LA DIVERSIDAD DE LAS MEMBRANAS: ORGANELAS No sólo existen membranas para recubrir la superficie de las células; también hay otras para aislar ciertas estructuras de su interior, como el núcleo, u otras que contienen enzimas o componentes que deben mantenerse reunidos, pero separados del resto de la célula, como los lisosomas. Hay también membranas especializadas, necesarias para que la célula realice determinada función, como en el caso de las mitocondrias o los cloroplastos. Otras estructuras son las vacuolas que almacenan materiales y regulan su concentración en el resto de la célula; las células poseen también sistemas complejos como el retículo endoplásmico, el aparato de Golgi, etc., organizados todos ellos con sistemas membranales.

Esquema de estructuras membranosas de las células. La estructura de los sistemas que requieren de membranas para su funcionamiento, no es diferente esencialmente de la membrana externa que las recubre. Hemos estudiado que la MP es una bicapa fofolipídica, pues bien, al microscopio electrónico, la MP y las demás membranas celulares aparecen como dos capas oscuras separadas por una capa clara central, que se acepta corresponde a las cadenas lipídicas apolares. Este aspecto trilaminar está presente en todas las membranas de la célula y se denominó unidad de membrana o membrana unitaria. Este concepto significa que la organización molecular básica de las membranas es la misma, pero su composición química, su espesor y por lo tanto sus funciones son diferentes. Las membranas, formadas originalmente como envolturas con capacidad para aislar a las células, y para intercambiar materiales con el exterior, pudieron evolucionar para realizar funciones muy diversas. Durante el lento proceso evolutivo es posible que las células procariontes, heterotrofas y anaeoróbicas, con el sistema DNA > RNA > proteínas funcionando, habrían perdido la pared celular, aumentando de tamaño y presentando invaginaciones de su MP, en las cuales se acumularían enzimas digestivas para mejorar el metabolismo de los nutrientes. Posteriormente estas invaginaciones se habrían separado de la MP, formando vesículas membranosas que dieron origen a los lisosomas, a las vesículas precursoras del Retículo Endoplasmático- RE- y que llevaron hacia la parte profunda de la célula, al DNA que estaba unido a la MP. Cuando apareció el oxígeno en la atmósfera por acción de las bacterias fotosintéticas, surgieron los peroxisomas para proteger a la célula de la acción deletérea de los radicales libres de oxígeno. Hubo un aumento también del DNA que formaba largos filamentos que se organizó en los cromosomas que se concentraron en el núcleo rodeado de la membrana que se desprendió de la superficie. Se desarrolló también el citoesqueleto con la presencia de microtúbulos y microfilamentos. Con el aumento del oxígeno en la atmósfera, las células que incorporaron procariontes aeróbicas predominaron por selección natural. Esta endosimbiosis dio origen a las mitocondrias, organela con doble membrana, la interna de la bacteria original y una externa de la célula eucarionte. Probablemente los cloroplastos se formaron de forma similar por endosimbiosis de bacterias fotosintéticas. A lo largo de la evolución hubo transferencia de parte del genoma de las mitocondrias y cloroplastos a los núcleos celulares. Este tipo de compartamentalización que presentan las células surgió durante la evolución con el desarrollo de nuevas funciones permitiendo su mejor organización y efectividad. Las células como unidades estructurales y funcionales de los seres vivos, presentan una organización interna compleja y dinámica que le asegura la mayor eficacia; esta organización en los diferentes compartimientos señalados no significa que cada uno cumpla su función independiente de los demás, sino por el contrario, todos están interrelacionados y se complementan para realizar las distintas actividades que les compete. Para facilitar la comprensión de cada compartimiento, vamos a conocer como se organiza el citoplasma y luego el núcleo de las células eucariotas; el núcleo posee la información genética y es

