A lo largo del semestre de biología contemporánea, uno de los principales temas fue la célula y sus funciones, no cabe duda de que este es muy interesante y demasiado extenso, pero a pesar de ello supimos tomarle provecho y aprender de el para conocer más sobre como es que se llevan a cabo diferentes funciones de nuestro cuerpo y de otros organismos, gracias a las células.
A continuación se presenta un articulo sobre la célula, sus funciones y su historia:
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BIOLOGIA CELULAR
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Un viaje en tren por el interior de la célula: el
Aparato de Golgi como la estación central del tráfico intracelular de
membranas
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El
sistema de membranas constituye un componente esencial para las células. La
célula eucariota tiene la membrana plasmática que la aísla del exterior y las
membranas intracelulares que la subdividen formando los distintos orgánulos.
Esta compartimentación le permite adaptarse a los variables ambientes
extracelulares y llevar a cabo funciones específicas dependiendo del tejido u
órgano al que pertenezca. Las membranas están compuestas por (glico)lípidos y
(glico)proteínas, que, una vez sintetizados se transportan a sus destinos
intracelulares. Errores en su envío y/o ubicación pueden resultar fatales para
la célula y para el organismo. Por ello, es crucial el control y la regulación
del transporte intracelular. Un orgánulo clave es el aparato o complejo de
Golgi. Este orgánulo representa la Estación Central intracelular de un viaje en
tren en el que viajeros, vagones, ruedas, cambios de aguja, semáforos, motores
y vías nos van a ayudar a entender cómo tiene lugar el tráfico intracelular de
membranas.
Introducción
La
célula está protegida del mundo exterior gracias a que está envuelta por la
membrana celular o membrana plasmática. En determinados tipos celulares, esta
membrana presenta unos dominios o regiones claramente diferenciados, tanto a
nivel funcional como morfológico (cilios, flagelos, microvellosidades). Son las
células polarizadas, entre las que se encuentran, entre otras, las células de
ciertos epitelios (como el renal y el intestinal) y las células neuronales. Sin
embargo, otros tipos celulares no presentan estas especializaciones
estructurales y, por tanto, son células no polarizadas, como por ejemplo, los
fibroblastos.
La
célula eucariota ha evolucionado funcionalmente conforme han ido apareciendo
los compartimientos intracelulares. Esta compartimentación estructural y
funcional viene determinada por la composición diferencial de los componentes
de las membranas: los lípidos y las proteínas. Sobre estos componentes recaen
las funciones comunes y especializadas de todas las células. Su correcta
localización es lo que determina que la célula lleve a cabo las funciones que
le vienen determinadas genéticamente. Por lo tanto, cualquier alteración en su
localización intracelular puede acarrear trastornos patológicos serios. El
conocimiento de las señales que guían y/o controlan la localización de los
lípidos y proteínas y cómo se transportan a los distintos compartimentos u
orgánulos (retículo endoplasmático, aparato de Golgi, lisosomas, cloroplastos,
mitocondria, peroxisomas, entre otros) resulta esencial para comprender las
funciones comunes y propias de la célula y, por extensión, del tejido u órgano
en el que está ubicada. El campo de estudio que aborda estas cuestiones recibe
el nombre de tráfico intracelular de membranas.
Las
grandes rutas del tráfico intracelular de membranas
El
tráfico intracelular de membranas es el proceso por el que los lípidos y
proteínas son enviados a los compartimentos de destino. De este modo, se
distinguen (Fig. 1):
1.- La
ruta secretora, biosintética o exocítica. Es la ruta por la que los componentes
recién sintetizados son transportados desde el compartimiento de síntesis o
retículo endoplasmático (RE) hasta (a) otros orgánulos (aparato de Golgi,
lisosomas, cloroplastos, etc), (b) la membrana plasmática, y (c) al medio
extracelular. Se distinguen dos tipos de secreción:
1.1.-
La secreción constitutiva. A medida que los lípidos y las proteínas son
sintetizados, se transportan y secretan sin pausa alguna hasta el destino
final. Esta secreción tiene lugar en todas las células (1).
1.2.-
La secreción regulada. Sólo tiene lugar cuando aparece una señal específica,
como la entrada de algunos iones (calcio) o como consecuencia de la interacción
entre una hormona y su receptor. Los productos susceptibles de secreción
regulada, una vez sintetizados, se almacenan en unas estructuras esféricas de
membrana conocidas como vesículas o gránulos de secreción (en función del
tamaño que tengan), a la espera de que aparezca la señal de disparo de la
secreción. La secreción regulada acontece en las células de tejidos endocrinos
(glándulas secretoras de hormonas) y exocrinos (páncreas exocrino), los
macrófagos, algunos tipos de leucocitos y las neuronas.
2. La
ruta endocítica. Es la ruta por la que componentes solubles y de membrana
entran en la célula. Esta ruta abarca a su vez:
2.1.
