externos de un cilio o flagelo se generan a partir de microtúbulos en una estructura llamada cuerpo basal, que se encuentra en la base del cilio o flagelo. Los cuerpos basales tienen una estructura idéntica a los centriolos; de hecho los cuerpos basales y los centriolos pueden dar origen uno al otro.

Las propiedades dinámicas de los microtúbulos

Aunque todos los microtúbulos tienen una morfología muy similar, presentan diferencias marcadas en su estabilidad. Los microtúbulos se estabilizan por la presencia de MAP unidas y tal vez también por otros factores que todavía se desconocen. Los microtúbulos del huso mitótico o del citoesqueleto son muy lábiles y esto significa que son sensibles para desarmarse. Los microtúbulos de las neuronas maduras son mucho menos lábiles y los de los centriolos, cilios y flagelos son muy estables. Las células vivas pueden someterse a diversos tratamientos que desarman los microtúbulos del citoesqueleto sin romper otras estructuras celulares. El desensamble puede inducirse con frío, presión hidrostá- tica, aumento en la concentración de Ca2+ y diversos productos químicos, como la colchicina, vinblastina, vincristina, nocodazol y podofilotoxina.

El carácter dinámico del citoesqueleto microtubular está bien ilustrado en las células vegetales. Si una célula vegetal típica se vigila desde una división mitótica hasta la siguiente, aparecen cuatro conjuntos distintos de microtúbulos, uno después del otro:

1.- Durante la mayor parte de la interfase los microtúbulos de una célula vegetal se distribuyen por toda la corteza. Una búsqueda de la tubulina γ revela que este factor de nucleación se localiza a lo largo de los microtúbulos corticales, lo cual sugiere que los nuevos microtúbulos podrían formarse directamente en la superficie de los ya existentes.

2.- Conforme la célula se aproxima a la mitosis, los microtúbulos desaparecen de la mayor parte de la corteza y dejan sólo una banda transversal llamada banda preprofase, que rodea la célula como un cinturón.

3.- A medida que la célula progresa hacia la mitosis, la banda preprofase se pierde y los microtúbulos reaparecen en la forma de huso mitótico

4.- Después de que los cromosomas se separan, el huso mitótico desaparece y se sustituye por un haz de microtúbulos llamado fragmoplasto, que desempeña una función central en la formación de la pared celular que separa las dos células hijas.

Cilios y flagelos: estructura y función

Los cilios y los flagelos son organelos móviles similares a pelos que sobresalen de la superficie de diversas células eucariotas. Las bacterias también tienen estructuras conocidas como flagelos, pero los flagelos de los procariotas son filamentos simples sin relación evolutiva con sus contrapartes eucariotas. La explicación siguiente se refiere sólo a los organelos de células eucariotas. En esencia los cilios y los flagelos son la misma estructura. La mayoría de los biólogos usa uno u otro término con base en el tipo de célula del que el organelo se proyecta y su patrón de movimiento. De acuerdo con esta distinción, un cilio puede compararse con un remo que mueve la célula en sentido perpendicular al cilio mismo. Durante su desplazamiento el cilio se mantiene rígido mientras empuja contra el medio circundante. En su movimiento de recuperación el cilio se vuelve flexible y ofrece poca resistencia al medio.

Los flagelos tienen diversos patrones de movimiento (ondas), según el tipo celular.

El centro del cilio, llamado axonema, contiene un conjunto de microtúbulos que corre en sentido longitudinal por todo el organelo. Con raras excepciones, el axonema de un cilio o flagelo móvil consiste en nueve microtúbulos dobles periféricos que rodean un par central de microtúbulos. Esta misma estructura microtubular, que se conoce como “disposición 9 + 2”

Los brazos de dineína

La maquinaria para la locomoción ciliar y flagelar se encuentra dentro del axonema. El axonema de la cola de un espermatozoide, carente de la membrana que lo cubre, aún es capaz de efectuar movimientos sostenidos y normales en presencia de Mg2+ y ATP agregados. A mayor concentración de ATP, mayor frecuencia de los movimientos de estos organelos “reactivados”.

El mecanismo de locomoción ciliar y flagelar

La contracción del músculo se debe al deslizamiento de los filamentos de actina sobre los filamentos adyacentes de miosina. La fuerza de deslizamiento se genera en los enlaces cruzados semejantes a trinquetes que se encuentran en la cabeza de la molécula de miosina. Con el sistema muscular como modelo se propuso que el movimiento ciliar podía explicarse por el deslizamiento de parejas de microtúbulos adyacentes entre sí. De acuerdo con esta idea, los brazos de dineína actúan como puentes colgantes que generan las fuerzas necesarias para el movimiento ciliar o flagelar. En el axonema intacto, el tallo de cada molécula de dineína (con sus cadenas intermedias y ligeras relacionadas) está anclado con firmeza a la superficie del túbulo A, con las cabezas globulares y los pies proyectados hacia el túbulo B de la pareja vecina.

En el paso 1 de la figura, los brazos de dineína anclados en el túbulo A de la pareja inferior se adhieren a los sitios de unión del túbulo B de la pareja superior.

En el paso 2, las moléculas de dineína experimentan un cambio en la conformación, o aplicación de energía, que ocasiona el deslizamiento de la pareja inferior hacia el extremo basal de la pareja superior.

En el paso 3 de la figura, los brazos de dineína se desprendieron del túbulo B del doblete superior.

En el paso 4, los brazos se unieron de nuevo a la pareja superior para iniciar un nuevo ciclo (paso 4).

Filamentos intermedios

El segundo de los tres principales elementos del citoesqueleto que se describe se observó al microscopio electrónico como filamentos sólidos, no ramificados con un diámetro de 10 a 12 nm. Se denominaron filamentos intermedios (IF, intermediate filaments). Hasta ahora, los filamentos intermedios sólo se han encontrado en células animales. Son fibras fuertes, flexibles, parecidas a cuerdas que aportan fuerza mecánica a las células sometidas a tensión física, como las neuronas, células musculares y las células epiteliales que recubren las cavidades del cuerpo. A diferencia de los microfilamentos y microtúbulos, los IF son un grupo de estructuras con composición química heterogénea que en los humanos están codificados por cerca de 70 genes distintos. Las subunidades polipeptídicas de los IF pueden dividirse en cinco clases principales según el tipo de célula en la que se encuentran y con base en criterios bioquímicos, genéticos e inmunológicos.

Ensamble y desensamble de filamentos intermedios

Se cree que el bloque de construcción básico del ensamble de IF es un tetrámero cilíndrico formado por dos dímeros que se alinean lado a lado en forma escalonada, con sus extremos amino y carboxilo en sentidos opuestos (antiparalelos). Como los dímeros apuntan en direcciones contrarias, el tetrámero completo carece de polaridad. Estudios recientes del autoensamble de los IF in vitro sugiere que ocho tetrámeros se relacionan entre sí en disposición lateral (lado a lado) para formar un filamento que tiene una unidad de largo (alrededor de 60 nm).

Microfilamentos

Las células poseen una notable capacidad para moverse. Las células de la cresta neural de un embrión vertebrado salen del sistema nervioso en desarrollo y migran por todo lo ancho del embrión para formar productos tan diversos. Legiones de leucocitos patrullan los tejidos del cuerpo en busca de detritos y microorganismos. Ciertas partes de las células también pueden moverse. De igual manera el borde activo de un axón en crecimiento emite procesos microscópicos que exploran el sustrato y guían la célula hacia la célula con la que harán sinapsis. Todos estos ejemplos de motilidad comparten al menos un componente: todos dependen de microfilamentos, el tercer tipo principal de elemento citoesquelético. Los microfilamentos también participan en procesos de motilidad intracelular, como el movimiento de vesículas, fagocitosis y citocinesis.

Los microfilamentos miden alrededor de 8 nm de diámetro y se componen de subunidades globulares de la proteína actina. En presencia de ATP, los monómeros de actina se polimerizan para formar un filamento helicoidal flexible. Como resultado de esta organización en subunidades, un filamento de actina es en esencia una estructura con dos hendiduras helicoidales que recorren toda su longitud.

Ensamble y desensamble de microfilamentos

Antes de incorporarse en un microfilamento, un monómero de actina se une con una molécula de ATP. La actina es una ATPasa, tal como la tubulina es una GTP-asa, y la función del ATP en el ensamble de la actina es similar al del GTP en el armado de un microtúbulo. El ATP unido con un monómero de actina se hidroliza en ADP en algún momento después de su incorporación en el filamento de actina en crecimiento. Por tanto la mayor parte del filamento de actina consiste en subunidades ADP-actina.

Miosina: el motor molecular de los filamentos de actina

Ya se examinaron la estructura y las acciones de los motores moleculares, cinesina y dineína, que operan en sentidos opuestos sobre rieles de microtúbulos. Hasta ahora todos los motores conocidos que funcionan con los filamentos de actina son miembros de la superfamilia de la miosina. Las miosinas se mueven hacia el extremo más de un filamento de actina.

Las miosinas suelen dividirse en dos grandes grupos, las miosinas convencionales (o tipo II) que se identificaron por primera vez en el tejido muscular y las miosinas no convencionales.

Miosinas convencionales (tipo II)

Las proteínas de clase miosina II son los principales motores para contracción muscular y también se encuentran en diversas células extramusculares. El genoma humano codifica 16 cadenas pesadas distintas de miosina II, tres de las cuales funcionan en células no musculares. Entre sus actividades no musculares, las miosinas tipo II son necesarias para separar a la célula en dos durante la división celular, generan tensión en las adhesiones focales, migración celular y el comportamiento giratorio de los conos de crecimiento.