el encargado de la reproducción celular, mientras que el citoplasma es el que realiza las diferentes funciones: secreción, síntesis de proteínas, absorción, contracción, etc. Del mismo modo que el citoplasma no puede realizar sus funciones si el núcleo no le provee la información necesaria para saber cómo debe hacerla, el núcleo necesita del citoplasma para incorporar las moléculas que le aseguran la su función. CITOPLASMA: es el material comprendido entre la membrana plasmática y la envoltura nuclear. Está compuesto por: 1- Sistema de doble membrana: comprende el RE, el aparato de Golgi y las mitocondrias y cloroplastos (célula vegetal). El retículo endoplásmico Es un complejo sistema constituido por membranas biológicas y que pueden ocupar una gran parte de la célula. Las estructuras que forman el retículo se disponen, generalmente, en capas concéntricas paralelas al núcleo celular (como las hojas del bulbo de una cebolla). Es de destacar, que la envoltura nuclear es en realidad una estructura derivada del retículo endoplasmático. Es una red de sacos aplanados, tubos y cisternas interconectadas entre sí, que delimitan un espacio interno llamado lúmen del retículo y se halla en continuidad estructural con la membrana externa de la envoltura nuclear y se distribuye por todo el citoplasma hasta la MP. Intervienen en funciones relacionadas con la síntesis proteica y el transporte de materiales a través de la célula. Se pueden distinguir dos tipos de retículo: El Retículo endoplasmático rugoso (R.E.R.), presenta esa apariencia debido a los numerosos ribosomas adheridos a su membrana. Esta conectado a la envoltura nuclear, a través de cuyos poros pasa el ácido ribonucleico mensajero (ARNm,) que es el que lleva el mensaje para la síntesis proteica. Las proteínas sintetizadas por los ribosomas, pasan al lúmen del retículo y aquí maduran hasta ser exportadas a su destino definitivo. El retículo endoplasmático granular (REG) está muy desarrollado en las células que por su función deben de realizar una activa labor de síntesis proteica como es el caso de las células del páncreas y las células hepáticas. Si un animal es sometido a un ayuno prolongado, el REG de sus células pancreáticas se reduce considerablemente. Por el contrario, si se le suministra una rica dieta alimenticia, el REG se recupera. Esta recuperación se realiza a partir de zonas próximas a la envoltura nuclear. El Retículo endoplasmático liso (R.E.L.), carece de ribosomas y está formado por túbulos ramificados y pequeñas vesículas esféricas. El retículo endoplásmico liso se lo considera relacionado a diferentes procesos de síntesis de productos tales como hormonas esteroideas y al transporte de sustancias, es el sitio donde se produce la grasa y se almacena el calcio. En realidad el retículo endoplásmico liso tiene diferentes variantes funcionales y solo tienen en común su aspecto: los ribosomas están ausentes. Está disperso por todo el citoplasma. Los materiales sintetizados son almacenados y luego trasladados a su destino celular. En el retículo de las células del hígado tiene lugar la detoxificación, que consiste en modificar a una droga o metabolito insoluble en agua en soluble en agua, para así eliminar dichas sustancias por la orina. Aparato de Golgi: es un complejo sistema compuesto de vesículas y sacos membranosos aplanados, limitados por membranas y apilados en forma laxa unos sobre otros que se encuentra en el citoplasma de la célula, entre el RE y la MP, con los endosomas y los lisosomas entre ésta y el complejo de Golgi. Esta disposición se relaciona con su función ya que recibe a través de vesículas transportadoras, las moléculas provenientes del RE que incorpora y después de procesarlas las elimina hacia los endosomas o a la MP, para integrarse a la misma o liberarse hacia el medio extracelular (secreción). Cada una de las cisternas o vesículas que lo componen se denominan dictiosomas (del griego, diktyon, red y soma, cuerpo). El número y la posición de dictiosomas varía en los distintos tipos celulares, por ejemplo, en células secretoras como las del intestino, páncreas y tiroides es uno solo, grande y ocupa una posición intermedia entre el núcleo y la MP. En otras células