La ruta de internalización mediada por un receptor. En este caso, las moléculas
exógenas se unen a un receptor que generalmente se encuentra en la membrana
plasmática, o bien en determinados casos se almacena en compartimientos
intracelulares localizados inmediatamente por debajo de la superficie celular y
a la que se incorporan rápida y sincrónicamente cuando llega una señal específica,
como sucede, por ejemplo, con los receptores GLUT4 de la glucosa. Estos
receptores se encuentran en un compartimiento situado por debajo de la membrana
plasmática. Cuando suben los niveles de glucosa en sangre, se produce la
secreción de insulina, que se une a su vez a sus receptores presentes en la
membrana plasmática. Esta unión dispara la fusión de las vesículas que
contienen el receptor GLUT4 con la membrana plasmática, captando rápidamente la
glucosa del medio extracelular. Acto seguido, los receptores con la glucosa son
internalizados y la glucosa se desliga del receptor. Los receptores ya vacíos,
esperan el inicio de un nuevo ciclo funcional, cuando aparezca otra vez la
insulina en el medio extracelular. El desacoplamiento en la secuencia de este
proceso comporta la aparición de la diabetes mellitus independiente de
insulina.
2.2.
La pinocitosis. Es la vía por la que se internalizan macromoléculas y fluidos.
Además, es el mecanismo empleado para el recambio constante de la membrana
plasmática. En función del tipo celular, la membrana plasmática se renueva
completamente cada 30-60 min.
2.3.
La internalización mediada por caveolas. Es una ruta de internalización que
emplea unas vesículas que contienen mayoritariamente una proteína denominada
caveolina. A través de estas vesículas se captan las moléculas de pequeño
tamaño y de naturaleza hidrofóbica como el colesterol y el ácido fólico y
parecen estar implicadas en la señalización intracelular.
2.4.
La fagocitosis. La fagocitosis es un tipo especializado de endocitosis por el
que se internalizan grandes partículas como virus, bacterias, parásitos
intracelulares y complejos inertes. Se encuentra sólo en determinados tipos
celulares como los macrófagos y los neutrófilos.
3. La
ruta de reciclaje. Algunos componentes de membrana se internalizan, pero una
vez liberada la carga de unión son devueltos a la membrana plasmática para
volver a ejercer su función.
Fig.1.
Esquema general de las distintas rutas intracelulares del tráfico de membranas.
Esta
ruta la emplean la mayoría de los receptores de membrana (por ejemplo, los
receptores de factores tróficos y el receptor de la transferrina) y en realidad
es una combinación de la ruta endocítica (internalización) y de la secretora
(vuelta a la superficie celular).
El
tráfico secretor y endocítico están muy equilibrados en cuanto a la cantidad de
membrana intracelular. Cualquier alteración en este equilibrio comporta
anomalías que comprometen la supervivencia de la célula.
Viajando
en tren por el interior de la célula
Detallaré
a continuación los distintos orgánulos y componentes moleculares en el tráfico
de membranas, como si de un viaje en tren se tratase, en el que los pasajeros
representarían los lípidos y proteínas, los vagones corresponderían a los
intermediarios de transporte o vesículas y las estaciones, a los distintos
orgánulos (retículo endoplasmático, los lisosomas, los endosomas, la membrana
plasmática). Sin embargo, me extenderé con cierto detalle en el compartimento
que representaría la Estación Central intracelular: el complejo o aparato de
Golgi
El
retículo endoplasmático como el hangar, factoría y cadena de montaje de los
trenes intracelulares
Lípidos
y proteínas son sintetizados en el retículo endoplasmático (RE), que está
formado por una red continua de cisternas aplanadas, recubiertas de ribosomas y
que se extiende por todo el citoplasma. Los ribosomas son estructuras
citoplasmáticas encargadas del proceso de traducción de proteínas a partir de
los ARN mensajeros (ARNms) presentes en el citoplasma, que a su vez provienen
del núcleo una vez transcritos del ADN. Los ARNms codifican las proteínas
celulares, algunas de las cuales se situarán en el citoplasma y otras en el RE.
De éstas últimas, unas permanecerán solubles en el interior (o lumen) de las cisternas
del RE y otras se insertarán en la membrana del mismo. Las proteínas del RE
equivaldrían a los pasajeros que tienen asiento (proteínas de membrana) y los
que permanecen de pie (proteínas solubles o luminales). Del conjunto de
proteínas sintetizadas en el RE, unas residirán en orgánulos y otras serán
secretadas al exterior de la célula. Por consiguiente, las proteínas que
pertenecen a otros orgánulos que no sean el RE y las de secreción deben
transportarse a otras estaciones intracelulares (aparato de Golgi, lisosomas,
membrana plasmática), mientras que las proteínas residentes del RE deben
retenerse. Hay que mencionar que la mayoría de las proteínas sintetizadas en el
RE son también glicosiladas al mismo tiempo (proceso de N-glicosilación; ver más
adelante).
Todas
las proteínas presentan una estructura tridimensional. Para adquirirla deben
plegarse paulatinamente sobre sí mismas. Solamente las proteínas que se han
plegado correctamente serán susceptibles de ser transportadas. Este plegamiento
puede tener lugar enforma espontánea, pero suelen producirse errores que las
incapacitan funcionalmente. Para resolvereste problema, dentro del lumen del RE
se encuentran unas proteínas que ayudan a sus compañeras en este ejercicio de
contorsionismo molecular y que son conocidas con el nombre de chaperonas. Las
chaperonas facilitan el plegamiento lento y ordenado de otras proteínas, así
como un correcto ensamblaje cuando se componen de varias subunidades (Ellgaard
et al., 1999). Estos procesos post-traduccionales equivaldrían a que los
viajeros (proteínas) dejen las maletas, se quiten el abrigo, lean el periódico,
etc. Sin embargo, necesitan lo más esencial: el billete. ¿Qué es el billete?