Miosinas no convencionales

A diferencia de la miosina muscular, esta miosina no convencional más pequeña es incapaz de ensamblar filamentos in vitro. La proteína recibió el nombre de miosina I y su localización en las microvellosidades. Los pasos de otro tipo de miosina no convencional, la miosina V, es una miosina de dos cabezas que se mueve en forma progresiva sobre los filamentos de actina. Se cree que esta característica progresiva se debe a la gran afinidad de las cabezas de miosina por el filamento de actina, lo que asegura que cada cabeza permanezca unida al filamento hasta que la segunda cabeza es una de nuevo. La miosina V también es notable por su cuello, que con 23 nm de largo mide tres veces más que el de la miosina II. Gracias a su cuello largo, la miosina V puede dar pasos muy grandes. Esto es muy importante para una proteína motora que se mueve en forma progresiva sobre un filamento de actina formado por cadenas de subunidades helicoidales.

Contractilidad muscular

Los músculos esqueléticos (estriados) obtienen su nombre del hecho de que la mayor parte de ellos está anclada a los huesos que mueven. Se encuentra bajo el control voluntario y pueden contraerse mediante órdenes conscientes. Las células de músculo estriado tienen una estructura muy poco ortodoxa. Una sola célula muscular cilíndrica suele medir 10 a 100 μm de grueso, más de 100 mm de largo y contiene cientos de núcleos. A causa de estas propiedades, sería más apropiado llamar fibra muscular a estas células. Las fibras musculares tienen muchos núcleos porque cada una es producto de la fusión de grandes cantidades de mioblastos mononucleares (células premusculares) en el embrión. Un corte longitudinal de una fibra muscular revela un cable formado por cientos de hebras cilíndricas más delgadas, llamadas miofibrillas. Cada miofibrilla consiste en un conjunto lineal repetido de unidades contráctiles, llamadas sarcómeras. A su vez cada sarcómera tiene un patrón de bandas característico que confiere a la fibra muscular su apariencia estriada.

El modelo de filamento deslizante de la contracción muscular

El acortamiento de las sarcómeras individuales no se debía al acortamiento de los filamentos, sino al deslizamiento de unos sobre otros. El deslizamiento de los filamentos delgados hacia el centro de la sarcómera produciría el aumento observado en la superposición de los filamentos y la disminución en la anchura de las bandas I y H. El modelo de filamento deslizante se aceptó en poco tiempo y la evidencia a su favor aún continúa en aumento.

Composición y organización de los filamentos gruesos y delgados

Además de la actina, los filamentos delgados de un músculo estriado contienen otras dos proteínas, tropomiosina y troponina. La tropomiosina es una molécula alargada (de unos 40 nm de largo) que se ajusta con firmeza en las hendiduras dentro del filamento delgado. Cada molécula cilíndrica de tropomiosina se relaciona con siete subunidades de actina a lo largo del filamento delgado. La troponina es un complejo proteínico globular formado por tres subunidades, cada una con una participación importante y distinta en la función general de la molécula. Las moléculas de troponina están dispuestas con una distancia aproximada de 40 nm entre ellas sobre el filamento delgado y establecen contacto con la actina y la tropomiosina del filamento. Los filamentos de actina de cada media sarcómera están alineados con sus extremos barbados unidos con la línea Z.

Base molecular de la contracción

Durante una contracción cada cabeza de miosina se extiende hacia afuera y se une con firmeza al filamento delgado, con lo que se forman los puentes que se ven entre los dos tipos de filamentos. Las cabezas de un solo filamento de miosina interactúan con seis filamentos de actina circundantes. Mientras permanece unida con fuerza al filamento de actina, la cabeza de miosina sufre un cambio en la conformación (descrito más adelante) que mueve el filamento delgado de actina unos 10 nm hacia el centro de la sarcómera. A diferencia de la miosina V, la miosina muscular (miosina II) es un motor no progresivo. La miosina muscular permanece en contacto con su riel, el filamento delgado, sólo durante una pequeña fracción (menos de 5%) del ciclo completo. Sin embargo, cada filamento delgado entra en contacto con un equipo de casi cien cabezas de miosina que se mueven en forma sincrónica. Por consiguiente el filamento delgado realiza un movimiento continuo durante cada ciclo contráctil. Se estima que un solo filamento delgado de una célula muscular puede moverse varios cientos de nanómetros durante un intervalo de apenas 50 milisegundos.

Energética del deslizamiento del filamento

Como las otras proteínas motoras cinesina y dineína, la miosina convierte la energía química del ATP en la energía mecánica del deslizamiento de un filamento. Cada ciclo de actividad mecánica del puente de miosina tarda unos 50 ms y se acompaña de un ciclo de actividad de la ATP-asa, como se ilustra en el modelo. Según este modelo, el ciclo comienza cuando una molécula de ATP se une con la cabeza de miosina, un fenómeno que induce la disociación del puente con el filamento de actina. La unión del ATP va seguida por su hidrólisis, que ocurre antes que la cabeza de miosina establezca contacto con el filamento de actina. Los productos de la hidrólisis del ATP, o sea ADP y Pi, permanecen unidos al sitio activo de la enzima, mientras la proteína completa absorbe la energía liberada por la hidrólisis (paso 2). En este momento el puente se halla en estado energético, análogo a un resorte estirado capaz de realizar un movimiento espontáneo. La miosina cargada de energía se une con la molécula de actina (paso 3) y libera el fosfato unido, lo que desencadena un gran cambio en la conformación impulsado por la energía libre que estaba almacenada (paso 4). Este cambio en la conformación mueve el filamento de actina hacia el centro de la sarcómera. Tal movimiento representa el golpe de poder de la cabeza de miosina. A la liberación del ADP unido (paso 5) le sigue la unión de una nueva molécula de ATP para que un nuevo ciclo pueda iniciarse. En ausencia de ATP la cabeza de miosina permanece unida con fuerza al filamento de actina.

Motilidad extramuscular

Proteínas de unión con la actina

Los filamentos de actina de las células vivas se organizan en varios patrones, inclusive varios tipos de haces, redes delgadas (bidimensionales) y gelatinas tridimensionales complejas. La organización y comportamiento de los filamentos de actina dentro de las células depende de una gran variedad de proteínas de unión con actina que influyen en el ensamble y desensamble localizados de los filamentos de actina, sus propiedades físicas y sus interacciones entre sí y con los organelos celulares.

Se han aislado más de 100 proteínas diferentes de unión con actina que pertenecen a muchas familias en varios tipos celulares. Las proteínas de unión con actina pueden dividirse en varias categorías según su presunta función en la célula:

1. Proteínas de nucleación. El paso más lento en la formación de un filamento de actina es el primero, la nucleación, que requiere la unión de por lo menos dos o tres monómeros de actina en la orientación apropiada para iniciar la formación del polímero.

2. Proteínas para secuestro de monómeros. Las proteínas con esta actividad se describen como proteínas para secuestro de monómeros de actina. Se cree que son las encargadas de mantener la concentración relativamente alta de actina G en células extramusculares (50 a 200 mM).

3. Proteínas bloqueadoras de los extremos (tapas). Las proteínas de este grupo regulan la longitud de los filamentos de actina al unirse con uno u otro extremo de los filamentos, formando una tapa que bloquea tanto la pérdida como la ganancia de subunidades. Si el extremo barbado de crecimiento rápido de un filamento se tapa, la despolimerización puede proceder en el extremo contrario, lo que conduce al desensamble del filamento. Si el extremo afilado también se tapa, la despolimerización se bloquea.

4. Proteínas polimerizadoras de monómero. La profilina es una pequeña proteína que se une en el mismo sitio de un monómero de actina que la timosina. Sin embargo, en lugar de inhibir la polimerización, la profilina fomenta el crecimiento de los filamentos de actina. La profilina lo hace mediante la unión con un monómero de actina, donde cataliza la disociación del ADP unido, que se sustituye en poco tiempo con un ATP. El monómero profilina-ATP-actina puede entonces ensamblarse sobre el extremo barbado libre de un filamento de actina, lo que conduce a la liberación de profilina.

5. Proteínas despolimerizadoras del filamento de actina. Los miembros de la familia proteica de la cofilina (que incluye cofilina, ADF y depactina) se unen con las subunidades actina-ADP presentes en el cuerpo y en el extremo afilado de los filamentos de actina. La cofilina tiene dos actividades evidentes: puede fragmentar los filamentos de actina y puede promover su despolimerización en el extremo afilado. Estas proteínas participan en el recambio rápido de los filamentos de actina en sitios de cambios dinámicos de la estructura del citoesqueleto. Son esenciales para la locomoción celular, la fagocitosis y la citocinesis.

6. Proteínas que forman enlaces cruzados. Las proteínas de este grupo pueden alterar la organización tridimensional de una población de filamentos de actina. Cada una de estas proteínas tiene dos o más sitios de unión con actina, por lo que pueden establecer enlaces entre dos o más filamentos de actina separados.

7. Proteínas cortadoras de filamentos. Las proteínas de esta clase tienen la capacidad para unirse con el lado de un filamento ya formado y romperlo en dos.

8. Proteínas de unión con membrana. Durante muchas actividades, las fuerzas generadas por las proteínas contráctiles actúan sobre la membrana plasmática y hacen que sobresalga (como ocurre, por ejemplo, durante la locomoción celular) o que se invagine (como sucede durante la fagocitosis o la citocinesis). Por lo general estas actividades se facilitan por la unión indirecta de los filamentos de actina con la membrana plasmática mediante el enlace con una proteína periférica de membrana.

Ejemplos de movilidad y contractilidad extramuscular

Polimerización de la actina como mecanismo generador de fuerza

Algunos tipos de motilidad celular ocurren sólo como resultado de la polimerización de la actina y no implican actividad de la miosina. Considérese el ejemplo de Listeria monocytogenes, una bacteria que infecta los macrófagos y puede causar encefalitis o intoxicación alimentaria. Listeria se impulsa como un cohete por el citoplasma de una célula infectada mediante la polimerización de monómeros de actina justo detrás de la bacteria.

