miércoles, 28 de junio de 2017

Organelas


Siguiendo con el tema de aclarar algunos conceptos, en el idioma inglés  una palabra se puede traducir en 5 a 6 términos diferentes al español, esto es lo que pasa con el concepto de ORGANELA.  Una ORGANELA ( ORGANELO o ELEMENTO CELULAR ),   es un cuerpo membranoso interno, rodeado por el CITOSOL, debe diferenciarse de los orgánulos ( o MICROCUERPOS ), pues estos últimos no poseen membrana.  Debe aclararse este asunto de que no todo lo que se encuentra en el interior de una célula se llama ORGANELA u ORGANELO.  Las ORGANELAS son estructuras membranosas y hay otras estructuras que no tienen membrana pero que se llaman MICROCUERPOS, además muestran una diferencia de tamaño muy notable al compararla con las ORGANELAS.
 

Esquema de los componentes celulares NO MEMBRANOSOS o MICROCUERPOS.

La forma correcta de clasificar las ORGANELAS es de acuerdo a la CANTIDAD DE MEMBRANAS que éstas posean, existiendo ORGANELAS de 1, 2 y 3 membranas .
ORGANELAS DE UNA MEMBRANA

LISOSOMAS:   Son vesículas, formadas por el RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO rugoso y luego empaquetadas por el COMPLEJO DE GOLGI que contienen enzimas HIDROLÍTICAS y PROTEOLÍTICAS que sirven para digerir los materiales de origen externo o interno que llegan a ellos. Las enzimas LISOSOMALES son capaces de digerir bacterias y otras sustancias que entran en la célula por FAGOCITOSIS, u otros procesos de ENDOCITOSIS. Los LISOSOMAS utilizan sus enzimas para reciclar las diferentes ORGANELAS de la célula, englobándolas, digiriéndolas y liberando sus componentes en el CITOSOL. De esta forma las ORGANELAS de la célula se están continuamente reponiendo. El proceso de digestión de los orgánulos se llama AUTOFAGIA. Por ejemplo, las células hepáticas se reconstituyen por completo una vez cada dos semanas. Los LISOSOMAS también se encargan de la DEFENSA de la célula contra extraños en el interior de la misma. El contenido de los LISOSOMAS en una sola célula es muy variable (fotos inferiores). Básicamente, el contenido de un LISOSOMA puede parecer homogéneo (como el de la primera imagen) o heterogéneo (como el resto). 

Cuando  se  forman,  los  LISOSOMAS  se  cargan  con  enzimas  de  función  HIDROLÍTICA;  este  tipo  de LISOSOMA, conocido como  LISOSOMA PRIMARIO, puede ser el que  tiene una apariencia homogénea en su interior (1). A partir de este, el LISOSOMA se encarga de degradar la mayoría de los tipos de moléculas bioquímicas que hay en la célula.   

Las otras formas (los LISOSOMAS secundarios, como el  2  y  3)  son  heterogéneos  y  pueden  recibir  nombres  variados  como  LISOSOMAS  con  formas mielínicas (4), cuerpos multivesiculares (5), o cuerpos residuales (6). Estos tipos se producen por  efecto del almacenamiento en el lumen del LISOSOMA de sustancias que no pueden degradarse más o por la transformación en lisosomas de otro tipo de orgánulos como son los AUTOFAGOSOMAS y los ENDOSOMAS

Esquema que explica la biogénesis de los LISOSOMAS a partir del RER y el APARATO DE GOLGI

PEROXISOMAS:  Los PEROXISOMAS están presentes en  todas  las células EUCARIOTAS, son vesículas rodeadas por una membrana simple y contienen enzimas en su  interior. Esta quizá sea  la única similitud, pues se originan  al  igual  que  las  MITOCONDRIAS  por  un  proceso  de  fisión  binaria,  en  este  caso  de PEROXISOMAS  preexistentes.  Las  enzimas  que  contienen  en  su  matriz  se  incorporan  desde  el CITOSOL. Según el tipo de enzimas que posean, existen muchos tipos de PEROXISOMAS. La principal enzima  de  los  PEROXISOMAS  es  la  CATALASA,  que  descompone  el  peróxido  de  hidrógeno en agua.  La actividad de la CATALASA es la única común a todos los tipos de PEROXISOMAS. La CATALASA también participa en la neutralización de radicales libres  y  otras  sustancias  tóxicas,  como  fenoles,  formaldehído  y  el  etanol  de  las  bebidas alcohólicas, por eso son más numerosos en el tejido hepático y renal.  
 