¿Cuáles pasajeros pueden viajar y cuáles no? Intuitivamente, al igual que sucede
en la vida cotidiana, uno supone que para viajar hay que adquirir un billete
pero... sorprendentemente dentro de la célula, el viajar es para algunos gratis
y para otros no. Hasta hace poco tiempo se pensaba que no hacía falta ninguna
señal que determinase la salida de las proteínas solubles y de membrana
(conocidas genéricamente como "cargo") fuera del RE. Es la teoría de
la "flujo a granel" (bulk-flow) (Wieland et al., 1987). Sin embrago,
datos experimentales recientes demuestran que algunas proteínas sí presentan
una señal de salida en el extremo carboxilo y que consiste en dos aminoácidos
fenilalanina (di-fenilalanina) o, por lo menos, dos aminoácidos de naturaleza
ácida (Nishimura & Balch, 1997). Más claro es el caso de las señales que
implican la retención de las proteínas propias o residentes del RE. Así,
tenemos los aminoácidos en la posición carboxilo-terminal (1) di-lisina o
di-arginina para las proteínas de membrana de tipo I y tipo II, respectivamente
(Nilsson et al., 1989; Jackson et al., 1990; Schutze et al., 1994) y (2)
lisina-asparragina-glutámico-leucina (KDEL -código de una letra-) para las
proteínas solubles (Munro & Pelham, 1987). En principio, todas las
proteínas que no contengan esta señal de retención saldrán del RE. El destino
inmediato: el aparato o complejo de Golgi. Sin embargo, antes de llegar al
aparato de Golgi, hay que explicar cómo y en qué vehículo se realiza el
transporte, ya que el RE y el aparato de Golgi no están físicamente
interconectados. Por lo tanto, se ven obligados a utilizar unos intermediarios
de membrana que son las vesículas de transporte y que vienen a representar los
vagones del tren en que vamos a realizar nuestro viaje intracelular.
Las
vesículas de transporte o cómo se forman y ensamblan los distintos vagones
intracelulares
Tanto
las proteínas solubles como las de membrana que van a seguir la ruta secretora,
deben salir del RE camino al aparato de Golgi para ser completadas en su
estructura molecular (como por ejemplo, la glicosilación y la fosforilación),
empaquetadas y finalmente enviadas a sus respectivos destinos.
La
salida del RE es un proceso complejo, del que se conoce bastante bien su
maquinaria molecular. Hay que tener en cuenta que el volumen y la extensión del
RE es muchísimo mayor que el volumen del aparato de Golgi. Esto significa que
las proteínas dentro del RE están diluidas y por consiguiente deben
concentrarse a lo largo de su viaje hasta el aparato de Golgi. Esta
concentración se realiza de forma paralela al proceso de formación de vesículas
de transporte en determinados lugares del RE carentes de ribosomas y conocidos
como zonas de salida (exiting sites). Esto significa que no todo el RE es
susceptible de concentrar cargo y producir las vesículas de transporte.
Siguiendo con nuestro símil, los vagones o trenes (las vesículas) sólo se
encuentran en los andenes (zonas de salida del RE).
Asociado
al transporte tienen lugar dos hechos importantes: (1) la carga del cargo en la
vesícula y (2) la deformación de la membrana en los lugares de salida del RE
para seguidamente desprenderse y formar la vesícula de transporte. Siguiendo
con nuestro símil, los pasajeros (proteínas y lípidos) están diseminados por
toda la estación hasta que se van agrupando (concentrando) en el andén (zonas
de salida del RE) conforme se acerca la hora de salida del tren (conjunto de
vesículas de transporte).
Las
vesículas de transporte que viajan desde el RE hasta el aparato de Golgi
presentan una serie de cubiertas (coats) formadas por complejos multiprotéicos
que al autoensamblarse deforman la membrana donadora para formar las vesículas
de transporte. Son las vesículas con cubiertas de tipo COP (coat protein). Así
tenemos las de tipo COP I y las de tipo COP II (Kreis and Pepperkok, 1994).
Estas vesículas actúan en tandem (Nickel et al., 1998). Es decir, primero se
forman vesículas tipo COPII en el retículo endoplasmático y luego las COP I en
un compartimiento lábil y pleomórfico formado por estructuras
túbulo-vesiculares (VTCs, vesicular-tubular clusters) situado a medio camino
entre el RE y el aparato de Golgi y denominado ERGIC (endoplasmic
reticulum-Golgi intermediate compartment) (Fig. 2) (Hauri et al., 2000). En
este compartimiento se produce la concentración de ciertas proteínas solubles
destinadas a la secreción (Martínez-Menárguez et al., 1999).
Fig.
2. Esquema del transporte intracelular entre el retículo endoplasmático y el
aparato de Golgi. El aparato de Golgi está englobado por el retículo
endoplasmático y se sitúa alrededor de los centriolos. Entre el retículo endoplasmático
y el aparato de Golgi se sitúan estructuras túbulo-vesiculares que forman el
compartimento denominado ERGIC o VTC (complejo de transporte vesículo-tubular).
