LA CÉLULA: SISTEMAS DE MEMBRANAS y ESTRUCTURAS ASOCIADAS.

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1 LA CÉLULA: SISTEMAS DE MEMBRANAS y ESTRUCTURAS ASOCIADAS. GUIÓN. 1. RETÍCULO ENDOPLÁSMICO. - Retículo endoplásmico liso: estructura y función. _ Retículo endoplásmico rugoso: estructura y función. 2. RIBOSOMAS. - Estructura y composición. - Papel en la síntesis de proteínas. fases de activación, iniciación, elongación y terminación. destino de las proteínas. - Ribosomas de mitocondrias y cloroplastos. 3. APARATO DE GOLGI. - Estructura: dictiosomas. - Papel funcional de los compartimentos en el proceso de secreción. Complejo GERL. 4. LISOSOMAS Y OTRAS VESÍCULAS DE MEMBRANA. - Lisosomas: estructura, composición y función. - Glioxisomas y Peroxisomas. - Vacuolas. Importancia en células vegetales. 1. RETÍCULO ENDOPLÁSMICO. El retículo endoplásmico está formado por una membrana que replegandose una y otra vez va constituyendo un conjunto de cavidades cerradas de aspecto muy variable: vesículas globulares, sáculos aplanados o finos túbulos de trayectoria sinuosa. Esta membrana, separa un espacio interno, denominado lumen del R.E. Hay una porción del R.E. que delimita la región del núcleo y constituye la envoltura nuclear. Otra parte está en relación con el Ap. de Golgi. Se pueden distinguir 2 tipos de retículo: - El R.E. rugoso, que posee ribosomas adheridos a la cara de la membrana que da al citosol. Está organizado en forma de sáculos. - y el R.E. liso, que físicamente es una porción de la misma membrana, pero que carece de ribosomas unidos a ella. Consiste en una red de túbulos. 1

2 FUNCIONES del R.E. RUGOSO (RER).- Síntesis y almacenamiento de proteínas.- En el R.E. rugoso, los ribosomas unidos a las membranas del R.E. son responsables de síntesis de proteínas. Parece ser que son ribosomas libres del hialoplasma que se unen a la membrana del retículo cuando empiezan la síntesis de una proteína cuyo destino es: la secreción celular o formar parte de las membranas celulares. Glucosilación.- Antes de exportarse a otros compartimentos celulares, las proteinas se almacenan en el lumen del R.E. Estas proteínas para que puedan ser transportadas a otros orgánulos o al exterior de la célula han de estar glicosiladas, es decir, han de ser glicoproteínas; por ello, en el interior del retículo se glicosilan uniendose a oligosacáridos. FUNCIONES del R.E. LISO (REL).- Síntesis, almacenaje y transporte de lípidos o esteroides.-en las membranas que constituyen el R.E. liso, se localizan muchos enzimas biosintéticos, incluidos los responsables de casi toda la síntesis lipídica de la célula.salvo los ácidos grasos, todos los lípidos producidos en la célula se sintetizan en estas membranas. Los fosfolípidos y el colesterol, los dos elementos principales de todas las bicapas lipídicas, se sintetizan aquí y que las proteínas lo hacen en el R.E. rugoso (Síntesis de los componentes de las membranas celulares). Procesos de detoxificación.- En las membranas del RE liso existen enzimas capaces de eliminar la toxicidad de aquellas sustancias que resultan perjudiciales para la célula, ya sean producidas por ella misma, como consecuencia de su actividad vital, o provengan del medio externo: insecticidas, herbicidas, conservantes, medicamentos, etc. Conducción de impulsos.- El REL forma el retículo sarcoplásmico del músculo estriado. Este recibe la excitación a través del sarcolema y libera iones calcio, desencadenando la formación del complejo actina-miosina y por tanto produciendo la concentración muscular. RELACIÓN ENTRE RER y REL.- El RER y el REL están comunicados entre sí, observandose incluso, conexiones con la envoltura nuclear externa y con la membrana plasmática. Este hecho dio origen al concepto de que el retículo formaba un canal de transporte que discurría por toda la célula y le comunicaba con el exterior, cosa que posteriormente se ha comprobado. 2