Locomoción celular

La locomoción celular es necesaria para muchas actividades en los vertebrados superiores, inclusive el desarrollo de tejidos y órganos, la formación de vasos sanguíneos, el desarrollo de axones, la cicatrización de heridas y la protección contra infecciones. La locomoción celular también es la encargada de la diseminación de tumores cancerosos.

La figura muestra un solo fibroblasto que se encontraba en el proceso de moverse hacia la esquina inferior derecha del campo cuando se preparó para el examen microscópico. La locomoción celular, como la que muestra el fibroblasto, comparte propiedades con otros tipos de locomoción, como la marcha.

1) El movimiento inicia por la protrusión de una parte de la superficie celular en la dirección en la que la célula va a moverse. 2) Una parte de la superficie inferior de la protrusión se adhiere al sustrato y forma sitios de anclaje temporal. 3) La mayor parte de la célula se impulsa al frente sobre los contactos adhesivos, que al final se convierten en la parte posterior de la célula. 4) La célula rompe los contactos traseros con el sustrato, lo que causa la retracción del margen final o “cola”.

Crecimiento axonico

La punta de un axón en elongación es muy distinta del resto de la célula. Aunque la mayor parte del axón muestra poca evidencia externa de actividad móvil, la punta, o cono de crecimiento, se parece a un fibroblasto reptante de gran movilidad. Un análisis cuidadoso de un cono de crecimiento vivo revela varios tipos de procesos locomotrices: un lamelipodio aplanado y ancho que se arrastra hacia afuera sobre el estrato; microespigas cortas y rígidas que apuntan hacia afuera, al borde del lamelipodio y filopodos muy alargados que se extienden y retraen en una exhibición continua de actividad móvil.

Cambios en la forma celular durante el desarrollo embrionario

Cada parte del cuerpo tiene una forma y una estructura interna características que surgen durante el desarrollo embrionario: la médula espinal es un tubo hueco, el riñón se forma con túbulos microscópicos, cada pulmón está compuesto por espacios aéreos microscópicos, etc. Se necesitan muchas actividades celulares para el desarrollo de la morfología característica de un órgano, inclusive cambios programados en la forma celular. Los cambios en la forma de las células se producen sobre todo por cambios en la orientación de los elementos del citoesqueleto dentro de las células.

El retículo Endoplasmico

El retículo endoplásmico (ER) se divide en dos subcompartimientos, el retículo endoplásmico rugoso (RER) y el retículo endoplásmico liso (REL). Ambos tipos de retículo forman un sistema de membranas que rodean un espacio, o luz, que está separado del citosol circundante. La composición del espacio luminal o cisternas dentro de las membranas del ER es muy diferente de la del espacio citosólico circundante. De hecho, los dos tipos de compartimientos de dicho retículo comparten muchas de sus proteínas y realizan ciertas actividades comunes, como la síntesis de algunos lípidos y colesterol. Sin embargo, al mismo tiempo muchas proteínas se encuentran sólo en uno u otro tipo de retículo. Como resultado, los dos tipos de retículo endoplásmico tienen diferencias estructurales y funcionales notorias.

El ER rugoso se deﬁne por la presencia de ribosomas unidos a su superﬁcie citosólica, mientras que el ER liso carece de ribosomas. El RER casi siempre se compone de una red de sacos aplanados (cisternas). El RER se continúa con la membrana externa de la envoltura nuclear, que también tiene ribosomas en su superﬁcie citosólica. En cambio, los elementos membranosos del SER son curvos y tubulares, forman un sistema de tuberías interconectadas que ondulan por todo el citoplasma.

RETÍCULO ENDOPLÁSMICO LISO

La diferencia fundamental entre el retículo endoplasmático liso y el rugoso es la ausencia de ribosomas adheridos a sus membranas. En las células que poseen abundante retículo endoplasmático liso (hígado, corteza suprarrenal, cuerpo lúteo, células de Leydig), éste se distingue morfológicamente del rugoso porque, además de carecer de ribosomas, forma túbulos y no cisternas.

FUNCIONES

Las enzimas de la membrana del retículo endoplasmático liso intervienen en una amplia variedad de procesos. Sus funciones mejor conocidas son las siguientes:

Síntesis de lípidos

En el retículo endoplasmático liso se sintetizan los fosfolípidos, la ceramida y el colesterol (el de las membranas celulares y el que queda en el citosol como gotitas lipídicas). Los ácidos grasos, que van a formar parte de los fosfolípidos, se sintetizan en el citoplasma fundamental, desde donde son translocados a la membrana del retículo endoplasmático. Los azúcares que van a formar parte de algunos lípidos provienen también del citosol y se añaden en el complejo de Golgi.

Síntesis de derivados lipídicos

Entre los derivados lipídicos sintetizados en el retículo endoplasmático liso se encuentran las hormonas esteroideas, los quilomicrones de los enterocitos, las lipoproteínas de los hepatocitos y los ácidos biliares también de los hepatocitos.

Síntesis de hormonas esteroideas

El primer paso de la síntesis de hormonas esteroideas se realiza en el interior de las mitocondrias y consiste en la rotura de las cadenas laterales del colesterol para producir pregnenolona. Por eso, las mitocondrias aparecen muy relacionadas con el retículo endoplasmático liso en las células productoras de hormonas esterodeas. Los siguientes pasos que tienen lugar a partir de la pregnenolona se realizan gracias a enzimas de retículo endoplasmático liso y conducen a la formación de testosterona, estrona, estradiol, corticosterona y desoxicortisol. La corticosterona y el desoxicortisol pueden penetrar en la mitocondria para transformarse en aldosterona y cortisol, respectivamente.

Síntesis de quilomicrones intestinales

La lipasa pancreática degrada la grasa de la luz intestinal hasta glicerol, ácidos grasos y monoglicéridos. Así la absorben las células intestinales denominadas enterocitos. Los enterocitos transforman los ácidos grasos y el glicerol en triglicéridos, que son exportados unidos a proteínas en forma de quilomicrones. Al ser sustancias compuestas de lípidos y proteínas, en su síntesis participan tanto el retículo endoplasmático rugoso (síntesis del componente proteico) como el retículo endoplasmático liso (síntesis del componente lipídico). En los enterocitos hay retículo endoplasmático rugoso y liso entremezclados en la parte apical. Estas membranas forman vesículas que van a parar al complejo de Golgi, desde donde las lipoproteínas son segregadas como vesículas con un contenido denso, que no llena totalmente la membrana, al espacio extracelular lateral de los enterocitos. Desde allí alcanzan la lámina propia y penetran en los extremos ciegos de los vasos linfáticos, que los conducen a la sangre.

Destoxificación

Muchas sustancias tóxicas liposolubles (barbitúricos, etanol, insecticidas, herbicidas, conservantes, medicamentos, desechos industriales, etc.), así como muchos de los productos tóxicos liposolubles del metabolismo se degradan en el retículo endoplasmático liso, principalmente en el hígado, pero también en el intestino, los riñones, la piel y los pulmones. Las sustancias tóxicas se inactivan en la membrana del retículo endoplasmático liso mediante enzimas que transfieren oxígeno (oxigenasas) a dichas sustancias. Estas enzimas son poco específicas y pueden oxidar miles de compuestos hidrófobos convirtiéndolos en hidrófilos y, por tanto, más fáciles de excretar. La reacción enzimática de destoxificación más importante se realiza mediante el sistema del citocromo P450.

Regulación de nivel de calcio

Secuestro de iones calcio en el citoplasma celular. La liberación regulada de Ca2+ del SER de células musculares esqueléticas y cardiacas (conocido como retículo sarcoplásmico en las células musculares) desencadena la contracción.

Glucogenólisis

La degradación del glucógeno, así como su síntesis a partir de la glucosa, se suelen ubicar en el citoplasma. Sin embargo, algunos autores incluyen entre las funciones del retículo endoplasmático liso la degradación del glucógeno, ya que éste suele abundar en la proximidad del retículo endoplasmático liso, cuyas membranas contienen la enzima glucosa-6-fosfatasa, implicada en la degradación del glucógeno.

RETÍCULO ENDOPLÁSMICO RUGOSO

La misión del retículo endoplasmático rugoso es el almacenamiento de las proteínas sintetizadas por sus ribosomas para su glucosilación y empaquetamiento, con objeto de ser transferidas a otro orgánulo membranoso o ser secretadas al exterior. Las proteínas sintetizadas por los ribosomas libres no se glucosilan ni son empaquetadas, y permanecen en el hialoplasma. Si han de pasar a algún orgánulo, lo hacen a través de la membrana de éste por un sistema de bombeo.

FUNCIONES

Plegamiento de las proteínas en la luz del retículo endoplasmático rugoso

Como ocurre con las proteínas sintetizadas por ribosomas libres, las proteínas que se almacenan en la luz del retículo endoplasmático rugoso no están completamente plegadas. A ellas se une una proteína Hsp70 especial (BiP), que se encuentra en la luz y que tiene los siguientes efectos: mantener las proteínas en el interior del retículo endoplasmático rugoso, evitar su precipitación y ayudar a su plegamiento. Además, en dicha luz se encuentra también una proteína disulfuro isomerasa que rompe los puentes disulfuro formados entre las cadenas polipeptídicas. A los oligosacáridos de las glucoproteínas incompletamente plegadas se unen unas chaperonas del tipo lectinas, denominadas calnexina y calreticulina (requieren calcio), para mantenerlas en el retículo endoplasmático. Además, estas lectinas facilitan que otras chaperonas se unan a las cisteínas que no han formado enlaces disulfuro en las glucoproteínas malplegadas. Ambas lectinas se unen a glucosas terminales, pero sólo lo hacen cuando se han eliminado dos de las tres glucosas añadidas en la N-glucosilación, y se liberan cuando la tercera glucosa es eliminada. Entonces la proteína puede dejar el retículo endoplasmático. La misma proteína translocadora que permite la entrada de las proteínas en el retículo endoplasmático permite también la salida hacia el citosol de las proteínas malplegadas que no pueden ser reparadas. En el citosol son ubiquitinadas y entregada a proteasomas.