como las hepáticas, neuronas y células plasmáticas son pequeños y abundantes distribuidos por todo el citoplasma. En cambio, la forma se mantiene constante, en general muestran una forma curvada con la cara convexa que mira hacia el núcleo llamada cara de entrada o cis, y otra cóncava orientada hacia la MP, cara de salida o trans. Las cisternas de la cara cis forman una red interconectada entre sí, al igual que las de la cara trans. En cambio la o las de la parte media son independientes, por lo que el material que circula por la red cis para pasar a la media sale por vesículas transportadoras que nacen de sus bordes y se incorporan también por los bordes a las cisternas medias. Lo mismo se repite entre las cisternas medias y de éstas a las trans, donde circulan por la red y luego son transferidas mediante vesículas transportadoras hacia los endosomas o hacia la MP. Desde los endosomas son secretadas hacia el exterior (exocitosis) y las membranas quedan incorporadas a la MP. El aparato de Golgi funciona como una planta empaquetadora, modificando vesículas del retículo endoplasmático rugoso. Dentro de las funciones que posee el aparato de Golgi se destacan la secreción de productos celulares, como hormonas, enzimas digestivas, materiales para construir la pared, la glicosilación de proteínas, selección , destinación (targeting), glicosilación de lípidos y la síntesis de polisacáridos de la matriz extracelular. El aparato de Golgi en las células vegetales se llama dictiosoma. Debe su nombre a Camillo Golgi Premio Nobel de Medicina de 1906, quien lo describió en las células nerviosas.

Mitocondrias: constituyen el sitio de liberación de energía, se las considera como la central eléctrica de la célula, permitiendo la respiración y la descomposición de grasas y azúcares para producir energía. Contienen su propio ADN y se piensa que representan organismos similares a las bacterias incorporados a la célula eucariota hace entre unos 700 Ma, Poseen una doble membrana: membrana externa, lisa, que da hacia el citoplasma, y membrana interna, plegada, que forma las crestas mitocondriales que se extienden hacia la matriz o interior de la mitocondria y el espacio que queda entre las dos membranas es el espacio intermembranoso. Su principal función es aprovechar la energía que se obtiene de los diversos nutrientes y transmitirla a una molécula capaz de almacenarla, el ATP (adenosintrifosfato). Esta energía se obtiene mediante la deshidrogenización de los combustibles. El hidrógeno sustraído es transportado a través de varias moléculas, que constituyen la cadena respiratoria, hasta el oxígeno, con el que forma agua. En el proceso de respiración se genera energía, que es acumulada por el ATP, el cual puede ser enviado a cualquier parte de la célula que necesite aporte energético; allí el ATP se descompone y la libera. Volveremos a este tema mas adelante. PLÁSTIDOS Los plástidos son también organelas rodeadas por membranas que se encuentran en los eucariotas vegetales. Cloroplastos: son orgánulos aún mayores y se encuentran en las células de plantas y algas, pero no en las de animales y hongos. Su estructura es todavía más compleja que la mitocondrial; además de las dos membranas de la envoltura, tienen numerosos sacos internos formados por membranas, los tilacoides (una pila de tilacoides se denomina grana) que flotan en un fluido llamado estroma, y que encierran el pigmento verde llamado clorofila y los pigmentos accesorios asociados (carotenoides). Desde el punto de vista de la vida terrestre, los cloroplastos desempeñan una función aún más esencial que la de las mitocondrias: en ellos ocurre la fotosíntesis. Este proceso, acompañado de liberación de oxígeno, consiste en utilizar la energía de la luz solar para activar la síntesis de moléculas de carbono. Los cloroplastos son el sitio