Hay
otro tipo de cubierta conocida como clatrina. La clatrina está constituida por
la asociación de tres cadenas pesadas y tres ligeras que forman unas unidades
llamadas triskelion y que se ensamblan formando figuras poliédricas a modo de
red de canasta de baloncesto. Originariamente se descubrieron en relación con
la endocitosis mediada por receptor y posteriormente se han visto también en
los procesos de salida de las proteínas del aparato de Golgi destinadas a los
lisosomas (Le Borgue & Hoflack, 1998).
Hay
que tener en cuenta que la formación de vesículas es un proceso que está
altamente regulado por otras moléculas, muchas de las cuales están directamente
implicadas también en procesos de señalización intracelular (Stow, 1995; De
Camilli et al., 1996). Esto es importante porque permite a la célula regular su
tráfico intracelular en función de lo que acontece en un momento determinado
del exterior. Sería equivalente a que en función de terminados sucesos
(espectáculos deportivos, políticos, musicales, etc.g) o épocas del año
(temporadas alta, media y baja) se produce una mayor o menor demanda para
viajar. Para ajustarse a dicha demanda hay que regular o ajustar el número de
vagones o su capacidad y/o la frecuencia de paso de los trenes. De este modo se
evita que el tráfico se colapse al no dar salida a las demandas de membrana y/o
de alguno de sus componentes, o bien que se infrautilice, lo que comportaría un
despilfarro de membrana y energía. Hay que tener en cuenta que la formación de
vesículas requiere energía.
El
aparato de Golgi: la Estación Central de distribución del tráfico intracelular
de membranas en células eucariotas
En la
mayoría de las células animales no polarizadas, el aparato de Golgi es un
orgánulo muy dinámico y único (una sola copia). Está compuesto por una serie de
pilas (stacks) formadas por cisternas muy aplanadas con unas dilataciones
laterales (rims). Estas pilas están interconectadas entre sí por túbulos y
vesículas (Rambourg y Clermont, 1990). El aparato de Golgi es el orgánulo
responsable de la mayor parte de las modificaciones que sufren los lípidos y
las proteínas una vez finalizada su síntesis en el RE (Driouch & Staehelin,
1997; Farquhar & Palade, 1998). El más abundante es el proceso de
glicosilación que da lugar a los glicolípidos y a las glicoproteínas. En el
aparato de Golgi tienen lugar extensas modificaciones del bloque de azúcares
estandarizado que se ha añadido a las proteínas conforme se sintetizaban en el
RE. También en el aparato de Golgi se producen procesos de fosforilación que
son esenciales para el envío correcto de ciertas proteínas solubles a los
lisosomas, procesos de sulfatación de proteoglicanos y de ciertos aminoácidos y
por último reacciones de proteólisis esenciales para la activación de ciertas
hormonas.
En las
células animales, el aparato de Golgi se localiza cerca del núcleo y alrededor
del centrosoma (Fig. 3A). El centrosoma es un orgánulo citoplasmático del que
surgen los microtúbulos. Englobando al aparato de Golgi se sitúa el RE (Fig. 2)
(Nota: en los libros de texto de Biología Celular y Molecular y en los de
Bioquímica, sitúan el aparato de Golgi entre el RE y la membrana plasmática
para de este modo hacer más comprensible la secuencia del transporte en la vía
secretora. Este esquema funciona bien didácticamente pero no refleja la
disposición real intracelular en la célula no polarizada, lo que fácilmente
induce a errores de interpretación).
Tanto
en células animales como vegetales, un stack de Golgi está constituido por las
cisternas aplanadas (zona media) con una zona o cara de entrada (cis) y otra de
salida (trans) (Fig. 3B). Cada una de las caras está unida a su respectiva red
de estructuras túbulo-vesiculares: una de entrada o red tubular cis del Golgi
(cis-Golgi network, CGN) y la otra de salida o red tubular trans del Golgi
(trans-Golgi network, TGN) (Rambourg y Clermont, 1990) (Fig. 2). La morfología
del aparato de Golgi es un tanto variable en función del tipo celular. Su
tamaño suele estar en consonancia con la actividad biosintética de la célula.
De forma similar sucede con el tamaño de las estaciones centrales de ferrocarriles:
mayores cuanto mayor es el tráfico de trenes que deben soportar.
Esta
polaridad morfológica del aparato de Golgi se traduce en una polaridad
funcional y un tráfico vectorial en sentido de la ruta secretora hacia la
membrana plasmática. A lo largo de este viaje, las proteínas y lípidos en
tránsito por el aparato de Golgi sufren una serie de modificaciones que se
suceden también de forma secuencial. Estas modificaciones secuenciales vienen
determinadas por la distinta composición molecular, principalmente por lo que
se refiere a las enzimas de glicosilación o glicosiltransferasas, las cuales se
localizan de forma más o menos diferencial a lo largo de las cisternas del
aparato de Golgi (Roth, 1997; Varki, 1998). A diferencia de lo que ocurre con
las proteínas residentes en el RE, no se conocen con exactitud las secuencias
y/o los requisitos estructurales que contienen las glicosiltransferasas para su
retención en el aparato de Golgi.