3 2. RIBOSOMAS Los ribosomas son partículas compactas que pueden situarse: Adheridos a la cara externa de la membrana del retículo endoplásmico. Adheridos a la membrana nuclear externa. Libres en la matriz citoplásmica, pudiendo encontrarse aislados o formando polisomas o polirribosomas. Los polirribosomas son agregados de ribosomas (de 9 hasta 40, incluso 100), unidos a un filamento de ARN. En la matriz de mitocondrias y en el estroma de los cloroplastos. Los ribosomas participan en la síntesis de proteínas. El hecho de que los ribosomas estén libres o fijos, hace que las proteínas sintetizadas por ellos tengan distintos destinos finales. Las sintetizadas por los ribosomas libres quedan en el hialoplasma, mientras que las sintetizadas por los adheridos a membranas del retículo endoplásmico se transfieren a su luz para ser destinadas posteriormente a otros orgánulos intracelulares o ser expulsadas fuera de la célula, pero nunca quedan libres en el citosol. MORFOLOGÍA.- Los ribosomas constan de dos subunidades, una grande y otra pequeña. ESTRUCTURA y COMPOSICIÓN.- En eucariotas los ribosomas presentan un coeficiente de sedimentación de 80 S y las subunidades de 60 S y 40 S. La subunidad mayor está formada por 3 moléculas diferentes de ARN r (28 S, 5 8 S y 5 S) unidas a más de 40 proteínas ribosómicas distintas, mientras que la subunidad menor consta de una molécula de ARN ribosómico (18 S) unida a 33 proteínas ribosómicas diferentes. Los ribosomas de los procariotas son ligeramente menores y constan de menos componentes. Los ribosomas tienen un surco en el que encaja una molécula de ARN m. Además, contienen 2 centros de unión para que se acoplen en ellos las moléculas de ARN t: uno, para que se acople en él el ARN t con la cadena polipeptídica en crecimiento (CENTRO DE UNIÓN DEL PEPTIDIL-ARN t, o PUNTO P); y el otro, que recibe a la molécula de ARN t que porta al nuevo aminoácido que se va a incorporar al polipéptido (CENTRO DE UNIÓN DEL AMINOACIL-ARN t, o PUNTO A). SÍNTESIS DE PROTEÍNAS. Tanto en los procariotas como en los eucariotas, el mecanismo de la síntesis proteica se puede considerar dividido en 4 etapas sucesivas: activación, iniciación, elongación o alargamiento de la cadena y terminación. A continuación estudiaremos este proceso en los organismos eucariotas: ACTIVACIÓN.- Para cada uno de los 20 aminoácidos que forman parte de las proteínas existe una enzima específica, denominada aminoacil-arnt-sintetasa, y al menos un ARNt específico. La enzima y el aminoácido específico, utilizando ATP, forman un complejo y liberan pirofosfato. Este complejo se une a un ARNt específico, reconocido por la aminoacil-art-sintetasa. A 3

4 continuación, la enzima une el aminoácido al ARNt por su extremo 3, quedando activado. La enzima queda libre para activar otro aminoácido. INICIACIÓN DE LA SÍNTESIS DE PROTEÍNAS.- Toda molécula de ARNm maduro tiene una estructura definida. En el extremo 5 hay una corta región denominada lider, de 20 a 600 ribonucleótidos de longitud. Esa región termina cuando aparece un codón AUG. Una serie de factores proteicos de iniciación hacen que la subunidad menor del ribosoma se una a la región lider del ARN m, formándose el complejo de iniciación. Cuando la subunidad pequeña del ribosoma se encuentra sobre el codón AUG, se une a ella un RNAt especial (con el anticodón UAC) unido al aminoácido metionina. Se inicia la síntesis de proteínas por aquella parte del ARN m que tiene un triplete de bases iniciador (AUG). Una vez formado el complejo de iniciación, se acopla a éste la subunidad mayor del ribosoma formandose el ribosoma completo. ELONGACIÓN DE LA CADENA POLIPEPTÍDICA.