de la fotosíntesis en los eucariotas. Los leucoplastos guardan reservas de almidón, a veces proteínas o aceite. Los cromoplastos guardan pigmentos relacionados con los colores brillantes de las flores y/o frutos. ENDOSOMAS: son organoides localizados entre el aparato de Golgi y la MP de variada forma y tamaño, cuya característica principal es que poseen en su membrana una bomba protónica que al + activarse transporta el H del citosol a su interior, cuyo pH desciende a 6.0. El endosoma es el lugar de la célula donde convergen todos los materiales que van a ser digeridos así como las enzimas encargadas de hacerlo. La combinación de estos elementos convierte al endosoma en lisosoma. Lisosomas (del griego lysis = aflojamiento; soma = cuerpo): son vesículas relativamente grandes formadas a partir del Retículo endoplásmico rugoso y posteriormente las enzimas son empaquetadas por el Complejo de Golgi. Son vesículas englobadas por una membrana que se forman en la aparato de Golgi y que contienen un gran número de enzimas digestivas (hidrolíticas y proteolíticas) capaces de romper una gran variedad de moléculas. Intervienen en la ruptura de materiales extracelulares. Se fusionan con las vacuolas alimenticias y sus enzimas digieren el contenido. Están limitados por una sola membrana; las poderosas enzimas que contiene degradan los materiales peligrosos absorbidos en la célula, para luego liberarlos a través de la membrana celular, por eso constituyen el sistema digestivo de la célula. Funcionan como "estómagos" de la célula y además de digerir cualquier sustancia que ingrese del exterior, vacuolas digestivas ingieren restos celulares viejos para digerirlos también llamados entonces vacuolas autofágicas. Los lisosomas utilizan sus enzimas para reciclar los diferentes orgánulos de la célula, englobándolos, digiriéndoles y liberando sus componentes en el citosol. De esta forma los orgánulos de la célula se están continuamente reponiendo. El proceso de digestión de los órganulos se llama autofagia. Por ejemplo, las células hepáticas se reconstituyen por completo una vez cada dos semanas. Otra función de los lisosomas es la digestión de detritus extracelulares en heridas y quemaduras, preparando y limpiando el terreno para la reparación del tejido. Son llamados "bolsas suicidas" porque si se rompiera su membrana, las enzimas encerradas en su interior, terminarían por destruir a toda la célula. Las enzimas proteolíticas funcionan mejor a pH ácido y para conseguirlo la membrana del lisosoma contiene una bomba de protones que introduce H+ en la vesícula. Como consecuencia de esto, el lisosoma tiene un pH inferior a 5.0. Las enzimas lisosomales son capaces de digerir bacterias y otras sustancias que entran en la célula por fagocitosis, u otros procesos de endocitosis. Eventualmente, los productos de la digestión son tan pequeños que pueden pasar la membrana del lisosoma volviendo al citosol donde son recicladas . Peroxisomas: Son vesículas en las cuales se degradan las purinas y otros compuestos. En las plantas son el asiento de una serie de reacciones conocidas como fotorrespiración. En los peroxisomas se produce agua oxigenada, compuesto muy tóxico para la célula que es degradado rápidamente por una enzima. Vacuolas: (del latín vacuus = vacío) son organelas rodeadas por una sola membrana, que son usadas generalmente como sitios de almacenamiento, en las células vegetales suelen ser muy grandes y la membrana que lo rodea toma el nombre de tonoplasto (del griego tonos = tensión; plastos = modelado, formado). Remueven productos de deshechos y almacenan alimentos ingeridos Las vesículas son mucho más pequeñas que las vacuolas y funcionan en el transporte de sustancias desde y hacia el exterior de la célula.