Ensamblaje
y mantenimiento del aparato de Golgi en células eucariotas. Modelos de
transporte vesicular y de maduración de cisternas.
El
aparato de Golgi está compuesto también por una membrana. A pesar de sufrir un
intenso tráfico de membranas, el aparato de Golgi permanece constante en cuanto
a tamaño y forma. Este hecho implica la existencia de un delicado equilibrio
dinámico de los flujos de membrana de entrada y de salida. Hay que evitar que
el aparato de Golgi se hipertrofie convirtiéndose en un monstruo intracelular o
se atrofie o incluso desaparezca. Cualquiera de estas situaciones comprometería
la vida de la célula. La integridad estructural del aparato de Golgi es pues el
resultado del equilibrio entre el tráfico anterógrado y retrógrado (Fig. 2). El
tráfico anterógrado viene definido por el flujo de membrana que entra y sale
del aparato de Golgi en dirección a la membrana plasmática. El tráfico
retrógrado se define como el flujo de membrana que pasando u originado en el
aparato de Golgi se dirige al RE. El tráfico anterógrado es el que clásicamente
identificamos como el de la vía secretora. El tráfico retrógrado es el que
emplean las proteínas solubles y de membrana que se han escapado del RE hacia
el aparato de Golgi y que después son devueltos de nuevo al RE. Para ello,
emplean una serie de receptores que reconocen las secuencias de retención del
retículo (receptores de K(H)DEL; Lewis & Pelham, 1990) y que ya se han
mencionado anteriormente. El transporte retrógrado es también la ruta que
emplean algunas toxinas (la toxina colérica) para llegar al RE y ejercer
después su efecto tóxico. En este caso, estas proteínas una vez internalizadas
deben cruzar forzosamente el aparato de Golgi para llegar hasta el RE (Sandvig
et al., 1992).
Fig.
3. (A) El aparato de Golgi de las células de mamífero en cultivo visualizado
con el microscopio óptico de fluorescencia empleando anticuerpos contra una de
sus proteínas residentes (la manosidasa II). Se observa que el aparato de Golgi
presenta una morfología reticular y extendida alrededor del núcleo de la
célula. (B) El aparato de Golgi visualizado con el microscopio electrónico de
transmisión (B). El aparato de Golgi (g) está formado por una pila de cisternas
planas. Se observa también que el aparato de Golgi está rodeado de cisternas
del retículo endoplasmático (re). Las flechas indican algunas vesículas de
transporte que contienen la cubierta COPI. n, núcleo; l, lisosoma.
Sin
embargo, ¿quién determina y/o regula la especificidad o fidelidad del tráfico
tanto anterógrado como retrógrado? En otras palabras, ¿quién o quiénes actúan
de semáforo, de cambios de aguja o autorizan la entrada y salida de trenes de
nuestra estación central intracelular? Parece ser que la especificidad en el
reconocimiento y en la fusión de membranas radica en la interacción molecular
de una serie de complejos multiprotéicos y que han originado la hipótesis SNARE
del transporte vesicular (Rothman y Warren, 1994). Según este modelo, se
produce la interacción específica de un grupo constante de componentes
proteicos como son las proteínas NSF (proteína de fusión sensible a NEM), SNAPs
(proteínas solubles de unión a la NSF) y SNAREs (proteínas receptoras de
SNAPs). Estas SNAREs estarían presentes tanto en la membrana donadora (vSNARE),
por ejemplo en una vesícula de transporte, como en la membrana aceptora
(tSNARE), por ejemplo una cisterna del aparato de Golgi o la membrana
plasmática. La interacción entre una vSNARE y una tSNARE sería única y
aseguraría la especificidad de la fusión. Se han identificado hasta la fecha
numerosas proteínas SNAREs específicas para determinados compartimentos.
Siguiendo con nuestro símil, las SNAREs actuarían como los cambios de aguja que
desvían cada tren a su correspondiente andén. Sin embargo, experimentalmente se
ha visto que las SNAREs no son totalmente específicas y se verían ayudadas en su
especificidad por otras proteínas llamadas Rab (Novick y Zerial, 1997). Las
proteínas Rab se anclan a las membranas cuando se activan por unión al
nucleótido GTP. Para cada compartimiento intracelular se ha identificado una
proteína Rab específica. Estas vendrían a representar los semáforos
intracelulares que evitarían tanto las colisiones de trenes que ocurrirían
durante los cambios de vías camino a los andenes así como los errores de
ubicación de los trenes en los andenes. Evidentemente, hay otros componentes
reguladores menores pero que se escapan del ámbito de este artículo.
Fig.
4. Esquema general de los dos modelos de transporte intracelular: el modelo
vesicular (A) y el de maduración de cisternas (B). Para más detalles ver el
texto. Modificado a partir de Glick y Malhotra (1998).