Microfotografias de diferentes PEROXISOMAS, mostrando en su interior cristales de CATALASA

El PEROXISOMA se usa exclusivamente para la oxidación de un conjunto distinto de ácidos grasos, como los ácidos grasos de cadena muy larga, con una longitud de cadena de 24 o más carbonos y ácidos grasos de cadena ramificada ( como el ácido fitánico y pristánico ). Los PEROXISOMAS también contienen una vía paralela para la biosíntesis del colesterol.   Se han localizado unas 50 reacciones enzimáticas distintas en el peroxisoma.  

Todas las proteínas peroxisomales se sintetizan en polirribosomas libres, entran desde el citosol y contienen un péptido señal de entrada peroxisomal que los dirigen hacia el interior a través de la membrana simple.   Al menos 11 trastornos peroxisomales se deben al fallo en estos  mecanismos de importación.  En años recientes se han caracterizado un grupo de enfermedades de origen genético derivadas del déficit en el número y actividad bioquímica de los peroxisomas. Se trata de enfermedades hereditarias autosómicas recesivas poco frecuentes caracterizadas por alteraciones en el cerebro, riñones, hígado y esqueleto. La más grave es la enfermedad de Zellweger o síndrome cerebro-hepato-renal, debida a la ausencia de peroxisomas funcionales, este síndrome tiene muchas manifestaciones clínicas pero se ha encontrado una mutación asociada al cromosoma 6.



RETÍCULOS:   El  retículo  endoplasmático,  es  una  red  interconectada  que  forma  cisternas,  tubos  aplanados  y sáculos,  comunicados  entre  sí.  Esta red membranosa interviene  en  la síntesis  proteica,  el  metabolismo  de  los  lípidos  y  algunos  esteroides,  así  como  el  transporte intracelular.  Este sistema único de pliegues de membrana va desde el núcleo celular hasta  la  membrana  plasmática.  Es  la  estructura  más  grande  de  la  célula,  en  algunos  casos representa el 90% de las membranas totales de la célula ( incluyendo la plasmática ).  A pesar de ser una sola estructura, los científicos definen 3 tipos de retículos: 


En la microfotografía se aprecia a la izquierda el Retículo Endoplasmático rugoso, al centro el Retículo Endoplasmático liso y a la derecha el Retículo Sarcoplasmático

RETÍCULO RUGOSO: El RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO RUGOSO, también llamado RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO GRANULAR O ERGASTOPLASMA recibe su nombre por la apariencia al microscopio, pues presenta una vista áspera o rugosa; esa apariencia es debida a los numerosos ribosomas que se encuentran adheridos a su membrana mediante unas proteínas denominadas  "RIBOFORINAS".   La membrana nuclear, sobre todo la membrana externa, se puede considerar como parte del retículo endoplasmático rugoso puesto que es una continuación física del mismo y se pueden observar ribosomas asociados a ella.   Los cuerpos de Nissl o gránulos de Nissl son el  retículo endoplasmático rugoso para las células Nerviosas.
 
En el retículo endoplasmático se produce un control de calidad de las proteínas sintetizadas, de modo que aquellas que tienen defectos son sacadas al citosol y eliminadas. Existen unas proteínas denominadas CHAPERONAS que juegan un papel esencial en el plegamiento y maduración de las proteínas sintetizadas de nuevo. Son también ellas las encargadas de detectar errores y marcar las proteínas defectuosas para su degradación. 
 