Glucosilación

La mayoría de las proteínas segregadas por las células contienen hidratos de carbono que forman cadenas de azúcares y se unen a la cadena de proteína por enlaces covalentes distribuidos en sitios específicos. Si las cadenas son cortas y sencillas (oligosacáridos), estas proteínas se denominan glucoproteínas. La presencia de oligosacáridos tiende a hacer las proteínas más resistentes a la digestión por proteasas. Es el caso de muchas enzimas digestivas, hormonas, proteínas del plasma, anticuerpos y las secreciones que recubren las células, como el moco de las células caliciformes. Si las proteínas contienen una elevada proporción de hidratos de carbono, se denominan proteoglucanos, muy abundantes en la matriz extracelular. En los proteoglucanos, la proteína forma un eje central del que cuelgan decenas de largas cadenas de hidratos de carbono, denominadas glucosaminoglucanos, cada una formada por un disacárido repetido múltiples veces.

Mecanismos que aseguran la destrucción de las proteínas mal plegadas

Recién se describió el modo en que las enzimas del retículo endoplásmico identiﬁcan las proteínas que no se pliegan de manera apropiada. Fue una sorpresa descubrir que las proteínas mal plegadas no se destruyen en el retículo endoplásmico, sino que se transportan al citosol por un proceso de “transposición inversa”.

Con base en este mecanismo propuesto, una glucosiltransferasa (GT) reconoce las proteínas mal plegadas y les agrega una glucosa al extremo de las cadenas de oligosacárido. Las glucoproteínas que contienen oligosacáridos monoglucosilados son reconocidas por la calnexina chaperona unida con la membrana y reciben una oportunidad para alcanzar su estado plegado correcto (nativo). Si esto no ocurre después de varios intentos, la proteína se traslada al citosol y se destruye. Una chaperona soluble (calreticulina) participa en este misma vía de control de calidad.

ENFERMEDADES

1) Síndrome de Wolcott-Rallison (Diabetes):

Enfermedad genética muy rara de carácter autosómico recesivo asociada a diabetes neonatal permanente, displasia epifisiaria múltiple y otras manifestaciones que incluyen episodios recurrentes de insuficiencia hepática aguda.

Relación con RER: El síndrome de Wolcott-Rallison, entre cuyos síntomas se incluye una diabetes que comienza ya en el primer o segundo año de vida, es causada por una mutación en el gen EIF2AK3, que codifica para el factor PERK (proteína sensor de stress del RER), inhabilitándola. Esta proteína necesaria para el normal funcionamiento de las células beta del páncreas. Un examen de las células beta revela un tamaño incrementado del RER, que aparentemente aparece como lleno de proteínas no dobladas incluyendo la insulina que ya estas células no la secretan normalmente.

2) Enfermedades Neurodegenerativas:

Las Enfermedades Neurodegenerativas son procesos crónicos y progresivos y están caracterizadas por pérdidas selectivas y simétricas de neuronas en los sistemas motor sensorial y cognitivo. La delimitación de los patrones de pérdida celular y la identificación de marcadores celulares específicos de la enfermedad han ayudado a la clasificación nosológica de estas enfermedades. En todas las enfermedades neurodegenerativas hay algún tipo de proceso anormal de las proteínas neuronales que pueden ser:

· Plegamiento anormal de proteínas.

· Alteraciones en las modificaciones post-translacionales de proteínas nuevamente sintetizadas.

· Anormalidades en el proceso proteolítico.

· Anomalías en los genes que intervienen en el acoplamiento (“splicing”).

· Expresión impropia.

· Reducción del aclaramiento de las proteínas degradadas.

3) Pseudoacondroplasia:

La pseudoacondroplasia es una forma de displasia ósea perteneciente al subgrupo de las espondiloepifisarias, habitualmente de herencia autosómica dominante, aunque también se han descrito formas recesivas y esporádicas. Se estima una prevalencia de alrededor de 1/60.000.

Relación con RER: La pseudoacondroplasia está producida por mutaciones en el gen COMP que provocan un defecto en la matriz proteica del cartílago.

Las mutaciones interfieren con el acodamiento proteico, conduciendo a una acumulación de proteínas en el retículo endoplásmico rugoso de éstas y otras proteínas (incluyendo colágeno tipo IX, y condroitín sulfato) lo que conduce a la muerte celular

El resultado es una disminución de las células viables de la matriz del hueso y una reducción de su tamaño viéndose la talla final severamente afectada, siendo alrededor de 80-130 cm.

El aparato de Golgi

El complejo de Golgi consta de varias unidades, probablemente conectadas entre sí, denominadas dictiosomas. Cada dictiosoma es un conjunto de sáculos apilados, separados entre sí entre 20 y 30 nm, en cuya periferia hay vesículas de diversos tamaños. La cara más próxima al núcleo celular se denomina cara proximal, cara cis o también cara de formación. Tiene forma convexa (vista desde la membrana plasmática) y presenta muchas fenestraciones. Su periferia se resuelve en tú bulos y vesículas. Los túbulos conectan con otros dictiosomas. Las vesículas provienen del retículo endoplasmático rugoso, que les transfiere su contenido (por eso se llaman vesículas de transición), y presentan un revestimiento del tipo COPII. Las restantes cisternas son cada vez menos fenestradas y contienen menos túbulos y vesículas. La cara más próxima a la membrana plasmática se denomina cara distal, cara trans o también cara de maduración. La luz de las cisternas aumenta progresivamente desde la cara cis a la trans. De la superficie de ésta emigran pequeñas vesículas hacia lisosomas (contienen enzimas lisosómicas) o vesículas mayores hacia la membrana plasmática (para la renovación de ésta, incluido el glicocálix). En las células secretoras se forman también grandes vesículas denominadas vacuolas de condensación, que maduran formando gránulos de secreción o gránulos de cimógeno, que también se dirigen a la membrana plasmática y contienen la secreción regulada. La membrana del aparato de Golgi tiene una estructura trilaminar, como las demás membranas citoplásmicas y, como éstas, es de menor espesor que la plasmática. En algunos casos, se ha descrito que el espesor de las membranas del complejo de Golgi va aumentando desde la cara cis a la trans, de modo que la membrana de las vesículas de secreción que abandonan el complejo de Golgi para unirse a la membrana plasmática tiene ya el mismo espesor que ésta.

FUNCIONES

Glucosilación en el aparato de Golgi

El aparato de Golgi tiene una función esencial en el ensamble del componente carbohidrato de las glucoproteínas y glucolípidos. Conforme las nuevas glucoproteínas solubles y de membrana pasan por las cisternas cis y media de la pila de Golgi, la mayor parte de los residuos de manosa también se retira de los oligosacáridos centrales y se agregan otros azúcares en forma secuencial por acción de varias glucosiltransferasas.

En el aparato de Golgi, como en el retículo endoplásmico rugoso, la secuencia en la que se incorporan los azúcares en los oligosacáridos depende de la disposición espacial de las glucosiltransferasas especíﬁcas que entran en contacto con la proteína recién sintetizada a medida que se mueve por la pila de Golgi.

El aparato de Golgi también es el sitio donde se sintetiza la mayor parte de los polisacáridos complejos de la célula, incluidas las cadenas de glucosaminoglucanos del proteoglucano, así como las pectinas y hemicelulosa de las paredes celulares de las plantas.

El movimiento de materiales a través del aparato de Golgi

Desde hace mucho ya se estableció que los materiales se mueven por los diversos compartimientos del aparato de Golgi; empero, dos nociones de la manera en que esto ocurre han dominado el campo durante años. Hasta mediados del decenio de 1980 se aceptaba en general que las cisternas de Golgi eran estructuras transitorias. Se presuponía que tales cisternas formaban la cara cis de la pila mediante la fusión de los portadores membranosos desde el retículo endoplásmico y el ERGIC y que cada cisterna se movía físicamente desde el extremo cis al trans de la pila y cambiaba de composición conforme avanzaba. Esto se conoce como el modelo de maduración de las cisternas porque, de acuerdo con el modelo, cada cisterna “madura” a lo largo de la pila. De mediados del decenio de 1980 a mitad del de 1990, el modelo de maduración del movimiento de Golgi casi se abandonó y se sustituyó por un modelo alternativo que proponía que las cisternas de una pila de Golgi permanecían en su sitio como compartimientos estables. En este último modelo, que se conoce como modelo de transporte vesicular, el cargamento (proteínas secretoras, lisosómicas y de membrana) se lanza a través de la pila de Golgi, desde la CGN hasta la TGN, en vesículas que se desprenden de un compartimiento de membrana y se fusionan con un compartimiento contiguo más avanzado en la pila. El modelo de transporte vesicular y su aceptación depende sobre todo de dos tipos de observaciones: 1. Cada una de las diversas cisternas de Golgi de una pila tiene una población distinta de enzimas residente. 2. Utilizando el microscopio electrónico es posible reconocer grandes cantidades de vesículas que se desprenden de los bordes de las cisternas de Golgi.

ENFERMEDADES

Enfermedad de Parkinson

En una célula modelo de la enfermedad de Parkinson en células PC12, la fragmentación de Golgi que ha sido observada como dependiente en la expresión de niveles de ciertos miembros de la familia de proteínas GTPasa (Rab family) que une proteínas.