Tanto
el transporte anterógrado como el retrógrado tendrían como intermediarios de
membrana a las vesículas (Rothman, 1994) (Fig. 4A). Estas estructuras de
membrana suelen tener un tamaño de unos 60-80 nm y su especificidad y fidelidad
en el transporte vendrían determinadas principalmente por las proteínas SNARE y
Rab. El modelo vesicular funciona muy bien para explicar el transporte de la
mayoría de proteínas y lípidos, ya que se ajustan bien al tamaño de la
vesícula. Además, la relación volumen/superficie es alta, con lo que la
capacidad de carga es muy elevada. Sin embargo, la célula también sintetiza y
transporta al exterior moléculas o complejos protéicos de gran tamaño. Por
ejemplo, las escamas de ciertas algas, el procolágeno sintetizado por los
fibroblastos, o los complejos multiprotéicos entre la apoproteína E y la
albúmina en el hepatocito ¡todos son demasiado grandes para caber en el
interior de las vesículas! En estos casos se piensa en un modelo alternativo conocido
como el de maduración de cisternas (Fig. 4B) (Mironov et al., 1997; Glick y
Malhotra, 1998). Este modelo postula que se formaría una cisterna en la parte
cis del aparato de Golgi por la continua fusión de los VTCs procedentes del RE.
De esta fusión resultaría la cisterna más cis del aparato de Golgi. El
posterior transporte hasta la membrana plasmática tendría lugar gracias al
progresivo movimiento de las cisternas en dirección a la parte trans del
aparato de Golgi. Según este modelo, las proteínas transportadas no saldrían
nunca del interior de las cisternas y las proteínas residentes del aparato de
Golgi (las glicosiltransferasas) saldrían de las cisternas conforme éstas van
madurando, transportándose retrógradamente de forma vesicular a la cisterna inmediatamente
anterior. Finalmente, ya en la parte más trans del aparato de Golgi (el TGN),
la cisterna "madura" se transportaría como tal o bien se rompería
formando túbulos, para finalmente fusionarse con la membrana plasmática.
Un
modelo muy utilizado para el estudio de la maquinaría molecular responsable del
ensamblaje y desensamblaje del aparato de Golgi es la mitosis (Warren &
Malhotra, 1998). La mitosis es el proceso por el cual las células se dividen
dando origen a las células hijas. Consecuentemente, éstas reciben una copia de
todo lo que contiene la célula madre: el material genético (cromosomas) y los
distintos orgánulos. Durante el proceso mitótico, el aparato de Golgi se
fragmenta, dispersándose por el citoplasma, distribuyéndose equitativamente
estos fragmentos de Golgi a cada célula hija. Al final de la mitosis, estos
fragmentos se vuelven a ensamblar y forman un único aparato de Golgi con la
clásica morfología reticular y situado alrededor del centrosoma (Fig. 3A; 6A)
(Lowe et al., 1998). Sin embargo, hay que destacar que la fragmentación del
aparato de Golgi asociada a la mitosis sólo acontece en las células de
mamíferos. En otros eucariotas como las levaduras (el otro gran modelo de
estudio de la maquinaria molecular implicada en el tráfico intracelular de
membranas; Duden & Schekman, 1997), en insectos como Drosophila (Stanley et
al., 1997), y en las células vegetales (Driouich & Staehelin, 1997), el
aparato de Golgi no se fragmenta .
Vías
de alta y baja velocidad en el transporte intracelular: el citoesqueleto y su
relación con el aparato de Golgi
Hemos
visto hasta ahora que el tráfico intracelular entre los distintos
compartimentos subcelulares está mediado principalmente por vesículas. Estos
sucesos de transporte implican ciclos de selección del cargo en dominios de
membrana específicos de los distintos orgánulos, seguidos a continuación por el
envío y posterior fusión de la vesícula con la membrana del compartimiento
receptor. Hemos descrito la maquinaria molecular que regula estos procesos
(proteínas de cubierta COPI, COPII; SNAREs, rabs) pero existen también unas
moléculas más de tipo estructural que establecen y mantienen la forma de los
compartimentos, que retienen los orgánulos en un determinado lugar dentro de la
célula y/o permiten que las vesículas se unan y muevan a lo largo de ciertas
estructuras para alcanzar sus destinos intracelulares. Siguiendo con nuestro
símil, vamos a continuación a hablar sobre motores, ruedas y vías de tren.
Todas
las células contienen un citoesqueleto que organiza y determina en cierto modo
la localización de los orgánulos y mantiene la forma celular. Este
citoesqueleto está compuesto por los microtúbulos (Fig. 5A), los filamentos
intermedios y los microfilamentos de actina (Fig. 5B).
Fig.
5. El citoesqueleto en las células eucariotas. (A) La red de microtúbulos
visualizada empleando anticuerpos contra la ?-tubulina. (B) El citoesqueleto de
actina (fibras de estrés) visualizado empleando la toxina faloidina.