Neurona mostrando los cuerpos de NISSI

Las proteínas que se sintetizan en el RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO terminan en tres posibles destinos: en el exterior celular mediante un proceso de secreción, quedar en el lumen o en la membrana de alguno de los compartimentos de la ruta vesicular como el aparato de Golgi, los ENDOSOMAS o los LISOSOMAS, o ser proteínas residentes del propio retículo. 

El RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO RUGOSO, tiene unos sáculos redondeados, cuyo interior se conoce como "luz del  retículo" o "lumen", es aquí  donde caen  las proteínas  sintetizadas en él.  El RER se encuentra muy  desarrollado  en  las  células  que  por  su  función deben  realizar  una  activa  labor  de  síntesis,  como  las  células hepáticas o las células del páncreas.
  Microfotografía mediante Microscopio Electrónico de Transmisión de la estructura del Retículo Endoplasmático rugoso, a la izquierda visualizado por coloración digital.

RETÍCULO  LISO:      El RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO LISO está formado por plieques de membrana que forman cisternas, tubos aplanados y sáculos membranosos, como un sistema de tubería que participa en el transporte celular y en la síntesis de triglicéridos, fosfolípidos y esteroides. También dispone de enzimas destoxificantes, que metabolizan el alcohol y otras sustancias químicas.   El  RETÍCULO  ENDOPLÁSMICO LISO se encuentra muy desarrollado en células especializadas en  células glandulares, sobre todo aquellas que producen  hormonas  esteroides  y  también  se  encuentra  muy desarrollado  en  las  células  hepáticas,  donde  parece  estar relacionado  con  varios  procesos  de  detoxificación.   Además en él se da el almacenamiento de iones de calcio ( Ca+2 ).
Microfotografías que muestran los detalles del Retículo Endoplasmático Liso en diferentes células glandulares

RETÍCULO  SARCOPLASMÁTICO:  El RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO LISO de las células musculares se encuentra altamente especializado, ya que desempeña un papel importante en el ciclo contracción-relajación muscular y recibe el nombre de RETÍCULO SARCOPLÁSMICO o SARCOPLASMÁTICO.   Está formado por sarcotúbulos, forma una red que envuelve y rodea las miofibrillas o fibras musculares.

La función principal de esta estructura es el almacenaje de CALCIO, que en gran medida es el responsable de la contracción de la fibra nerviosa, algunas de las patologías asociadas a la disfunción del retículo son principalmente la hipertrofia cardíaca, la insuficiencia cardíaca y las arritmias hereditarias. 

Por lo anterior, las proteínas del RS constituyen un área de gran interés para el desarrollo de nuevas terapias, por lo que resulta de gran importancia el estudiar más a fondo la función del mismo.
Microfotografías al microscopio electrónico de transmisión que muestra el detalle del retículo Sarcoplasmático 

APARATO DE GOLGI O COMPLEJO DE GOLGI:  Está formado por unos 4-8 dictiosomas, que son sáculos aplanados rodeados de membrana y apilados unos encima de otros,  estos pliegues de membrana que se disponen muy cerca el uno del otro y permite formar unas estructuras llamadas CISTERNAS. La función principal es completar la fabricación de algunas proteínas.   Presentan conexiones tubulares que permiten el paso de sustancias entre las cisternas. Los sáculos son aplanados y curvados, con su cara convexa (externa) orientada hacia el retículo endoplasmático. 



Microfotografías que muestran la estructura de las cisternas del Aparato de Golgi

El APARATO DE GOLGI se puede dividir en tres dominios funcionales: 

DOMINIO CIS: Llamada también cara de formación es la región más interna y próxima al retículo. Este dominio recibe sáculos con proteínas que han sido sintetizadas recientemente en la membrana del retículo endoplasmático rugoso y son transportadas por el lumen hasta la parte más externa del retículo. Estas vesículas de transición son el vehículo de dichas proteínas que serán transportadas a la cara externa del aparato de Golgi. 