A nivel celular, la enfermedad de Parking es asociada con la acumulación presinaptica de la proteína α-sinucleina y un bloqueo en el transporte RE-Golgi. En este nuevo estudio, la fragmentación fue correlacionada con cambios en los niveles de RAB1, RAB2, RAB8 y en la fusión SNARE (an acronym derived from "SNAP (Soluble NSF Attachment Protein) REceptor") proteica sintaxina 5 (STX5), pero que el fenotipo podía ser rescatado cuando RAB1 y RAB8 fuese sobreexpuestos y RAB2 y STX5 fuesen disminuidos.

Las proteínas RAB del complejo de Golgi también están implicadas con respecto a enfermedad: mutaciones en RAB33B han recientemente demostrado dirigir a una hinchazón del aparato de Golgi y fragamentación en displasia de Smith McCort.

Macroencefalea, alopecia, cutis laxa y escoliosis (MACS) síndrome y el síndrome RIN2.

En estas enfermedades, dos mutaciones independientes que dirigen a una disminución en expresiones en niveles de mRNA y ausencia de proteínas fibroblasticas en pacientes fueron descritas. En el caso del MACS los autores dicen que hay una acumulación de vacuolas en el complejo de Golgi más no otros cambios en dicho organelo.

Transporte vesicular

Los materiales son transportados entre compartimientos por vesículas (u otros tipos de transportadores limitados por membrana) que se desprenden de membranas donantes y se fusionan con las membranas receptoras.

Las cubiertas de proteína tienen por lo menos dos funciones distintas: 1) actúan como dispositivo mecánico que hace que la membrana se curve y forme una vesícula desprendible y 2) proporcionan un mecanismo para seleccionar los componentes que transporta la vesícula. Los componentes seleccionados incluyen: a) cargamento consistente en proteínas

secretoras, lisosómicas y de membrana que deben transportarse y b) la estructura necesaria para dirigir y conectar la vesícula con la membrana receptora correcta. En los dos casos mejor comprendidos, la cubierta de la vesícula está formada por dos capas distintas de proteínas: una jaula externa o andamiaje que forma el marco de la cubierta y una capa interna de adaptadores que sirve principalmente para unir el cargamento de la vesícula. Los adaptadores pueden seleccionar moléculas de cargamento especíﬁco en virtud de su aﬁnidad especíﬁca por las “colas” citosólicas de proteínas integrales que residen dentro de la membrana donadora.

Se han identiﬁcado diferentes clases de vesículas cubiertas; se distinguen por las proteínas que conforman la cubierta, su apariencia al microscopio electrónico y su función en el tránsito celular. Las tres vesículas cubiertas mejor estudiadas son las siguientes:

1. Las vesículas cubiertas con COP II desplazan materiales del retículo endoplásmico “hacia adelante” al ERGIC y al aparato de Golgi.

2. Las vesículas cubiertas con COP I mueven materiales en sentido retrógrado: 1) del ERGIC y pila de Golgi “hacia atrás” al ER y 2) de las cisternas Golgi trans “de regreso” a las cisternas Golgi cis

3. Las vesículas cubiertas con clatrina movilizan materiales de la TGN a los endosomas, lisosomas y vacuolas vegetales. También mueven materiales de la membrana plasmática a los compartimientos citoplásmicos a lo largo de la vía endocítica. Asimismo, se han referido en el tránsito de los endosomas y los lisosomas.

Propuesta del movimiento de materiales mediante el transporte vesicular entre los compartimientos membranosos de la vía biosintética/secretora.

Se cree que los tres tipos diferentes de vesículas cubiertas tienen distintas funciones en el transporte. Las vesículas cubiertas con COP II median el transporte del ER al ERGIC y al aparato de Golgi. Las vesículas cubiertas con COP I regresan las proteínas del ERGIC y aparato de Golgi al ER. Las vesículas cubiertas con COP I también trasladan las enzimas de Golgi entre las cisternas en sentido retrógrado. Las vesículas cubiertas con clatrina se encargan del transporte de la TGN a los endosomas y lisosomas.

Direccionamiento de las vesículas a un compartimiento particular

La fusión de las vesículas requiere interacciones especíﬁcas entre membranas diferentes. Por ejemplo, las vesículas del ER se fusionan con el ERGIC o red cis de Golgi y no con una cisterna trans. La fusión selectiva es uno de los factores que asegura un ﬂujo directo por los compartimientos membranosos de la célula. A pesar de un gran esfuerzo de investigación, aún no se comprenden del todo los mecanismos por medio de los cuales las células dirigen a las vesículas a compartimientos especiales. Se asume que una vesícula contiene proteínas especíﬁcas relacionadas con su membrana que regulan los movimientos y el potencial de fusión de esa vesícula. Para comprender la naturaleza de estas proteínas, se consideran los pasos que ocurren entre el desprendimiento de la vesícula y la fusión de la misma.

1. Movimiento de la vesícula hacia el compartimiento blanco especíﬁco. En muchos casos, las vesículas membranosas deben viajar distancias considerables en el citoplasma antes de llegar a su objetivo ﬁnal. Estos tipos de movimiento están mediados sobre todo por microtúbulos, que actúan como las vías de un tren que lleva contenedores con cargamento a lo largo de un trayecto deﬁnido hacia un destino predeterminado.

2. Fijación de las vesículas al compartimiento blanco. Se cree que los contactos iniciales entre una vesícula de transporte y sus membranas blanco, como una cisterna de Golgi, están mediados por proteínas ﬁjadoras. Se han descrito dos grupos de proteínas ﬁjadoras proteínas ﬁbrosas cilíndricas capaces de formar un puente molecular entre las dos membranas a una distancia considerable (50 a 200 nm) y grandes complejos de múltiples proteínas que parecen mantener próximas las dos membranas. Se formuló la hipótesis de que la ﬁjación es una etapa temprana en el proceso de fusión de las vesículas que requiere especiﬁcidad entre la vesícula y el compartimiento blanco. Gran parte de esta especiﬁcidad podría derivar de una familia de pequeñas proteínas G llamadas Rab, que ﬂuctúan entre el estado activo unido con GTP y el estado inactivo unido con GDP.

ENFERMEDADES

Enfermedad de transporte vesicular cerebral de dopamina-serotonina

La enfermedad del transporte vesicular cerebral de dopamina-serotonina es una enfermedad neurometabólica de inicio en la infancia, descubierta recientemente, que se caracteriza por distonía, parkinsonismo, incapacidad para caminar, disfunción autonómica, retraso en el desarrollo y trastornos anímicos.

La enfermedad del transporte vesicular cerebral de dopamina-serotonina está causada por una mutación en el gen SLC18A2 (10q25), que codifica el transportador vesicular 2 de monoaminas (VMAT2), responsable del transporte de dopamina y serotonina hacia el interior de las vesículas sinápticas. Las mutaciones en este gen provocan deficiencia de VMAT2 y, en consecuencia, problemas con el control de las funciones motora y autonómica y la regulación del estado anímico.

Relación con enfermedades

Son varias las patologías que pueden estar involucradas en un mal funcionamiento de todo el sistema de transporte y secreción de proteínas, como pueden ser el tétanos, que afecta la liberación de vesículas, así como algunos tipos de epilepsias.

Agregó que un trastorno del tráfico celular puede producir diabetes. En esta patología tan frecuente especialmente en la población mexicana, se encuentran trastornos en la secreción de la insulina en el páncreas como en la captación celular de la glucosa circulante.

Otro padecimiento relacionado con este inadecuado tránsito vesicular es el botulismo, producido por la bacteria Clostridium botulinum, la cual impide la liberación de un transmisor en las sinapsis que regula la actividad muscular; al no liberarse este transmisor los músculos no se contraen adecuadamente pudiendo producir parálisis respiratoria.

Asimismo, otro problema generado por el transporte celular está relacionado con la respuesta inmune, ya que las moléculas producidas por el aparato inmunológico para detectar al agente infectante tienen que ser liberadas para atacarlo y proteger el organismo; si esto no ocurre se dice que el individuo tiene bajas sus defensas.

Endocitosis y exocitosis

EXOCITOSIS

La fusión de una vesícula secretora o gránulo secretor con la membrana plasmática y la descarga subsiguiente de su contenido se llama exocitosis. Es probable que la exocitosis ocurra en forma continua en la mayor parte de las células, conforme se envían proteínas y otros materiales a la membrana plasmática y el espacio extracelular. Sin embargo, los ejemplos mejor estudiados de la exocitosis son los que ocurren durante la secreción regulada, sobre todo la liberación de neurotransmisores a la hendidura sináptica. En estos casos, la fusión de la membrana produce una abertura a través de la cual se libera el contenido de la vesícula o gránulo hacia el espacio extracelular. La fusión está regulada por una proteína de unión con calcio (sinaptotagmina) presente en la membrana de la vesícula sináptica. En otros tipos de células, la exocitosis casi siempre se inicia por la liberación de Ca2+ de las reservas citoplásmicas. Se cree que el contacto entre la vesícula y las membranas plasmáticas conduce a la formación de un pequeño “poro de fusión” recubierto con proteína. Algunos poros de fusión tan sólo se cierran de nuevo, pero en la mayoría de los casos el poro se dilata con rapidez para formar una abertura para que se descargue el contenido de la vesícula. Al margen del mecanismo, cuando una vesícula citoplásmica se fusiona con la membrana plasmática, la superﬁcie luminal de la membrana de la vesícula se vuelve parte de la superﬁcie externa de la membrana plasmática, mientras que la superﬁcie citosólica de la membrana de la vesícula se torna parte de la cara interna (citosólica) de la membrana plasmática.