2- Citosol o matriz celular: El citosol es considerado como el verdadero medio intracelular , se extiende desde la membrana nuclear hasta la MP y llena el espacio no ocupado por el sistema de membranas, las mitocondrias y los peroxisomas. Representa el 50% del volumen del citoplasma y consiste principalmente en agua con iones disueltos, moléculas pequeñas y macromoléculas solubles en agua. Dentro de sus componentes existen complejos enzimáticos, moléculas que conducen las señales dentro de la célula, , los compuestos que dirigen las síntesis de proteínas celulares y extracelulaes (ribosomas y ARNs), los proteosomas, las chaperonas, inclusiones, etc. Ribosomas: partículas insolubles de 25 nm, invisibles al microscopio óptico y poco visibles al electrónico, pueden estar libres o adheridos a las membranas del retículo endoplasmático granular. Los que están adheridos al REG intervienen en la síntesis de las proteínas de las membranas o de aquellas destinadas al exterior. No están rodeados por membrana y se los encuentra tanto en eucariotas como en procariotas. Los ribosomas de los eucariotas son ligeramente mas grandes que los de los procariotas. Estructuralmente consisten en una subunidad grande y otra pequeña. Bioquímicamente están constituidos básicamente por proteínas y ARN-r (40% de proteínas y 60% de ARN ribosomal). Chaperonas: son proteínas citosólicas encargadas de asegurar el oportuno y adecuado plegamiento de las proteínas una vez finalizada su síntesis. De esta manera evitan el plegamiento prematuro o en situaciones de estrés metabólico o golpes de calor que desnaturalizan las proteínas, las chaperonas aumentan en el citosol para facilitar la renaturalización proteica. Inclusiones: son macromoléculas acumuladas en el citosol que pueden visualizarse con el microscopio óptico. Son de variada naturaleza, como los gránulos de glucógeno de los hepatocitos y células musculares que almacenan energía al igual que gotitas de grasa que contienen triglicéridos y que en las células musculares se acumulan alrededor de mitocondrias. En las células adiposas forman una gran gota que ocupa casi todo el citoplasma de rodeada de gotitas más pequeñas. Las células que producen secreción láctea en la glándula mamaria contienen gotas de grasa que constituyen elementos importantes de la leche. También pueden verse pigmentos en el citosol como la melanina responsable del color de la piel, la hemosiderina que contiene hierro cuando se produce destrucción de los glóbulos rojos de la sangre, la lipofucsina o pigmento de desgaste, compuesto formado por fosfolípidos y proteínas que aumenta con la edad. Proteosoma este complejo que forma parte de la vía no-lisosomal de la degradación, esta "autocompartimentalizado", y para su funcionamiento depende del aporte de energía en forma de ATP. Los proteosomas, por su capacidad de degradar proteínas, intervienen en aspectos claves del metabolismo celular, entre ellos: la remoción de proteínas anómalas, el control del ciclo celular, la diferenciación celular, la apoptosis, el procesamiento de los antígenos. Por otra parte se encuentran relacionados a numerosos procesos patológicos, entre ellos: enfermedades autoinmunes, Parkinson, Alzheimer, infección por VIH, opacificación del cristalino. Las proteínas, a ser degradadas por los proteosomas, son reconocidas y "marcadas" con una proteína llamada ubiquitina, esta ubiquitinización la habilita para ser "troceada" por las enzimas que se encuentran en el "canal" del proteosoma Citoesqueleto: La forma de la célula es mantenida por proteínas fibrosas que se encuentran en el citoplasma y que en conjunto conforman el citoesqueleto. También es responsable de los movimientos celulares: cuando nos referimos a los internos hablamos de flujo citoplasmático y a los externos como motilidad. Las proteínas que constituyen el citoesqueleto se clasifican de acuerdo a su diámetro en: microtúbulos, filamentos intermedios y microfilamentos.

Los movimientos internos de las organelas son gobernados por los filamentos de actina. Los movimientos externos están determinados por organelas especializadas en la locomoción, cilios y flagelos. El citoesqueleto está formado por filamentos y túbulos de diversos tamaños: los microtúbulos tienen un rol primordial en la división celular. Los filamentos de actina intervienen en la división celular y en la motilidad. En las preparaciones comunes de microscopía en luz visible o electrónica, el citoesqueleto se presenta transparente y por lo tanto, invisible. Es un componente importante de la célula, complejo y dinámico. El citoesqueleto, mantiene la forma de la célula, "ancla" las organelas en su lugar y mueve parte de la célula en los procesos de crecimiento y movilidad.

Los microtúbulos miden 25nm de diámetro y están formados por subunidades de una proteína llamada tubulina y, a menudo, son utilizados por la célula para mantener su forma, son también el mayor componente de cilias y flagelos. De longitud variable, la incrementan agregando subunidades (dímeros) a uno de los extremos ("extremo +") o la disminuyen eliminándolas, de acuerdo a las necesidades celulares. Constituyen verdaderas vías de transporte citoplasmático para macromoléculas y organoides dentro del propio citoplasma y son asistidos por dos proteínas motoras la quinesina y la dineína. Intervienen en el proceso de división celular.