DOMINIO MEDIO: es una zona de transición.  En en ella se da la mayoría de las reacciones químicas que ocurren en esta organela

DOMINIO TRANS: llamada también cara de maduración es la que se encuentra más cerca de la membrana citoplasmática. De hecho, sus membranas, ambas unitarias, tienen una composición similar. 
El COMPLEJO DE GOLGI es el centro de EMPAQUETAMIENTO o compactación de moléculas  sintetizadas  dentro de  la  célula,  la  MODIFICACIÓN de  algunas  proteínas  luego de que  son  producidas  en  el  RETÍCULO RUGOSO,  el  TRANSPORTE  de  sustancias,  la  SÍNTESIS  de algunos CARBOHIDRATOS y además FORMA VESÍCULAS donde  se acumulan algunas  sustancias, que  en muchos  casos  deben  salir  de    la  célula.   En  las  células  vegetales  desempeña  un  papel importante en el ENSAMBLE de MATERIALES para la PARED CELULAR en expansión. 
Esquema que muestra el origen, tránsito y destino de los materiales que se mueven por el Aparato de Golgi


VACUOLAS:   Son  un tipo de vesículas  que  se  encuentran  en  el  citoplasma  de  las CÉLULAS  VEGETALES,  esto es porque solo en células vegetales estas vesículas están    rodeadas  por  una membrana especializada  en  el  manejo  se  metabolitos  secundarios complejos  o  sustancias  de  desecho  o  digestiva,  llamada  TONOPLASTO.    La  VACUOLA  interviene  en  las  funciones  de OSMORREGULACIÓN. En  las células vegetales maduras,  la  VACUOLA  frecuentemente ocupa  la mayor parte de  la célula y los otros  contenidos  celulares  son  relegados  a  una  región estrecha,  próxima  a  la  membrana  celular.  La  VACUOLA  desempeña  un  papel  central  al  mantener  la  rigidez  de  la pared celular y la lozanía del cuerpo de la planta, así como el almacenamiento de alimento y otras sustancias.  Los animales, en cambio, deben elaborar protoplasma, con toda su complejidad, para crecer.  Se plantea la vacuolización como el fenómeno que permitió a las plantas ocupar tierra firme al poder contar las células con un generoso depósito de agua. En otros organismos no existen vacuolas, aunque la estructura vesicular si, lo único es que simplemente recibe el nombre de vesícula.
 vacuola de una célula de  levadura Saccharomyces cerevisiae

El incremento del tamaño de la VACUOLA da como resultado también el incremento del tamaño celular. Entre las funciones de la VACUOLA está que permite mantener a la célula hidratada ( por la acumulación de sales minerales ), y el mantenimiento de la rigidez del tejido ( generando una presión interna o presión de Turgencia ).   Otras de las funciones es la de la digestión de macromoléculas y el reciclaje de sus componentes. Todas las estructuras celulares ( membranosas y no membranosas ) pueden ser depositados y degradados en las VACUOLAS. Debido a su gran actividad digestiva, son comparadas con los LISOSOMAS.   Las VACUOLAS también aislan del resto del citoplasma muchos de los productos secundarios tóxicos del metabolismo ( metabolitos secundarios ),  existen otras estructuras que se llaman también VACUOLAS pero cuya función es muy diferente:  
  • Vacuolas pulsátiles: estas extraen el agua del citoplasma y la expulsan al exterior por transporte activo.
  • Vacuolas digestivas: se produce la digestión de sustancias nutritivas, una vez digeridas pasan al interior de la célula y los productos de desecho son eliminados hacia el exterior de la célula.
  • Vacuolas alimenticias: función nutritiva, forma a partir de la membrana celular y del retículo endoplasmático
en las microfotografías se pueden apreciar las “ vacuolas “ de dos ciliados, las cuales son vacuolas digestivas ( Paramecium caudatum derecha ) y pulsátiles ( Phyllopharyngea izquierda )

En el interior de la VACUOLA se encuentra una sustancia fluida de composición variable: conocida como JUGO VACUOLAR.  Este jugo está constituido por agua y una variedad de compuestos orgánicos e inorgánicos en el cual se puede encontrar:   
  • azúcares y proteínas que funcionan de reserva 
  • cristales y taninos, los cuales son desechos
  • alcaloides, glucósidos y otros venenos  que sirven a la planta de defensa contra los herbívoros;
  • ácido málico en plantas CAM;
  • pigmentos hidrosolubles que dan su color característico a muchos órganos.
Microfotografía de células vegetales que muestran vacuolas con metabolitos disueltos en su jugo vacuolar, probablemente cristales no solubles
ORGANELAS DE DOS Y TRES MEMBRANAS