ENDOCITOSIS

Los lisosomas son los responsables últimos de la degradación de grandes moléculas que penetran en la célula y que, como no pueden ser transportadas a través de la membrana debido a su gran tamaño, se incorporan por vesiculación. Este proceso se denomina endocitosis. Si estas partículas son visibles con el microscopio de luz, el proceso se denomina fagocitosis; si son sólo visibles con el microscopio electrónico, o si se trata de líquido con sustancias disueltas, se llama pinocitosis (véase Fig. 2.19). La endocitosis no es un proceso que pueda realizarse sin descanso, pues exige consumo de energía (hidrólisis del ATP) y reposición de membrana.

Pinocitosis

Es la ingestión de pequeñas partículas o líquidos, mediante la formación de vesículas muy pequeñas, solo visibles al microscopio electrónico. Se da en todo tipo de células.

Fagocitosis

Consiste en la ingestión de partículas de gran tamaño, organismos vivos o restos celulares que forman unas vesículas, visibles al microscopio óptico, denominadas vesículas o vacuolas de fagocitosis (fagosomas). Este proceso de endocitosis es característico de ciertas células del sistema inmunitario, como los macrófagos y neutrófilos, que ingieren partículas extrañas. Constituye, así mismo, el mecanismo de captura de alimento de algunos grupos de protistas, como amebas, flagelados y ciliados, que son organismos fagótrofos.

La fagocitosis se produce tras la formación de grandes pseudópodos (expansiones hialinas y transitorias del citoplasma y la membrana celular), que rodean las partículas que van a ser ingeridas hasta originar una vesícula de fagocitosis.

Endocitosis mediada por receptor y la función de las concavidades cubiertas

La endocitosis mediada por receptor (RME, receptor-mediated endocytosis) proporciona un medio para la captación selectiva y eﬁciente de macromoléculas que pueden estar presentes en concentraciones relativamente bajas en el líquido extracelular. Las células tienen receptores para la captación de muchos tipos diferentes de ligandos, incluidas hormonas, factores de crecimiento, enzimas y proteínas sanguíneas que transportan ciertos nutrientes. Las sustancias que ingresan a la célula mediante la RME unen con los receptores que se reúnen en dominios especializados de la membrana plasmática, conocidos como concavidades cubiertas. Los receptores se concentran en dichas concavidades con un nivel 10 a 20 veces mayor que en el resto de la membrana plasmática. Las concavidades cubiertas se reconocen en las micrografías electrónicas como sitios en los que la superﬁcie está hundida y la membrana plasmática está cubierta en su cara citoplásmica con una cubierta electrodensa erizada que contiene clatrina, la misma proteína que se encuentra en la cubierta proteínica de las vesículas formadas en la red trans de Golgi. Las concavidades cubiertas se invaginan en el citoplasma y luego se liberan de la membrana plasmática para formar vesículas cubiertas.

Cada molécula de clatrina consiste en tres cadenas pesadas y tres ligeras unidas para formar un ensamble de tres ramas llamado módulo trípode de clatrina (trisquelion). Cada miembro de un trisquelion de clatrina se extiende hacia afuera en dos aristas de un polígono. Las moléculas de clatrina se superponen de modo que cada vértice de un polígono contiene un centro de uno de los trisqueliones componentes. Al igual que las vesículas cubiertas con clatrina que se desprenden de la TGN, las vesículas cubiertas que se forman durante la endocitosis también contienen una capa de adaptadores complejos situados entre la celosía de clatrina y la superﬁcie de la vesícula que queda frente al citosol. La dinamina es una proteína de unión con GTP necesaria para la liberación de la vesícula cubierta con clatrina de la membrana en la que se forma. La dinamina se ensambla por sí misma en un collar helicoidal alrededor del cuello de una concavidad cubierta invaginada, justo antes que se desprenda de la membrana.

La vía endocítica

Las moléculas que capta una célula por endocitosis se mueven en una vía endocítica bien deﬁnida. Un grupo de receptores, al cual se le denomina “receptores domésticos”, es el encargado de la captación de materiales que se utilizan en la célula. El segundo grupo de receptores, al que se conoce como “receptores de señalización”, es el encargado de unir los ligandos extracelulares que llevan mensajes que cambian las actividades celulares La endocitosis del primer grupo de receptores casi siempre deriva en la entrega de los materiales unidos, como el hierro y el colesterol, a la célula, y el receptor regresa luego a la superﬁcie celular para realizar más rondas de captación. La endocitosis del segundo grupo de receptores conduce a menudo a la destrucción del receptor, un proceso llamado regulación en descenso del receptor, y que tiene el efecto de reducir la sensibilidad de la célula a la estimulación posterior por la hormona o factor de crecimiento. La regulación en descenso del receptor es un mecanismo por el cual las células regulan su capacidad para responder a los mensajeros extracelulares.

Después de la interiorización, los materiales unidos con la vesícula se transportan a una red dinámica de túbulos y vesículas conocidas en conjunto como endosomas, que representan los centros de distribución a lo largo de la vía endocítica. El líquido de la luz de los endosomas se acidiﬁca por efecto de una ATP-asa de H+ en la membrana limitante. Los endosomas se dividen en dos clases diferentes, los endosomas tempranos, que casi siempre se localizan cerca de la región periférica de la célula, y los endosomas tardíos, que por lo general se hallan más cerca del núcleo. Según el modelo prevaleciente, los endosomas tempranos maduran poco a poco hasta endosomas tardíos. Esta transformación de endosoma temprano a tardío se caracteriza por descenso en el pH, intercambio de proteínas Rab (p. ej., de Rab5 a Rab7) y un cambio notable en la morfología interna de las estructuras. Este último cambio ocurre cuando la membrana limitante externa del endosoma forma yemas en su superﬁcie luminal que se invaginan para crear una población de vesículas que llenan el interior del endosoma tardío. Los receptores que se captan por endocitosis se transportan en vesículas a un endosoma temprano, el cual sirve como estación clasiﬁcadora que dirige los distintos tipos de receptores y ligandos por vías diferentes. Por lo general, los “receptores gobernadores de la casa” se disocian de sus ligandos unidos como resultado de la concentración alta de H+ de los endosomas tempranos. Luego, los receptores se concentran en compartimientos tubulares especializados del endosoma temprano que representan centros de reciclaje. Las vesículas que se forman de estos túbulos llevan a los receptores de regreso a la membrana plasmática para efectuar más rondas de endocitosis. En cambio, los ligandos liberados (p. ej., LDL) se concentran en un compartimiento de clasiﬁcación antes de enviarse hacia un endosoma tardío y al ﬁnal a un lisosoma, donde ocurre el procesamiento ﬁnal. Los “receptores de señalización” con sus marcas de ubicuitina no se reciclan de nuevo a la membrana. En lugar de eso, estos receptores unidos con ubicuitina son reconocidos por una serie de complejos proteínicos (llamados complejos ESCRT) que derivan a los receptores a las membranas que dan origen a las vesículas internas de los endosomas tardíos. Al ﬁnal, los endosomas tardíos que contienen estas vesículas intraluminales se fusionan con un lisosoma, lo que da origen a la degradación del contenido del endosoma por acción de enzimas lisosómicas.

Los lisosomas

Los lisosomas son los organelos digestivos de una célula animal. Un lisosoma típico contiene cerca de 50 enzimas hidrolíticas diferentesque se producen en el retículo endoplásmico rugoso y se dirigen a estos organelos. Consideradas en conjunto, las enzimas lisosómicas pueden hidrolizar todo tipo de macromoléculas biológicas. Las enzimas de un lisosoma comparten una propiedad importante: todas alcanzan su actividad óptima en un pH ácido, por lo que son hidrolasas ácidas. El pH óptimo de estas enzimas se sitúa por debajo del pH del compartimiento lisosómico, que se aproxima a 4.6. La elevada concentración interna de protones se mantiene mediante una bomba de protones (una ATP-asa de H+) presente en la membrana que limita al organelo. Las membranas lisosómicas contienen diversas proteínas integrales muy glucosiladas cuyas cadenas de carbohidratos se cree que forman un recubrimiento protector para la membrana contra el ataque de las enzimas que encierra. Aunque los lisosomas tienen una colección predecible de enzimas, su apariencia en las micrografías electrónicas no es distintiva ni uniforme. La ﬁgura 8-33 muestra una pequeña porción de una célula de Kupﬀer, una célula fagocítica del hígado que atrapa eritrocitos viejos. Los lisosomas de una célula de Kupﬀer tienen una forma irregular y densidad electrónica variable, lo que ilustra qué tan difícil es identiﬁcar estos organelos sólo con base en su morfología. La presencia dentro de una célula del lisosoma, que es en esencia una bolsa de enzimas destructivas, sugiere varias funciones posibles. La función mejor estudiada es la degradación de materiales que llegan a la célula desde el ambiente extracelular. Muchos organismos unicelulares ingieren partículas de alimento que luego degradan por medios enzimáticos en un lisosoma.