- El ribosoma tiene dos zonas en las que puede unirse el ARNt: el lugar "P" o peptidil, donde se une el ARNt met y el lugar A o aminoacil, que inicialmente está desocupado. En el sitio A", que está vacio, se introduce el ARNt (cargado con su aminoácido), cuyo anticodón es complementario al codón del ARNm siguiente al AUG. La metionina, unida a través de su grupo carboxilo (-COOH) al ARNt, rompe su enlace y se asocia mediante un enlace peptídico con el grupo (-NH2) del segundo aminoácido, que continua enlazado con su ARNt. Esta reacción está catalizada por la enzima peptidil-transferasa. Por último, un factor de elongación obliga al ribosoma a desplazarse exactamente 3 nucleótidos a lo largo del ARNm. Este desplazamiento provoca la expulsión del primer ARNt del sitio P y la traslocación de todo el complejo desde el sitio A al P. De esta forma, el sitio P queda ocupado por el peptido en formación unido al segundo ARNt y el sitio A queda vacante y dispuesto para recibir a otro ARNt cargado con otro aminoácido. Este proceso se repite, de manera que en cada paso de la elongación, la molécula de aminoacil-arnt cuyo anticodón es complementario al siguiente codón del ARNm, se une al ribosoma. Luego, el aminoácido unido a este ARNt se transfiere a la cadena polipeptídica en crecimiento. TERMINACIÓN DE LA SÍNTESIS DE PROTEÍNAS.- La síntesis de la cadena polipeptídica se detiene cuando aparece en el sitio A uno de los codones de terminación (UAA, UAG, UGA). En este momento, un factor proteico de terminación se une al codón terminal e impide que ningún aminoacil-arn t se aloje en el sitio "A". La peptidil-transferasa se ve obligada a catalizar la transferencia de la cadena polipeptídica, no a otro aminoácido (puesto que está vacío el sitio "A"), sino a una molécula de agua. La cadena polipeptídica, con su extremo carboxilo terminal libre, se libera del ribosoma, quedando libre en el citosol. Cuando un ribosoma ha traducido un trozo suficientemente largo de ARN m, un nuevo ribosoma se une a él para iniciar una nueva síntesis. Por lo tanto, en condiciones fisiológicas, el ARN m se traduce simultáneamente por varios ribosomas, los cuales aparecerán encadenados. Un ARN m y los múltiples ribosomas que lo traducen, forman un POLIRRIBOSOMA o un POLISOMA. DESTINO DE LAS PROTEÍNAS. Aquellas proteínas que van a permanecer en el citosol, suelen ser activas desde el momento en que se han formado, ya que la mayor parte del plegamiento del polipéptido ocurre durante su síntesis. Estas proteínas suelen ser enzimas que catalizan las numerosas reacciones metabólicas que ocurren en el citosol. 4

5 También hay proteínas, que una vez formadas por los ribosomas libres, abandonan el citosol. Por ejemplo, las histonas y muchas otras proteínas cromatínicas, después de haber sido sintetizadas en el citoplasma difunden rápidamente a través de grandes poros nucleares y se unen a estructuras del núcleo. Otras proteínas, están destinadas a los cloroplastos y a las mitocondrias, de manera que tras su síntesis, son transportadas a través de las membranas que rodean sus respectivos orgánulos. RIBOSOMAS DE CLOROPLASTOS Y MITOCONDRIAS. Hay que destacar que también existen ribosomas libres en la matriz de las mitocondrias y en el estroma de los cloroplastos. Estos ribosomas se encargan de sintetizar proteínas del propio sistema genético del orgánulo, ya que como ya veremos, las mitocondrias y los cloroplastos contienen ADN propio. De todas formas, la mayoría de proteínas de estos orgánulos son sintetizadas en el citosol celular. Hay que resaltar, que estos ribosomas mitocondriales son más pequeños que los citoplasmáticos y presentan gran similitud con los de los organismos procariontes (bacterias y algas azules). Este y otros hechos hacen pensar que las mitocondrias proceden por evolución de las bacterias y que los cloroplastos derivan de las algas azules. 5