PLASTIDIOS:  Los  PLASTIDIOS  son  organelas  que  se encuentran  sólo  en  los  organismos fotosintéticos.  Están  rodeados  por  dos membranas  concéntricas,  al  igual  que  las mitocondrias,  y  tienen  un  sistema  de membranas  internas  que  pueden  estar intrincadamente  plegadas. Los plastos poseen su propia dotación de Material Genético, así como ribosomas propios. Los  PLASTIDIOS maduros  son  de  tres  tipos:  LEUCOPLASTOS, CROMOPLASTOS  y  CLOROPLASTOS.    Los pigmentos  que  intervienen  en  la  fotosíntesis de los eucariotas incluyen las clorofilas y los carotenoides  y  otros  pigmentos.  Las clorofilas se almacenan en el CLOROPLASTO y  los  otros  pigmentos  se  almacenan  en  los CROMOPLAPSTOS.  
Microfotografía de células vegetales que muestran diferentes tipos de plastos, izq cromoplastos de la planta de chile ( Capsicum ), centro cromoplastos de la planta de tomate ( Solanum lycopersicum )y a la derecha los cloroplastos de células de un briótfito 

Los CROMOPLASTOS  contienen diversos tipos de pigmentos y para clasificarlos se hace a partir de su intervención en la fotosíntesis:

Fotosintéticamente activos:;

Cloroplastos (pigmento clorofila, principalmente) 
Feoplastos (pigmentos clorofila, ficoeritrina roja y carotenoides pardos) 
Rodoplastos (pigmento clorofila, ficoeritrina roja y fiicoeritrina azul) 

Sin actividad fotosintética: 

aquellos con diversos pigmentos (por ejemplo, licopenos) que dan coloración a flores, frutos y otras partes del vegetal. No presentan actividad metabólica y su función parece estar ligada a la polinización y a la dispersión de frutos. 
En una cromatografía se puede apreciar la separación de los pigmentos que se encontraban en una hoja de espinaca Spinacia oleracea, en el gráfico adjunto se muestra la absorbancia de los diferentes pigmentos en el espectro visible

Los  LEUCOPLASTOS son  plastidios  incoloros, almacenan sustancias incoloras o poco coloreadas. De acuerdo a la principal sustancia de reserva son clasificados en AMILOPLASTOS  ( almidones ), OLEOPLASTOS ( aceites ), los cuales son abundantes en semillas, PROTEOPLASTOS ( proteínas ).   Estos se localizan en las células vegetales de órganos no expuestos a la luz, tales como raíces, tubérculos, semillas y órganos que almacenan almidón. 
Microfotografía de células vegetales que muestran diferentes tipos de amiloplastos, para visualizarlos se utiliza un tinte para almidones como el Lugol a la derecha y a la izquierda se muestran amiloplastos de la papa ( Solanum tuberosum ), al centro se observan los amilosplastos de una célula de banano ( Musa acuminata )


Los CLOROPLASTOS  son  los  PLASTIDIOS  que  contienen  CLOROFILA  y  en  los  cuales  se  produce  energía química  a  partir  de  energía  lumínica,  en  el  proceso  de  FOTOSÍNTESIS.  Al  igual  que  otros PLASTIDIOS,  están  rodeados  por  DOS  MEMBRANAS, sin embargo en su interior existe  una  TERCERA MEMBRANA: la membrana  TILACOIDE, que  forma  una  serie  complicada  de  compartimientos  y  superficies  de trabajo. Al igual que las mitocondrias, los cloroplastos poseen en su interior ADN, el cual ha conservado unos 250 genes ( de su ancestro bacteriano ) los cuales codifican para ARN ribosómico, ARN de transferencia, proteínas para la división y la maquinaria metabólica para la realización de la fotosíntesis.   Estas regiones con ADN se tiñen intensamente con colorantes de ADN, y se denominan NUCLEOIDES, cada NUCLEOIDE puede estar constituido por  4 a 8 moléculas de ADNcp ( ADN del Cloroplasto ).
Izquierda, Esquema tridimensional de la estructura del Cloroplasto, Derecha, esquema de la molécula de ADN ADNcp de Oryza sativa ( arroz ), la cual contiene 155.844 pares de bases

