Organizacin general de las clulas: Citosol y sistema de endomembranas

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Tema 10. El sistema de endomembranas de la clula. Componentes. La compartimentalizacin del citoplasma. Retculo endoplsmico: Morfologa, distribucin y variedades. Retculo endoplsmico liso y rugoso: estructura, organizacin y significado funcional.

1. El sistema de endomembranas de la clula

Observado con microscopa ptica, el citoplasma de casi todas las clulas parece relativamente

desprovisto de estructura. Pero ya antes de empezar el siglo XX, el examen de cortes de tejido

adecuadamente teidos indicaba la presencia de una extensa red de membranas dentro del citoplasma. Sin

embargo, no fue hasta el desarrollo del microscopio electrnico, en la dcada de los 40, cuando los bilogos

comenzaron a apreciar las diversas disposiciones de las estructuras membranosas presentes en el

citoplasma de la mayor parte de las clulas eucariotas. Se observaban vesculas rodeadas de membranas

de dimetros diferentes que contenan materiales de diversa densidad electrnica, largos canales enlazados

por membranas que se ramifican a travs del citoplasma para formar una red interconectada de conductos y

pilas de sacos aplanados rodeados de membranas llamadas cisternas.

De los estudios con microscopa electrnica y bioqumicos que siguieron fue cada vez ms evidente que

el citoplasma de las clulas eucariotas estaba subdividido en varios compartimientos rodeados por

membranas. Conforme se examinaron ms tipos de clulas se demostr que las estructuras membranosas

del citoplasma formaban distintas organelas identificables en diversas clulas a lo largo de la escala

filogentica.

2. Componentes

Para entender la relacin existente entre los compartimientos de la clula, resulta til considerar

cmo pueden haber evolucionado. Parece ser que los precursores de las primeras clulas eucariotas fueron

organismos parecidos a bacterias; que, generalmente, tienen membrana plasmtica pero no membranas

internas. Por tanto, la membrana plasmtica realiza todas las funciones dependientes de membrana, como:

bombeo de protones, sntesis de ATP, sntesis de lpidos, etc. No obstante las clulas eucariotas actuales

tienen un tamao 10-30 veces mayor y un volumen 1.000-10.000 veces mayor que una bacteria tpica. Se

puede suponer, que la profusin de membranas internas responde en parte a una adaptacin a este

incremento en tamao. Las clulas eucariotas tienen una relacin entre superficie y volumen mucho menor;

de forma que probablemente el rea de su membrana plasmtica es muy pequea para contener la gran

cantidad de funciones vitales ligadas a membrana que presenta una clula.

Evidentemente, la evolucin de las membranas internas ha sido paralela a la especializacin de la

funcin de las membranas. En algunas bacterias existen zonas especializadas de membrana plasmtica

que presenta una coleccin determinada de protenas de membrana que realizan funciones relacionadas y

que representan orgnulos primitivos (p. ej., la membrana prpura con bacteriorrodopsina en Halobacterium

o los cromatforos en bacterias fotosintticas). En algunas bacterias fotosintticas, estas zonas de

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membranas se han transformado en invaginaciones de la membrana plasmtica; mientras que en otras

bacterias parece que estas invaginaciones se han separado completamente de la membrana plasmtica

formando vesculas cerradas intracelulares rodeadas de membrana, especializadas en la fotosntesis. Por

tanto, un orgnulo eucariota que se haya originado por este procedimiento tendr un interior

topolgicamente equivalente al exterior celular; como es el caso del RE, complejo de Golgi, endosomas,

lisosomas y vesculas de transporte. As, se puede pensar que todos estos orgnulos son miembros de la

misma familia y que su interior se comunica intensamente entre s y con el exterior de la clula, va

vesculas de transporte.

En las bacterias los ribosomas estn unidos a la cara citoslica de la membrana plasmtica; por lo

que el origen evolutivo de la membrana del RE a partir de la membrana plasmtica explicara por qu en las

clulas eucariotas los ribosomas estn unidos a la membrana del RE.

As pues, el sistema de endomembranas est compuesto por los siguientes orgnulos:

Retculo endoplasmtico: - Liso.

- Rugoso.

Complejo de Golgi. Endosomas. Lisosomas. Vacuolas (vegetales).

La envoltura nuclear tambin puede considerarse parte del sistema de endomembranas; ya que se

contina con el retculo endoplsmico, y es sitio de sntesis de protenas de membrana. Sin embargo, no es

un orgnulo citoplasmtico y su principal papel es regular el flujo de material entre el ncleo y citoplasma.