6 3. COMPLEJO DE GOLGI.- MORFOLOGÍA.- El microscopio electrónico ha revelado que el complejo de Golgi es un orgánulo constitutivo de todas las células eucarióticas (excepto los glóbulos rojos), en el que se pueden considerar tres niveles de organización: la cisterna o unidad básica, el dictiosoma o sistema lamelar, formado por el apilamiento de cisternas, y el aparato de Golgi constituido por el conjunto de dictiosomas. CISTERNA.- Cada cisterna es como un saco o cavidad lleno de contenidos fluidos.tiene forma de disco y consta de una sola membrana continua de superficie lisa. Posee una parte central plana, denominada sáculo, que se continua con un sistema periférico de túbulos y vesículas. Esta zona puede ser tan delgada que puede presentar fenestraciones. DICTIOSOMA.- Las cisternas no aparecen aisladas sino adosadas a otras formando el dictiosoma. En organismos superiores el número de cisternas por dictiosoma suele variar de 5 a 8. En organismos inferiores el número es superior, siendo de 30 ó más. El número de dictiosomas y su posición varia de una célula a otra, según el tipo de célula y el estado funcional en que se encuentra (se pueden encontrar hasta cientos de ellos en aquellas células que poseen una intensa actividad secretora, como, por ejemplo, las células glandulares. Asociadas al dictiosoma se observan una serie de VESÍCULAS, que pueden ser de dos tipos: Vesículas de pequeño tamaño, situadas sobre la cara convexa del dictiosoma. Se las denomina vesículas de transición, transferencia o intermedias. Parecen derivar de las cisternas del RER. Vesículas de mayor tamaño, situadas sobre las superficies laterales. Se las denomina vesículas secretoras. El dictiosoma presenta una polaridad que se evidencia por su forma y por la composición de sus cisternas. Esto condujo a la separación de dos caras o zonas dentro del complejo de Golgi: La y la CARA PROXIMAL, de FORMACIÓN o CIS de forma convexa; CARA DISTAL, de MADURACIÓN o TRANS, de forma cóncava. FUNCIÓN.- Interviene en los procesos de secreción.- La cara cis se localiza cerca del RE rugoso, mientras que la cara trans es la más cercana a la membrana plasmática. Se ha descubierto que las proteínas sintetizadas en el RE rugoso, tras permanecer en el lumen del RE durante cierto tiempo, se dirigen hacia el aparato de Golgi, en el cual penetran por su lado cis. Para pasar del Lumen del RE al interior del dictiosoma, las proteínas tienen que traspasar la membrana que limita cada compartimento, cosa que hacen en el interior de unas vesículas de transición. Una vez en el interior del Ap. de Golgi sufren algunas modificaciones y se dirigen hacia la cara trans, donde se concentran y se empaquetan en vesículas secretoras. 6

7 Las vesículas distribuyen estas moléculas hacia diversos destinos intracelulares y extracelulares: pared celular de los vegetales, membranas celulares, membranas de los orgánulos, lisosomas, etc. Parece ser que el Complejo de Golgi clasifica las moléculas antes de empaquetarlas, luego es cada vesícula la que se encarga de transportarlas hasta el lugar específico donde son necesarias. Aquellas vesículas que portan sustancias de secreción son evacuadas de la célula mediante exocitosis, proceso en el que las vesículas secretoras se fusionan con la membrana plasmática liberando su contenido al exterior. COMPLEJO GERL. Es una estructura celular independiente del aparato de Golgi, intimamente relacionada con su sáculo más interno, que forma parte del RE y es capaz de formar lisosomas y vesículas cubiertas. Se la conoce como complejo GERL para mostrar así la relación entre el aparato de Golgi, el Retículo Endoplásmico y los Lisosomas. Se encuentra presente en numerosos tipos celulares y tiene gran importancia en las células secretoras. El GERL concentra y empaqueta las enzimas lisosómicas, además de otras proteínas no enzimáticas, por lo que se considera el origen de los lisosomas. Las enzimas hidrolíticas son sintetizadas por los ribosomas citoplasmáticos y terminada su síntesis, estas enzimas entran en el retículo endoplasmático y llegan al aparato de Golgi para su empaquetamiento final. Se plantea el problema de como las enzimas lisosómicas se dirigen al lisosoma en vez de ser secretadas por medio de vesiculas. Es probable que existan diferentes canales que dispersen selectivamente los diferentes productos o que sean dirijidos por receptores situados en el interior del RE. 7