Los CLOROPLASTOS son orgánulos con forma de DISCO, de entre 4 y 6 micras de diámetro y 10 micras o más de longitud. Aparecen en mayor cantidad en las células de las hojas, lugar en el cual parece que pueden orientarse hacia la luz.   El cloroplasto contiene en su LUMEN interior una sustancia básica denominada ESTROMA, la cual está atravesada por una red compleja de discos conectados entre sí, llamados LAMELAS. Muchas de las LAMELAS se encuentran apiladas como si fueran platillos; a estas pilas se les llama GRANA.
 
Izquierda, esquema de un cloroplasto con sus partes, derecha, microfotografía al microscopio  electrónico de transmisión de un cloroplasto


Microfotografías de la estructura interna de un cloroplasto, las inclusiones en la fotografía de la derecha son acumulaciones de almidón

En las plantas, los CLOROPLASTOS se desarrollan en presencia de luz, a partir de unos orgánulos pequeños e incoloros que se llaman PROPLASTOS o PROTOPLASTOS. A medida que las células se dividen en las zonas en que la planta está creciendo, los PROPLASTOS que están en su interior también se dividen por fisión. De este modo, las células hijas tienen la capacidad de producir CLOROPLASTOS.    En las algas, los CLOROPLASTOS se dividen directamente, sin necesidad de desarrollarse a partir de PROPLASTOS. La capacidad que tienen los cloroplastos para reproducirse a sí mismos, y su estrecha similitud, con independencia del tipo de célula en que se encuentren, sugieren que estos orgánulos fueron alguna vez organismos autónomos que establecieron una simbiosis en la que la célula vegetal era el huésped.
Protoplastos de Espinaca ( Spinacia oleracea )

MITOCONDRIAS:   La morfología mitocondrial es compleja de describir puesto que son estructuras muy cambiantes las cuales constantemente se deforman, dividen y fusionan. Sus dimensiones van entre los 0,5 y 1 micras de diámetro y hasta 7 micras de longitud.  Su número depende de las necesidades energéticas de la célula ( son abundantes en tejido neuromuscular ).  Al conjunto de las mitocondrias de la célula se le denomina CONDRIOMA celular.   
Microfotografías electrónicas, coloreadas por computadora en las que se muestra el condrioma en células musculares ( izq ) y nerviosas ( der ). 

La mitocondria es una ORGANELA de estructura VESICULAR, en ella se pueden visualizar 2 MEMBRANAS PARALELAS separadas por un espacio estrecho llamado espacio INTERMEMBRANOSO, este espacio está compuesto de un líquido similar al CITOSOL, sin embargo presenta una alta concentración de protones ( menor pH, mayor acidez ); la membrana interna emite hacia el interior de la mitocondria una serie de EVAGINACIONES LAMINARES a  manera de TABIQUES incompletos, los cuales no que no llegan a segmentar el espacio intermembranoso, estas prolongaciones se denominan CRESTAS MITOCONDRIALES. Generalmente las crestas son laminares y perpendiculares al eje mayor de la mitocondria pero existen crestas irregulares en forma de tubular, o paralelas al eje longitudinal ( como en los espermas humanos ), a veces se encuentran crestas angulares; también es variable el numero de crestas, así existen mitocondrias con pocas crestas cortas o por el contrario hay casos en los que las crestas son tan abundantes que no dejan espacio para la MATRIZ MITOCONDRIAL.   La matriz mitocondrial o MITOSOL contiene iones, metabolitos a oxidar, ADN mitocondrial ( ADNmt muy parecido al de procariotas y cloroplastos ), ribosomas similares a los procariotas que reciben el nombre de MITORRIBOSOMAS, los cuales realizan la síntesis de algunas proteínas mitocondriales, la matriz también contiene ARN mitocondrial. ( ARNmt ) 
(izq ) detalle de las crestas mitocondriales al microscopio de transmisión, (der ) ultraestructura de la mitocondria, modificación digital de una microfotografía al microscopio de transmisión