Los nutrientes obtenidos pasan por la membrana lisosómica hacia el citosol. En los mamíferos, las células fagocíticas como los macrófagos y los neutróﬁlos funcionan como eliminadores que ingieren los detritos y microorganismos que pudieran ser peligrosos. Las bacterias ingeridas casi siempre se desactivan por el pH bajo del lisosoma y luego se someten a la digestión enzimática. Los lisosomas también tienen una función clave en el recambio de organelos, o sea en la destrucción regulada de los propios organelos celulares y su remplazo. Durante este proceso, que se denomina autofagia, un organelo, como la mitocondria, se rodea con una doble membrana para producir una estructura llamada autofagosoma. Después, la membrana externa se fusiona con un lisosoma para producir un autofagolisosoma, en el cual el organelo encerrado se degrada y los productos de degradación se hacen disponibles para la célula. Se calcula que una mitocondria se somete a la autofagia cada 10 min en una célula hepática de mamífero. Si la célula carece de nutrientes, se observa aumento notorio de la autofagia. En tales condiciones, la célula adquiere la energía para mantener su vida mediante el canibalismo de sus propios organelos. En años recientes se ha demostrado que la autofagia también ayuda a proteger al organismo contra amenazas intracelulares que van desde agregados proteínicos anormales hasta bacterias invasoras. Si se bloquea la autofagia en una parte particular del cerebro, esa región del sistema nervioso central experimenta una pérdida masiva de células nerviosas. Estos hallazgos revelan la importancia de la autofagia para proteger a las células cerebrales del daño continuo a las proteínas y organelos que experimentan estas células de larga vida. Una vez que se completa el proceso digestivo en el autofagolisosoma, el organelo se conoce como cuerpo residual. Según sea el tipo celular, el contenido del cuerpo residual puede eliminarse de la célula mediante exocitosis o conservarse dentro del citoplasma por tiempo indeﬁnido como un gránulo de lipofuscina. La cantidad de gránulos de lipofuscina se incrementa a medida que el individuo envejece; la acumulación es muy evidente en las células de vida prolongada, como las neuronas, en las que estos gránulos se consideran una característica principal del proceso de envejecimiento.

ENFERMEDADES

· Enfermedad de Tay-Sachs

Deﬁciencia enzimática: Hexosaminidasa A

Síntomas: Retraso mental, ceguera, muerte alrededor de los tres años de edad.

· Enfermedad de Fabry

Deﬁciencia enzimática: Galactosidasa α A

Síntomas: Erupción cutánea, insuﬁciencia renal, dolor en extremidades inferiores.

· Enfermedad de Gaucher

Deficiencia enzimática: Glucocerebrosidasa

Síntomas: Crecimiento de hígado y bazo, erosión de huesos largos, retraso mental sólo en la forma infantil.

· Enfermedad de NiemannPick

Deﬁciencia enzimática: Esﬁngomielinasa

Síntomas: Crecimiento del hígado y bazo, retraso mental.

· Lipogranulomatosis de Farber

Deﬁciencia enzimática: Ceramidasa

Síntomas: Deformación progresiva y dolorosa de las articulaciones, nódulos cutáneos, muerte en unos cuantos años.

· Enfermedad de Krabbe

Deﬁciencia enzimática: Galactocerebrosidasa Síntomas: Pérdida de mielina, retraso mental, muerte alrededor de los dos años de edad.

Peroxisomas

ESTRUCTURA

Los peroxisomas, junto con las mitocondrias, son orgánulos celulares que desempeñan una función primordial en la utilización del oxígeno. Morfológicamente se parecen a los lisosomas, pues son partículas esféricas, limitadas por una membrana, de un diámetro variable que oscila entre 0.3 y 1.5 µm, y con un contenido enzimático. Sin embargo, difieren funcionalmente de los lisosomas, pues las enzimas que contienen no son hidrolasas ácidas sino enzimas que intervienen en el metabolismo del H2O2 y colaboran con las mitocondrias y cloroplastos en algunas funciones.

Vistos con el microscopio electrónico los peroxisomaas presentan un contenido granular fino. Algunos peroxisomas contienen estructuras cristalinas, que parecen corresponder a la enzima oxidasa de urato. Estos nucleoides cristalinos varían según el tipo celular; en general, están constituidos por túbulos, unos de 10 nm y otros de 4.5 nm de diámetro, formando distintos tipos de redes. Algunos peroxisomas (como los del hígado y riñón de roedores) contienen una placa marginal densa, de unos 8.5 nm de espesor, separada de la membrana del peroxisoma por un espacio claro. Varios autores han observado canalículos que unen los peroxisomas entre sí. La membrana del peroxisoma tiene 7 nm de espesor y su composición es similar a la del retículo endoplasmático. Posee transportadores de electrones, como el citocromo b5, y las enzimas reductasa de b5-NADH y reductasa de citocromo P450-NADH.

ACTIVIDAD ENZIMÁTICA

Los peroxisomas se denominan así porque sus enzimas utilizan el oxígeno molecular para eliminar átomos de hidrógeno de sustratos específicos, a través de una reacción oxidativa que produce H2O2. La reacción global sería: RH2 + O2 ⇒ R + H2O2, siendo RH2 el sustrato oxidable (aminoácidos, cetoácidos α, ácido úrico, alantoína, acil-CoA, enoil-CoA, ácido glicólico, ácido glioxílico, etc.). Las enzimas que catalizan esta reacción son las oxidasas flavínicas, llamadas así porque tienen una flavina como grupo prostético. Entre ellas se encuentran oxidasas de aminoácidos, la oxidasa de acil-CoA, la oxidasa de glicolato y la oxidasa de urato, denominadas de acuerdo con el sustrato.

El H2O2 resultado de la reacción es un producto muy tóxico que es eliminado por otra enzima del peroxisoma, llamada catalasa, que posee un grupo prostético hemo. La eliminación puede ser directa, según la reacción 2H2O2 ⇒ 2H2O + O2, o puede seguir otra vía que consiste en emplear el H2O2 para oxidar diversas sustancias como alcoholes, fenoles, ácido fórmico, formaldehído y acetaldehído, según la reacción: H2O2 + R’H2 ⇒ R’ + 2H2O; siendo R’H2 una de las sustancias mencionadas. A diferencia de las oxidaciones respiratorias mitocondriales, las que se desarrollan en los peroxisomas no están acopladas a la fosforilación del ADP en ATP. No todas las enzimas mencionadas aparecen siempre en los peroxisomas de todos los tejidos, pero al menos la catalasa está siempre presente. Esta enzima constituye el 40% de la proteína total de los peroxisomas del hígado. En determinados tejidos, los peroxisomas pueden contener, además de algunas de las enzimas mencionadas, otras enzimas relacionadas específicamente con la degradación de bases púricas o de lípidos o, en los vegetales, con la fotorrespiración. Mediante su dotación enzimática los peroxisomas pueden intervenir en diversas vías metabólicas, que difieren según los organismos y el tipo de tejido. Las funciones específicas mejor conocidas son el catabolismo de las purinas, el metabolismo de los lípidos y el metabolismo del ácido glicólico.

CAPTACIÓN DE PROTEÍNAS EN LOS PEROXISOMAS

Las proteínas destinadas a un peroxisoma tienen una señal de dirección peroxisómica (PTS, peroxisomal targeting signal), ya sea una PTS para una proteína de la matriz peroxisómica o una mPTS para una proteína peroxisómica de la membrana. Se han identiﬁcado diferentes PTS: mPTS y receptores PTS. Los receptores PTS se unen con proteínas destinadas al peroxisoma en el citosol y las trasladan a la superﬁcie del peroxisoma. Parece que el receptor PTS acompaña a la proteína peroxisómica a través de la membrana limitante hacia la matriz y luego regresa al citosol para escoltar a otra proteína. A diferencia de las mitocondrias y los cloroplastos, cuyas proteínas importadas deben asumir un estado desplegado, de alguna manera los peroxisomas son capaces de importar proteínas de la matriz peroxisómica en su conformación plegada nativa, incluso las que tienen varias subunidades.

El mecanismo por el cual los peroxisomas son capaces de realizar esta tarea impactante aún es tema de controversia.

Las reacciones oxidativas de los peroxisomas son muy importantes en el hígado y el riñón, para la bioinactivación de gran cantidad de moléculas tóxicas que entran en la circulación, como por ejemplo el etanol. Casi la mitad del etanol ingerido por el organismo es oxidado a acetaldehído en los peroxisomas del hígado. En el riñón, los peroxisomas también degradan la triyodotironina a ácido triyodotiropirúvico.

ENFERMEDADES

Existe un defecto genético (enfermedad de Zellweger) por el que los peroxisomas no contienen enzimas, pues éstas no pueden penetrar en ellos. Los recién nacidos con esta alteración mueren antes del primer año de vida.

Otra alteración (adrenoleucodistrofia) impide la entrada de ácidos grasos en el peroxisoma para ser degradados. Esta enfermedad causa insuficiencia suprarrenal, neuropatía sensitivo-motora y paraplejía espástica.

En la enfermedad de Refsum, que ocasiona neuropatía, ataxia, ictiosis, ceguera nocturna y retinitis pigmentaria, falta (o es deficiente) la enzima que oxida el ácido fitánico, que es un ácido graso de cadena muy larga.

Mitocondria

GENERALIDADES

on el microscopio óptico las mitocondrias aparecen como gránulos, bastones, filamentos o raquetas. Si se utiliza contraste de fases y con una buena resolución, puede observarse que las mitocondrias son estructuras dinámicas: se mueven, se agrupan y se separan, se fusionan y se dividen.

Las mitocondrias contienen las enzimas del ciclo de Krebs y de la fosforilación oxidativa, así como los componentes de la cadena transportadora de electrones. De ahí su importancia metabólica, tanto en la oxidación de los glúcidos como en la de los lípidos, que lleva aneja la producción de ATP, fuente de energía para la célula. Por eso su tamaño, número y forma son muy variables de acuerdo con las necesidades de cada tipo celular. En el hígado hay unas 1000 mitocondrias por célula, pero en las células del miocardio, los túbulos contorneados distales del riñón y en otras células que necesitan una gran fuente de energía, son mucho más abundantes. Dentro de la célula se distribuyen sobre todo en los lugares donde la aplicación de esa fuente de energía es más intensa. En el músculo estriado se asocian a miofibrillas con el fin de producir ATP para la contracción. En células productoras de hormonas esteroides se asocian a los lípidos y al retículo endoplasmático liso pues, mediante sus enzimas, ambos tipos de orgánulos intervienen en la síntesis de estas hormonas a partir del colesterol.