Considerados en conjunto estos orgnulos forman un sistema de endomembranas estructural y

funcionalmente interrelacionadas. Otros orgnulos membranosos del citoplasma son: mitocondrias,

peroxisomas y cloroplastos.

3. La compartimentalizacin del citoplasma

Aunque el microscopio electrnico puede suministrar imgenes muy detalladas de las partes de una

clula, son imgenes congeladas en el tiempo. Ya que las clulas realizan procesos dinmicos, debemos

poner en accin nuestra imaginacin. Muchos estudios muestran que casi todos los orgnulos

membranosos del citoplasma forman parte de una red dinmica integrada en la cual se intercambian

materiales de una parte a otra de la clula en ambos sentidos. En la mayora de los casos, los vehculos de

transporte entre orgnulos, p. ej., del retculo endoplsmico al complejo de Golgi, son minsculas vesculas

de transporte que se forman por gemacin a partir de un compartimiento membranoso. Estas vesculas se

mueven a travs del citoplasma de manera dirigida, con frecuencia a lo largo de vas formadas por

elementos del citoesqueleto, y luego se fusionan con la membrana de un compartimiento diferente que

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acepta tanto la carga soluble de la vescula como su envoltura membranosa. Ciclos repetidos de gemacin

y de fusin desplazan materiales a lo largo de las vas a travs de la clula.

Se han identificado diversas vas en el citoplasma. Una va biosinttica en la que se sintetizan materiales en el retculo endoplsmico o en el complejo de Golgi, se modifican durante su paso a travs del

complejo de Golgi y se transportan en el citoplasma a diferentes destinos, como la membrana plasmtica,

un lisosoma, o la vacuola de una clula vegetal. Esta ruta se conoce como va secretora (incluye flujo de lpidos, carbohidratos y protenas), pues gran parte de los materiales sintetizados en el retculo

endoplsmico o en el complejo de Golgi estn destinados a ser descargados (secretados) hacia el medio

extracelular.

Las actividades secretoras de las clulas se dividen en dos tipos:

a) Secrecin constitutiva: se transportan materiales desde su sitio de sntesis y se descargan al espacio extracelular de manera continua, no regulada. La mayor parte de las clulas realizan este tipo de

secrecin, proceso que contribuye no slo a la formacin de matriz extracelular, sino tambin de la

propia membrana plasmtica.

b) Secrecin regulada: se secretan y almacenan materiales en grnulos de secrecin rodeados de membrana en las regiones perifricas del citoplasma y slo se descargan en respuesta a un estmulo

apropiado. Este tipo de secrecin ocurre p. ej., en clulas que producen y liberan hormonas o enzimas

digestivas y en clulas nerviosas que liberan neurotransmisores.

As como, la va secretora desplaza materiales hacia el exterior de la clula, la va endoctica funciona en direccin opuesta llevando materiales del exterior de la clula y desde la superficie de la membrana

plasmtica a compartimientos como los endosomas y lisosomas del citoplasma celular.

El movimiento de vesculas y de los materiales encerrados en ellas a lo largo de diferentes vas

dentro de una clula es anlogo a los movimientos de vehculos que llevan diferentes tipos de carga a lo

largo de las calles de una ciudad. Ambos tipos de transporte requieren unas normas de trfico para

garantizar que los materiales destinados a diferentes localizaciones sean entregados con precisin en los

sitios apropiados. La clasificacin de las protenas con diferente direccin se facilita por receptores

residentes en las paredes de la vescula de transporte que reconocen protenas destinadas a sitios

particulares.

Como hemos visto, los primeros estudios con microscopa electrnica suministraron a los bilogos

una descripcin detallada del citoplasma de las clulas con muy poca atencin a las funciones de las

estructuras observadas. Para definir las funciones del sistema de endomembranas fue necesario desarrollar

nuevas tcnicas y efectuar experimentos innovadores.

As mediante la tcnica de autorradiografa (Jamieson y Palade) se pudo responder a la pregunta de: dnde se sintetizan las protenas secretoras en las clulas y como llegan a la superficie celular dnde

sern descargadas?

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Para determinar los sitios donde se sintetizan las protenas de secrecin se incuban durante un

breve periodo secciones de tejido en solucin con aminocidos radiactivos. Durante este tiempo los

aminocidos marcados fueron captados por las clulas vivas e incorporados a las protenas conforme se

ensamblan en los ribosomas. Los tejidos se fijaron y las protenas sintetizadas durante la incubacin con

aminocidos radiactivos se determinaron mediante autorradiografa. Esta tcnica revel que el retculo

endoplsmico es el sitio donde se sintetizan las protenas de secrecin.