8 4. LISOSOMAS Y OTRAS VESÍCULAS DE MEMBRANA.- LISOSOMAS. ESTRUCTURA, COMPOSICIÓN y FUNCIÓN.- Son orgánulos rodeados de membrana, que contienen enzimas hidrolíticos (hidrolasas) capaces de catalizar en medio ácido la ruptura (lisis) de diferentes tipos de enlaces (peptídicos, glucosídicos, éster, etc.). La membrana de los lisosomas debe tener alguna característica especial ya que resiste la acción de estos enzimas; si no fuera así, los enzimas no podrían mantenerse aislados del citoplasma y lo dañarían. Estos orgánulos pueden considerarse en su conjunto como el estómago de la célula, ya que en ellos tiene lugar la DIGESTIÓN INTRACELULAR de las macromoléculas, mediante la hidrólisis enzimática de sus enlaces. Los enzimas que contienen los lisosomas son proteínas sintetizadas en el RE rugoso. De este orgánulo pasan al aparato de Golgi donde completan su síntesis, tras lo cual se concentran en vesículas (los lisosomas) que se liberan por la cara trans de este orgánulo. Una vez realizada la digestión, el material degradado atravesará la membrana lisosomal y será aprovechado por la propia célula. Si la digestión no ha sido completada se forman los cuerpos residuales. La membrana liposomal protege a la célula contra la lisis que producen sus enzimas, pero a la vez permite una cierta permeabilidad dejando paso a los productos resultantes de la digestión intralisosomal, bien para aprovechamiento de la célula o bien para su vertido al medio extracelular. Se diferencian dos tipos generales de lisosomas: A) Lisosomas primarios.- Son lisosomas recién formados, que todavía no han intervenido en ningún proceso de digestión y que por lo tanto sólo contienen enzimas hidrolíticos en su interior. Su función es diversa: Pueden originar lisosomas secundarios si se fusionan con otros materiales endógenos o exógenos. Pueden también verter su contenido directamente al exterior, provocando la lisis del material extracelular circundante. Este es el sistema que utilizan los hongos para digerir los nutrientes situados en la proximidad de su micelio; también lo utilizan los osteoclastos del tejido óseo para remodelar los huesos y los cartílagos en los vertebrados. En los espermatozoides, el acrosoma formado a partir del aparato de Golgi es considerado como un lisosoma especial que contiene hialuronidasa, proteasa y abundante fosfatasa ácida. La hialuronidasa tiene la función de abrir camino al espermatozoide, dispersando las células foliculares. B) Lisosomas secundarios.- Se trata de lisosomas primarios que se han fusionado con vesículas de endocitosis, formando una única estructura (vacuola digestiva o fagosoma), en la que tiene lugar la digestión celular. 8

9 Los materiales que se disgregan en los lisosomas pueden tener 2 orígenes: EXTERNO.- Las células toman materiales del exterior por diversas razones, que luego, en los lisosomas, son destruidos. Por ejemplo: Los leucocitos, para defender al organismo, fagocitan bacterias patógenas que luego destruyen en sus lisosomas. Los macrófagos limpian de partículas extrañas los alveolos del pulmón y otros tejidos. Las células del túbulo distal de la nefrona captan por fagocitosis y pinocitosis, macromoléculas que escapan del glomérulo. Los hepatocitos destruyen las proteínas envejecidas que circulan por la sangre. Estos materiales son capturados por endocitosis y se forma una vesícula que se fusiona con el lisosoma primario, dando origen a un lisosoma secundario. Es en el interior de este lisosoma 2º, donde se produce la digestión de los sustratos INTERNO.