Los
microtúbulos (Fig. 5A) son estructuras lineales compuestas por unidades de
tubulina que irradian hacia la periferia de la célula desde los centríolos o
centro organizador de los microtúbulos (MTOC). Tal como he mencionado
anteriormente, el aparato de Golgi se sitúa alrededor de los centríolos. Esta
disposición permite centralizar en el aparato de Golgi el flujo de membrana que
se origina en el RE (Fig. 2) (Cole y Lippincott-Schwartz, 1995). El aparato de
Golgi se encuentra asociado al citoesqueleto (Kreis et al., 1997). Los agentes
que alteran la estructura de los microtúbulos y microfilamentos también alteran
la integridad y localización del aparato de Golgi (Fig. 6). En particular, la
desintegración de los microtúbulos comporta la fragmentación del aparato de
Golgi en pequeños trozos o ministacks que se dispersan por todo el citoplasma
(Fig. 6B). Tanto el aparato de Golgi como las vesículas de transporte,
interaccionan indirectamente con los microtúbulos a través de unas proteínas
que tienen la capacidad de moverse y que se conocen como las dineínas y las
quinesinas. Estas proteínas transforman la energía del ATP en movimiento en una
determinada dirección. Por eso se las conoce como proteínas motoras (Allan,
1996). En células no polarizadas, la dineína (dynein) permite el movimiento
hacia el centrosoma, mientras que la quinesina (kinesin) lo hace hacia la
membrana plasmática (Lane & Allan, 1998). Siguiendo con nuestro símil,
estas proteínas representarían las ruedas motrices de los vagones (vesículas)
que se mueven sobre los raíles (microtúbulos). Las vesículas de transporte que
emplean los microtúbulos viajan de una forma directa y rápida a su lugar de
destino, por lo que los microtúbulos representarían las vías de alta velocidad
intracelulares. No obstante, hay que tener en cuenta que el aparato de Golgi
sigue unido a los microtúbulos cuando la función motora no está activada, por
lo que debe haber una tipo de moléculas que permitan la unión permanente del
aparato de Golgi al citoesqueleto de microtúbulos (Infante et al., 1999). Es
posible que estas moléculas actúen a modo de frenos del movimiento de los
orgánulos en general y del aparato de Golgi en particular. Por otro lado, el
aparato de Golgi también interacciona con los microfilamentos de actina
(Valderrama et al., 1998, 2000). Al igual que con los microtúbulos, los
microfilamentos están compuestos por unidades de actina globular (G-actina) que
tienen la capacidad de ensamblarse formando filamentos (F-actina; Fig. 5B) pero
con un diámetro inferior al de los microtúbulos. Los microfilamentos son
también estructuras lineales, pero mucho más cortas y ramificadas. De este modo
forman una densa red citoplasmática. El citoesqueleto de actina es también una
estructura sobre la que recae la capacidad de movimiento de las células. La
rotura de los microfilamentos de actina comporta la compactación del aparato de
Golgi (Fig. 6C).
Fig.
6. La localización subcelular y la morfología del aparato de Golgi (A) dependen
del citoesqueleto. La rotura de los microtúbulos empleando nocodazole (noc)
comporta la fragmentación del aparato de Golgi y su dispersión por todo el
citoplasma (B). La rotura del citoesqueleto de actina por la citocalasina D
(cyD) comporta sin embargo su compactación (C).
Los
microfilamentos tienen también unas proteínas motoras asociadas denominadas
miosinas (myosins; Sellers, 1999). La velocidad de transporte de las vesículas
a través de los microfilamentos es sensiblemente inferior a la que acontece
sobre los microtúbulos por lo que los microfilamentos de actina equivaldrían a
las vías de baja velocidad intracelular. Sin embargo, la disposición reticular
de los microfilamentos permitiría que las vesículas pudiesen llegar a todos los
rincones de la célula. Vendrían a cubrir aquellas rutas de cercanías en donde
prevalece la accesibilidad de las distancias cortas con numerosas paradas
intermedias frente a la alta velocidad requerida para las largas distancias.
Por
último, en el aparato de Golgi también se encuentran otros componentes
estructurales como ciertas isoformas de la espectrina (spectrin) y la anquirina
(ankyrin) (Holleran y Holzbaur, 1998), se supone actuarían a modo de los
andamiajes de las construcciones arquitectónicas. El citoesqueleto basado en la
espectrina está muy estudiado en los hematíes y es el responsable de su
flexibilidad y deformabilidad a su paso por los estrechos capilares de la
microcirculación sanguínea. Se desconoce, sin embargo, su papel en el aparato
de Golgi, pero podrían estar más implicadas en la configuración aplanada de las
cisternas que sobre el transporte intracelular.
Una célula es la unidad morfológica y funcional de todo ser vivo. De hecho, la célula es el elemento de menor tamaño que puede considerarse vivo. De este modo, puede clasificarse a los organismos vivos según el número de células que posean: si solo tienen una, se les denomina unicelulares (como pueden ser los protozoos o las bacterias, organismos microscópicos); si poseen más, se les llama pluricelulares. En estos últimos el número de células es variable: de unos pocos cientos, como en algunos nematodos, a cientos de billones como en el caso del ser humano. Las células suelen poseer un tamaño de 10 µm y una masa de 1 ng, si bien existen células mucho mayores.
Las células, como sistemas termodinámicos complejos, poseen una serie de elementos estructurales y funcionales comunes que posibilitan su supervivencia; no obstante, los distintos tipos celulares presentan modificaciones de estas características comunes que permiten su especialización funcional y, por ello, la ganancia de complejidad. De este modo, las células permanecen altamente organizadas a costa de incrementar la entropía del entorno, uno de los requisitos de la vida.
Caracteristicas estructurales
- Individualidad: Todas las células están rodeadas de una envoltura (que puede ser una bicapa lipídica desnuda, en células animales; una pared de polisacárido, en hongos y vegetales; una membrana externa y otros elementos que definen una pared compleja, en bacterias Gram negativas; una pared de peptidoglicano, en bacterias Gram positivas; o una pared de variada composición, en arqueas) que las separa y comunica con el exterior, que controla los movimientos celulares y que mantiene el potencial de membrana.