Para determinar la va que siguen las protenas secretoras dentro de la clula desde su sitio de

sntesis hasta donde se descargan. Realizaron experimentos de seguimiento de pulsos; despus de incubar el tejido durante un corto periodo con aminocidos radiactivos (pulso), lo transfirieron a un medio con aminocidos no marcados (seguimiento), periodo durante el que las protenas sintetizadas no incorporan radiactividad. Cuanto ms largo es el periodo de seguimiento ms lejos llegan las protenas

sintetizadas durante el periodo de pulso a partir del sitio de sntesis en la clula. Con esta tcnica se pueden

seguir los movimientos de molculas recin sintetizadas siguiendo una onda de material radiactivo que se

desplaza a travs de los compartimientos membranosos del citoplasma de la clula y que, por tanto, rene

a compartimientos membranosos aparentemente separados, en una unidad funcional integrada.

La microscopa electrnica y la autorradiografa proporcionan informacin sobre la estructura y

funcin de los orgnulos celulares, pero no suministra datos sobre la composicin bioqumica de estas

estructuras. Las tcnicas de fraccionamiento celular (Claude y De Duve) permiten fragmentar una clula por

homogeneizacin, rompindose las membranas citoplasmticas y los extremos de los fragmentos de

membrana se fusionan para formar vesculas esfricas menores de 100 nm de dimetro. Entre los

diferentes tipos de vesculas membranosas, las del sistema de endomembranas forman un grupo

heterogneo de vesculas de tamao similar conocidas como microsomas. Las vesculas aisladas de la fraccin microsmica mantienen un notable grado de su actividad original en la clula. As, adems de su

composicin bioqumica, se pueden determinar muchas de sus capacidades funcionales, como su actividad

enzimtica o su capacidad de secrecin.

4. Retculo endoplsmico. Morfologa, distribucin y variedades

Todas las clulas eucariotas tienen retculo endoplsmico (RE). Normalmente, su membrana

constituye ms de la mitad del total de las membranas de la clula. Forma una red laxa y laberntica de

tbulos y sculos (o cisternas) aplanados y ramificados, que se anastomosan entre s; tendiendo a

disponerse paralelamente donde son abundantes. Existen evidencias de que se encuentra interconectados

entre s, extendindose por todo el citoplasma; de modo que la membrana del RE forma una lamina

continua que define un nico espacio interno; este espacio, altamente intrincado, se denomina lumen, o espacio luminal o cisternal del RE y, a menudo, ocupa ms del 10% del volumen celular total. La membrana del RE separa el lumen del RE del citoplasma, y media la transferencia selectiva de

determinados compuestos entre estos dos compartimientos. El RE es un sistema canalicular intracelular

cerrado, que no se abre normalmente en la superficie celular; sin embargo, se contina con la membrana

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externa de la envoltura nuclear; as, el espacio situado entre las dos membranas que rodean al ncleo

puede considerarse como una cisterna, perinuclear, del RE.

El RE desempea un papel fundamental en la biosntesis celular. Su membrana es lugar de produccin de todas las protenas de transmembrana y lpidos de la mayora de los orgnulos celulares:

incluido el propio RE, complejo de Golgi, lisosomas, endosomas, vesculas secretoras y membrana plasmtica. La membrana del RE tambin contribuye de forma importante a la formacin de las membranas de las mitocondrias y peroxisomas, ya que produce los lpidos de estos orgnulos. Adems, todas las protenas de secrecin al exterior celular, y las que acabaran en el lumen del RE, en el complejo

de Golgi o en los lisosomas, son inicialmente transportadas al lumen del RE.

El RE se divide en dos categoras muy amplias: retculo endoplsmico rugoso (RER) y retculo endoplsmico liso (REL). La distincin morfolgica entre RER y REL consiste en la presencia en el primero de grnulos densos de ribonucleoprotena, ribosomas, que estn implicados en la sntesis de

protenas y que cuando estn presentes, siempre se encuentran en la superficie del espacio citoslico.

5. Retculo endoplsmico rugoso y liso: estructura, organizacin y significado funcional

5.1. Retculo endoplsmico rugoso

El RER aparece como un orgnulo membranoso extenso compuesto principalmente de sacos

aplanados o cisternas separados por un espacio citoslico. Las micrografas electrnicas muestran el

espacio cisternal del RER dividido en compartimientos separados, pero se cree que todas las cisternas de

RER se comunican entre s y que el espacio cisternal es continuo entre ellas.