- Las células digieren parte de sus orgánulos envejecidos (porciones de RE, sáculos o cisternas de aparato de Golgi, etc). La autofagia es muy importante para las células, ya que destruye zonas dañadas y asegura la nutrición en condiciones desfavorables. Se da autafagia en las: Larvas de insectos durante la metamorfosis. Células vegetales que se transforman en vasos leñosos (reabsorción de protoplasma) Células epiteliales que se cargan de queratina. Glóbulos rojos que se cargan de hemoglobina. También se produce autofagia, cuando la célula quiere eliminar y reciclar parte de la membrana excedente que se ha formado en los procesos de exocitosis. Son un tipo especial de lisosomas que se hallan presentes en las semillas en germinación. En estas, las sustancias de reserva están en forma de lípidos y cuando empieza el desarrollo deben transformarse en azúcares. Esto se consigue mediante una serie de reacciones conocidas como ciclo de glioxilato. Por esta razón, los lisosomas que contienen los enzimas de este ciclo se conocen como glioxisomas. GLIOXISOMAS.- PEROXISOMAS.- Son orgánulos presentes en las células animales y vegetales, parecidos a lisosomas, que suelen localizarse junto al RE. Poseen una membrana única, con un contenido finamente granular que a veces se condensa en la zona central formando el cristaloide o nucleoide. Contienen varios tipos de enzimas oxidativas que utilizan oxígeno molecular para eliminar átomos de hidrógeno de determinados sustratos. RH 2 + O 2 R + H2O 2 (peróxido de hidrógeno = agua oxigenada) Los peroxisomas poseen grandes cantidades de catalasa. Ésta, transforma el H 2O 2 (peróxido de hidrógeno) generado por los otros enzimas en agua y oxígeno: H 2O 2 H 2O + O 2 9

10 Con el oxígeno generado, oxida otros sustratos como por ejemplo, el alcohol. Los peroxisomas de las células hepáticas y renales, sirven para la detoxificación de diversas moléculas. Por ejemplo, la mitad del etanol que bebemos se oxida a acetaldehído de esta manera. También participan en la oxidación de los ácidos grasos a acetil CoA. VACUOLAS.- Las células vegetales son grandes vesículas, separadas del hialoplasma por una membrana. Se forman por fusión de vesículas derivadas del RE y del aparato de Golgi. Generalmente son incoloras, teniendo a veces en disolución sustancias coloreadas. Las células vegetales utilizan sus vacuolas para: A) TRANSPORTAR y ALMACENAR: Almidón.- El almidón es el depósito más frecuente en las vacuolas vegetales. Otros nutrientes.- Como en las semillas donde se acumulan proteínas. Los gránulos de aleurona presentes en las semillas de vegetales, son lisosomas secundarios que se mantienen sin efectuar la digestión intracelular hasta la época de la germinación. En ese momento los tejidos que se encontraban con gran pérdida de agua se hidratan y los enzimas liposómicos se activan, de modo que comienza la digestión intracelular, siendo aprovechados sus productos por el embrión en desarrollo. Residuos.- Como las vacuolas de caucho en Hévea brasiliensis o de opio en Papaver somniferum. Otras sustancias.- Como colorantes de pétalos, alcaloides. B) AUMENTAR EL TAMAÑO DE LAS CÉLULAS: Las células vegetales necesitan capturar energía del sol para obtener alimento. Esto, está en función de la superficie expuesta por la célula; de modo que a mayor superficie, mayor capacidad de tomar energía. Para que aumente la superficie celular sin que con ello lo haga el volumen citoplasmático, las células vegetales acumulan agua en el interior de grandes vacuolas que sitúan en el centro de la célula. Alrededor de estas vacuolas se sitúa una fina capa de citoplasma y en él, numerosos cloroplastos ordenados de la manera más eficaz para captar energía. En las células animales también existen vacuolas, por ejemplo las vacuolas autofágicas y digestivas que ya hemos estudiado. También mencionaremos a las vacuolas pulsátiles que presentan los organismos unicelulares (como algunos protozoos). Estos seres viven en ambientes hipotónicos y el agua tiende a entrar en ellos; pues bien, las vacuolas pulsátiles se encargan de bombear el exceso de agua al exterior y de esa forma regulan su contenido hídrico. 10