- Contienen un medio interno acuoso, el citosol, que forma la mayor parte del volumen celular y en el que están inmersos los orgánulos celulares.
- Poseen material genético en forma de ADN, el material hereditario de los genes, que contiene las instrucciones para el funcionamiento celular, así como ARN, a fin de que el primero se exprese.
- Tienen enzimas y otras proteínas, que sustentan, junto con otras biomoléculas, un metabolismo activo.
Las células vivas son un sistema bioquímico complejo. Las características que permiten diferenciar las células de los sistemas químicos no vivos son:
- Nutrición. Las células toman sustancias del medio, las transforman de una forma a otra, liberan energía y eliminan productos de desecho, mediante el metabolismo.
- Crecimiento y multiplicación. Las células son capaces de dirigir su propia síntesis. A consecuencia de los procesos nutricionales, una célula crece y se divide, formando dos células, en una célula idéntica a la célula original, mediante la división celular.
- Diferenciación. Muchas células pueden sufrir cambios de forma o función en un proceso llamado diferenciación celular. Cuando una célula se diferencia, se forman algunas sustancias o estructuras que no estaban previamente formadas y otras que lo estaban dejan de formarse. La diferenciación es a menudo parte del ciclo celular en que las células forman estructuras especializadas relacionadas con la reproducción, la dispersión o la supervivencia.
- Señalización. Las células responden a estímulos químicos y físicos tanto del medio externo como de su interior y, en el caso de células móviles, hacia determinados estímulos ambientales o en dirección opuesta mediante un proceso que se denomina quimiotaxis. Además, frecuentemente las células pueden interaccionar o comunicar con otras células, generalmente por medio de señales o mensajeros químicos, como hormonas, neurotransmisores, factores de crecimiento... en seres pluricelulares en complicados procesos de comunicación celular y transducción de señales.
- Evolución. A diferencia de las estructuras inanimadas, los organismos unicelulares y pluricelulares evolucionan. Esto significa que hay cambios hereditarios (que ocurren a baja frecuencia en todas las células de modo regular) que pueden influir en la adaptación global de la célula o del organismo superior de modo positivo o negativo. El resultado de la evolución es la selección de aquellos organismos mejor adaptados a vivir en un medio particular.
Tamaño, forma y funcion
El tamaño y la forma de las células depende de sus elementos más periféricos (por ejemplo, la pared, si la hubiere) y de su andamiaje interno (es decir, el citoesqueleto). Además, la competencia por el espacio tisular provoca una morfología característica: por ejemplo, las células vegetales, poliédricas in vivo, tienden a ser esféricas in vitro. Incluso pueden existir parámetros químicos sencillos, como los gradientes de concentración de una sal, que determinen la aparición de una forma compleja.
En cuanto al tamaño, la mayoría de las células son microscópicas, es decir, no son observables a simple vista. A pesar de ser muy pequeñas (un milímetro cúbico de sangre puede contener unos cinco millones de células), el tamaño de las células es extremadamente variable. La célula más pequeña observada, en condiciones normales, corresponde a Mycoplasma genitalium, de 0,2 μm, encontrándose cerca del límite teórico de 0,17 μm. Existen bacterias con 1 y 2 μm de longitud. Las células humanas son muy variables: hematíes de 7 micras, hepatocitos con 20 micras, espermatozoides de 53 μm, óvulos de 150 μm e, incluso, algunas neuronas de en torno a un metro. En las células vegetales los granos de polen pueden llegar a medir de 200 a 300 μm y algunos huevos de aves pueden alcanzar entre 1 (codorniz) y 7 cm (avestruz) de diámetro. Para la viabilidad de la célula y su correcto funcionamiento siempre se debe tener en cuenta la relación superficie-volumen. Puede aumentar considerablemente el volumen de la célula y no así su superficie de intercambio de membrana lo que dificultaría el nivel y regulación de los intercambios de sustancias vitales para la célula.
Respecto de su forma, las células presentan una gran variabilidad, e, incluso, algunas no la poseen bien definida o permanente. Pueden ser: fusiformes (forma de huso), estrelladas, prismáticas, aplanadas, elípticas, globosas o redondeadas, etc. Algunas tienen una pared rígida y otras no, lo que les permite deformar la membrana y emitir prolongaciones citoplasmáticas (pseudópodos) para desplazarse o conseguir alimento. Hay células libres que no muestran esas estructuras de desplazamiento pero poseen cilios o flagelos, que son estructuras derivadas de un orgánulo celular (el centrosoma) que dota a estas células de movimiento. De este modo, existen multitud de tipos celulares, relacionados con la función que desempeñan; por ejemplo:
- Células contráctiles que suelen ser alargadas, como las fibras musculares.
- Células con finas prolongaciones, como las neuronas que transmiten el impulso nervioso.
- Células con microvellosidades o con pliegues, como las del intestino para ampliar la superficie de contacto y de intercambio de sustancias.
- Células cúbicas, prismáticas o aplanadas como las epiteliales que recubren superficies como las losas de un pavimento.
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