La luz del RER vara mucho de 20-40 nm hasta 1 m cuando la luz de la cisterna queda muy dilatada por el contenido. Las membranas del RER son ms delgadas que la plasmtica, miden unos 7 nm

en vez de los 10 nm que es el espesor habitual de la membrana plasmtica. La bicapa lipdica es tambin

ms delgada, pues las cadenas de fosfolpidos del RER son menos largas y estn menos saturadas que las

de la membrana plasmtica. Las membranas del RER constan de un 30% de lpidos y un 70% de protenas,

teniendo un mayor contenido en protenas que la membrana plasmtica.

Igual que en la membrana plasmtica, hay una asimetra en la distribucin de los fosfolpidos. As, la

capa lipdica interna (hemimembrana E o exoplasmtica) es ms rica en fosfatidil-colina y en esfingomielina que la externa (hemimembrana P o protoplasmtica), la cual es ms rica en fosfatidil-etanolamina y fosfatidil-serina que la interna.

Los ribosomas se fijan a la membrana del RER por la subunidad mayor. La fijacin ocurre en

protenas especficas del RER denominadas receptor del ribosoma, pero slo se unen a la membrana del RER aquellas molculas de mRNA que codifican protenas con un pptido seal especfico para su reconocimiento por dicha membrana.

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5.1.1. Significado funcional La misin del RER es el almacenamiento de las protenas sintetizadas por los ribosomas para su glicosilacin. Las protenas sintetizadas por los ribosomas libres no se glicosilan, no son empaquetadas y permanecen en el hialoplasma. Si han de pasar a algn orgnulo, lo hacen a travs de la membrana del

orgnulo por un sistema de bombeo. Existen, sin embargo, algunas evidencias de glucoprotenas en el

hialoplasma o en el nucleoplasma.

Las protenas que se almacenan en el RER se utilizan con diversos fines:

Formacin de membranas citoplasmticas: RER y REL, envoltura nuclear y complejo de Golgi, junto con las enzimas que forman parte de estas membranas o que estn contenidas en

ellas.

Secrecin celular: Protenas sintetizadas en el RER pasan al complejo de Golgi y desde ste se emiten en el interior de vesculas de secrecin que se unen a la membrana plasmtica,

vertiendo el contenido por exocitosis (secrecin constitutiva y regulada).

Enzimas lisosmicas (hidrolasas cidas). Posiblemente, participa en la formacin de la membrana de los peroxisomas.

5.2. Retculo endoplsmico liso

Generalmente, la diferencia fundamental del REL con el RER es la ausencia de ribosomas

adheridos a sus membranas. Adems, los elementos membranosos del REL son tpicamente tubulares y no

cisternas, formando un sistema interconectado a travs del citoplasma. Sin embargo, esta configuracin

tiene muchas excepciones. En muchos tipos celulares (clulas germinales masculinas, msculo estriado

esqueltico y cardiaco, etc.) el REL tambin forma cisternas, adems de tbulos. En otros casos (clulas de

Sertoli) el REL y RER no establecen solucin de continuidad, pasando bruscamente de uno a otro, u

observndose cisternas que presentan ribosomas en una superficie y no en la otra (tbulos cribosos y

clulas acompaantes de vegetales).

Las membranas del REL tienen las mismas dimensiones que las del RER y similar composicin,

pero no idntica. Comparando con el RER, posee ms lpidos (hay ms esfingomielina y colesterol) y

menos protenas. Las protenas especficas del REL varan de una clula a otra segn las funciones

particulares del orgnulo.

Todo esto lleva a pensar que, efectivamente, el RE es un sistema dinmico de membranas comn,

que puede especializarse en la sntesis proteca, formando el RER, o en otras funciones que son

caractersticas del REL.

5.2.1. Significado funcional En la membrana del REL se encuentran enzimas que intervienen en una amplia variedad de

procesos. Las funciones mejor conocidas son:

Sntesis de lpidos: fosfolpidos y colesterol de membranas celulares.

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Participacin en la sntesis de derivados lipdicos: - Hormonas esteroideas.

- Lipoprotenas.

- Quilomicrones intestinales.

- cidos biliares.

Detoxificacin: muchas sustancias txicas liposolubles exgenas y del metabolismo celular, se degradan en el REL. Las sustancias txicas se inactivan en la membrana del REL mediante

reacciones de oxidacin y conjugaciones. La reaccin detoxificante ms importante se realiza mediante el sistema del citocromo P450.

Secuestro de iones calcio dentro del espacio cisternal: la liberacin regulada de Ca2+ por el REL (retculo sarcoplsmico en clulas musculares) desencadena respuestas celulares especficas,

incluyendo la contraccin de las clulas musculares.