Constituyen los centríolos y cuerpos basales. Casi siempre se presentan de a pares y se hacen visibles cuando la célula entra en división, en una posición perpendicular entre ambos. De estructura tubular y hueca, sus paredes están constituidas por microtúbulos, de los que emerge el aparato mitótico necesario para la división celular. La única diferencia entre los cuerpos basales y los centríolos es la función, no así la forma. Las cilias y flagelos de los eucariotas son similares, excepto por su largo, las cilias son mas cortas. Ambos poseen una distribución característica de microtúbulos cuando se observan en un corte transversal: 9 + 2. Los elementos motrices de los procariotas no presentan esta estructura.

Los filamentos intermedios miden 10nm de diámetro y al estar constituidos por proteínas fibrosas no se desintegran fácilmente, de ahí que proporcionan resistencia a la célula. Intervienen en la estructura de la membrana nuclear y desde allí pueden irradiar y asociarse con los microtúbulos. De acuerdo a su variada composición química y al tipo de células donde se encuentran se los clasifica en laminofilamentos (responsables de la forma y resistencia de la membrana nuclear), filamentos de queratina o tonofilamentos (en las células del tejido epitelial, confiriéndole resistencia mecánica), filamentos de vimentina (son comunes en células embrionarias y en aquellas que derivan del mesodermo: sanguíneas, fibroblastos, endoteliales), filamentos de desmina (en las células musculares), filamentos gliales y neurofilamentos (células de sostén del tejido nervioso y neuronas respectivamente). Los microfilamentos están formados por subunidades de la proteína actina y su diámetro es de 8nm. Tienen aproximadamente un tercio del diámetro del microtúbulo y, a menudo, son usados por la célula tanto para cambiar su estructura como para mantenerla. También pueden variar de longitud e intervenir en los procesos de división y motilidad. Los microfilamentos de actina están presentes en las células de los distintos tejidos, aunque más desarrollados y organizados en las células musculares donde forman el armazón contráctil como lo veremos mas adelante. En las células epiteliales se ubican por dentro de la MP, formando los filamentos corticales que contribuyen a la forma celular y atraviesan todo el citoplasma desde el núcleo a la MP formando los filamentos transcelulares. El eje de las microvilli también está formado por microfilamentos de actina. La actividad contráctil de la célula la desarrollaremos cuando desarrollemos el módulo del cuerpo en movimiento. Los seudópodos son usados por muchas células como la ameba y los leucocitos (células blancas de la sangre), son prolongaciones del citoplasma que no forman estructuras sino asociaciones de actina cerca de los bordes en movimiento. Existe un gran número de proteínas asociadas con el citoesqueleto que controlan su estructura tanto por medio de la orientación y direccionamiento de los grupos de filamentos como del movimiento de los mismos. Un grupo particularmente interesante de las proteínas asociadas al citoesqueleto son "motores" celulares, como la miosina (un "motor" que mueve filamentos de actina) y la kinesina (un "motor" de microtúbulo) Los tres componentes del citoesqueleto están interconectados y forman un reticulado, que se extiende desde la superficie celular hasta el núcleo. Este sistema está construido sobre la base de un modelo arquitectónico común que se encuentra en una sorprendente variedad de sistemas naturales y se conoce como de integridad tensional ("tensegrity"). Con esta expresión se indica que el sistema se estabiliza mecánicamente a si mismo, en razón del modo en que las fuerzas de compresión y tensión se distribuyen y equilibran dentro de la estructura. Las estructuras que responden a este modelo de integridad tensional no alcanzan la estabilidad mecánica por la resistencia de los miembros individuales sino por la manera en que la estructura en su conjunto distribuye y equilibra las tensiones mecánicas. En estas estructuras la tensión se transmite sin interrupciones a través de todos los elementos estructurales, de modo tal que un aumento de tensión en un elemento cualquiera de la estructura se hace sentir en todos los demás. Este aumento global de presión se equilibra por un aumento de la compresión de determinados elementos distribuidos por la estructura.