Las dimensiones de la mitocondria guardan relación con su abundancia. Su anchura varía de 0.5 µm a 1 µm de anchura, y su longitud, de 1 µm a 7 µm, aunque en el miocardio pueden observarse mitocondrias de hasta 10 µm de largo. Las mitocondrias son a veces más grandes e irregulares de lo que parecen en los cortes observados con el microscopio electrónico, pues haciendo cortes seriados o con el microscopio electrónico de alta aceleración se demuestra que lo que parecían varias mitocondrias son, en realidad, partes de una misma mitocondria. Las mitocondrias presentan una doble membrana (externa e interna), cada una de unos 7 nm de espesor. Si se fijan las células con glutaraldehído, a gran resolución la estructura de ambas membranas mitocondriales parece globular, no trilaminar. Si la fijación se hace con glutaraldehído-paraformaldehído, la estructura aparece trilaminar, como en las demás membranas citoplásmicas. Entre ambas membranas hay un espacio de unos 8 nm (espacio perimitocondrial). La membrana interna presenta invaginaciones hacia el interior, que constituyen tabiques denominados crestas. Las crestas no llegan de un lado a otro de la mitocondria, por lo que la compartimentación que establecen es abierta. Tridimensionalmente, la forma de la mitocondria podría compararse a la de un cacahuete. El número de crestas es muy variable y, normalmente, está relacionado directamente con las necesidades de producción de energía de la célula; así, las crestas son muy numerosas en el músculo y escasas en el hígado. Las crestas se orientan preferentemente en sentido perpendicular al eje longitudinal de la mitocondria, pero en algunas células la orientación es diferente; así, en algunas neuronas las crestas son paralelas al eje longitudinal, y en el miocardio y en los adipocitos no son rectas, sino curvas. Las crestas no siempre son tabiques. En protozoarios, algas, glándulas suprarrenales y células de Leydig del testículo, son tubulares, lo que en los cortes se traduce en estructuras a modo de ojales.

MATRIZ MITOCONDRIAL

El compartimiento interno de la mitocondria comprende algunas estructuras que pueden observarse con el microscopio electrónico, tales como ribosomas, DNA, gránulos osmiófilos e inclusiones lipídicas, junto con iones, pequeñas moléculas y macromoléculas no visibles. El RNA y el DNA mitocondriales se hibridan entre sí, pero no lo hacen con el DNA del núcleo, lo que muestra que son propios de las mitocondrias.

DNA

Forma filamentos de unos 2.5 nm de espesor que corresponden a DNA. Este DNA es un doble helicoide no unido a proteínas, y no forma cromosomas, sino una única cadena que, en la mayoría de los organismos, tiene disposición circular como el DNA bacteriano. La longitud del DNA mitocondrial es de unos 5-6 µm en la mayoría de los organismos animales (desde platelmintos hasta mamíferos) y mayor (de 10 a 30 µm) en levaduras y algunas células eucariotas inferiores. En las plantas superiores el DNA es extraordinariamente largo (desde 30 hasta 800 µm). Dentro de un mismo organismo, el DNA mitocondrial varía poco de unas células a otras. En los organismos animales, como el espermatozoide no aporta citoplasma a la célula huevo, los genes mitocondriales se heredan exclusivamente de la madre. Suele haber varias copias del genoma en la matriz mitocondrial. El genoma mitocondrial humano consta de 16569 pares de bases, y casi todo él codifica proteínas o transcribe moléculas de rRNA y tRNA, aunque también contiene un par de secuencias reguladoras de DNA. En el citosol hay 48 tRNA diferentes, pero en las mitocondrias humanas sólo hay 22. Además, cuatro de los 64 codones tienen significados diferentes de lo que ocurre en el citosol. Para poder leer los codones con tan pocos tRNA, muchos tRNA se aparean con todos los codones que tienen las mismas dos bases iniciales, cualquiera que sea la tercera base. Esto también ocurre en el citosol, pero sólo para ocho codones.

INCORPORACIÓN DE PROTEÍNAS A LA MITOCONDRIA

La mayoría de las proteínas mitocondriales se sintetizan en el citosol y permanecen desplegadas tras su síntesis al interaccionar con otras proteínas de la familia Hsp70. Otras proteínas citosólicas le proporcionan las secuencias señal terminales características, de 20 a 80 aminoácidos, para su inserción en los complejos translocadores de proteínas a la mitocondria. En la membrana externa se encuentra el complejo TOM, y en la interna los complejos TIM y OXA. Estos complejos se sitúan en los puntos de contacto de ambas membranas mitocondriales. Para la inserción de las proteínas mitocondriales en el TOM es necesario que estas proteínas se liberen de las Hsp70 citosólicas mediante la energía proporcionada por la hidrólisis del ATP. Si la proteína ha de formar parte de dicha membrana, como ocurre con la porina, queda allí localizada. Si la proteína ha de ir a la matriz mitocondrial, se une a un componente del complejo TIM (TIM23), que se abre permitiendo así su translocación a la matriz. Esta transferencia se realiza por el gradiente electroquímico que proporciona el bombeo de H+ de la matriz hacia el espacio perimitocondrial, en la cadena transportadora de electrones. En la matriz, el péptido señal es lisado por una peptidasa señal. A las proteínas transferidas se unen proteínas Hsp70 específicas de la matriz mitocondrial para configurarlas. La liberación de estas Hsp70 también requiere la hidrólisis del ATP. Las proteínas sintetizadas en el citosol que van a formar parte de la membrana interna o del espacio perimitocondrial necesitan dos péptidos señal, uno para anclarse en la membrana externa, y el segundo para el anclaje en la membrana interna. La inserción puede seguir tres vías:

1. Estas proteínas entran en la matriz de la misma forma que las que van a residir allí, pero luego se anclan en la membrana interna por su segundo péptido señal a través del complejo OXA. Si van a pasar al espacio perimitocondrial, este péptido es lisado.

2. La proteína, en su paso a la matriz, es frenada por el TIM23 y se inserta por su segundo péptido señal en la membrana interna. Como en el caso anterior, si va a pasar al espacio perimitocondrial se libera de este péptido señal.

3. Un grupo de proteínas especializadas en el transporte de metabolitos a través de la membrana interna, presentan en vez de péptido señal terminal, varios péptidos señal intercalados en su estructura. Estas proteínas penetran por el TOM hasta un componente del TIM (TIM22) que las ancla en la membrana interna por medio de estos péptidos señal.

Las proteínas sintetizadas en la matriz mitocondrial quedan allí o pasan a la membrana interna. En este segundo caso, poseen un péptido señal que es reconocido por el complejo OXA.

ALTERACIONES MITOCONDRIALES Y ENFERMEDADES DE ORIGEN MITOCONDRIAL

En numerosos procesos que causan daño celular las mitocondrias resultan afectadas. Así, en deficiencias nutricionales y en el alcoholismo se observan mitocondrias gigantes en el hígado. En la atrofia muscular disminuyen el número y tamaño de las mitocondrias, al contrario de lo que ocurre en la hipertrofia. Este aumento del número y tamaño mitocondrial también se observa en los tumores denominados oncocitomas. La isquemia de los tejidos (insuficiencia de riego sanguíneo) implica hipoxia (insuficiencia de oxígeno) o anoxia (completa ausencia de oxígeno), lo que se traduce en la falta de respiración mitocondrial. La falta de oxígeno impide la oxidación de los ácidos grasos y la glucólisis aerobia, predominando la glucólisis anaerobia en el citosol, con la consecuente acumulación de ácido láctico (acidosis). Tampoco funciona la cadena transportadora de electrones y no se produce ATP. En el músculo anóxico (por ejemplo, en el infarto de miocardio), la ausencia de ATP tarda algún tiempo en sobrevenir porque su producción es inicialmente suplida por la fosforilación del ADP por la creatina fosfato. Las mitocondrias sufren cambios morfológicos que pueden resumirse en una tumefacción de gran amplitud, con desorganización de las crestas y acumulación de Ca2+ en la matriz. Las mitocondrias pueden sufrir también alteraciones congénitas que obedecen a defectos genéticos que afectan a la síntesis de componentes mitocondriales, principalmente a la de componentes de la cadena transportadora de electrones. Estos genes alterados pueden residir en el núcleo o en el DNA mitocondrial y se encuentran sobre todo en algunas miopatías y neuropatías. Entre las miopatías figuran el síndrome de Kearns-Sayre, que cursa con oftalmoplejía, retinitis pigmentaria y bloqueo cardíaco, y la oftalmoplejía externa progresiva crónica. Entre las neuropatías destacan la neuropatía óptica hereditaria de Leber, que comporta una degeneración del nervio óptico que causa ceguera, el síndrome de encefalopatía mitocondrial con acidosis láctica e ictus, la epilepsia mioclónica de fibras rojas melladas, la ataxia de Friedrich y la enfermedad de Leigh.

Biología celular y molecular

jueves, 7 de diciembre de 2017

Principales Organelos

Teoría celular

Virus

Viroides

La estructura y función de la membrana plasmática

El citoesqueleto y la movilidad celular

El retículo Endoplasmico

RETÍCULO ENDOPLÁSMICO LISO

FUNCIONES

RETÍCULO ENDOPLÁSMICO RUGOSO

FUNCIONES

ENFERMEDADES

2) Enfermedades Neurodegenerativas:

3) Pseudoacondroplasia:

El aparato de Golgi

FUNCIONES

ENFERMEDADES

Transporte vesicular

ENFERMEDADES

Endocitosis y exocitosis

EXOCITOSIS

Los lisosomas

Peroxisomas

ESTRUCTURA

ACTIVIDAD ENZIMÁTICA

ENFERMEDADES

DNA

INCORPORACIÓN DE PROTEÍNAS A LA MITOCONDRIA

ALTERACIONES MITOCONDRIALES Y ENFERMEDADES DE ORIGEN MITOCONDRIAL

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