Las MEMBRANAS MITOCONDRIALES ( externa e interna ), se diferencian mucho debido a sus PROTEÍNAS INTEGRALES. También es distinta la COMPOSICIÓN LIPÍDICA. Mientras que la membrana externa contiene COLESTEROL, la membrana externa realiza relativamente pocas funciones enzimáticas o de transporte. Contiene entre un 60 y un 70% de proteínas.  La membrana interna carece de COLESTEROL, en cambio tiene una considerable cantidad de cardiolipina, un fosfolípido. la membrana interna carece de poros y es altamente selectiva; contiene muchos complejos enzimáticos,   La permeabilidad de la membrana externa es extraordinariamente alta. En cambio, la membrana interna debe ser impermeable incluso para los protones, pues de otro modo sería imposible que llegara energía al complejo de ATP-SINTASA. Para compaginar la baja permeabilidad con las exigencias del intercambio de energía,la membrana mitocondrial interna está provista de numerosos TRANSLOCADORES. Estos garantizan el intercambio de, ATP, fosfatos o ácidos orgánicos. 

En las microfotografías se muestran diferentes morfologías mitocondriales y se pueden apreciar también diferentes tipos de crestas

En la mitocondria se llevan a cabo la mayoría de las reacciones de la RESPIRACIÓN CELULAR, y en ella además se lleva a cabo la DEGRADACIÓN y la SÍNTESIS DE GRASAS. Como en la mitocondria se produce la RESPIRACION CELULAR, en ella  se  produce  la  mayor  parte  de  la  energía  del  organismo (ATP).  También permite la oxidación de algunos aminoácidos.  

Las Mitocondrias son organelas que poseen su propio ADN.   En los seres humanos esta molécula tiene un tamaño de 16.569 pares de bases, conteniendo un pequeño número de genes, distribuidos entre la cadena H y la cadena L. Cada mitocondria contiene entre 2 y 10 copias de la molécula de ADN. En él están codificados dos ARN ribosómicos, 22 ARN de transferencia y 13 proteínas que participan en la producción de ATP. 

 
(izq) diagrama del genoma mitocondrial, (der ) marcaje fluorescente de las mitocondrias en una célula muscular

 Tradicionalmente se ha considerado que el ADN mitocondrial se hereda solo por vía materna. Según esta concepción, cuando un espermatozoide fecunda un óvulo penetra el núcleo con su ADN pero deja afuera su cola y citoplasma, donde están las mitocondrias. Por lo tanto, en el desarrollo del cigoto sólo intervendrían las mitocondrias contenidas en el óvulo. Sin embargo, en los ultimos años se ha demostrado que las mitocondrias del espermatozoide pueden ingresar al óvulo. Según algunos autores el ADN mitocondrial del padre puede perdurar en algunos tejidos, como los músculos.  

El ADN mitocondrial puede ser usado para identificar individuos junto con otra evidencia. También es usado por laboratorios forenses para identificar viejas muestras de esqueleto humano. Distinto que el ADN nuclear, el ADN mitocondrial no sirve para identificar individuos, pero si para identificar grupos de individuos, es usado entonces para aceptar o rechazar comparaciones entre personas perdidas y restos no identificados.

 
Diagrama que muestra las partes de la mitocondria, en el mapa se puede apreciar la posible ruta que siguió el ser humano para la colonización del planeta a partir de la cuna de la humanidad en África, esta ruta se ha determinado estudiando los grupos de ADN mitocondrial actuales 




Para leer más 
Sistema de Membranas
http://www.biologia.edu.ar/botanica/tema8/8-2sist_mem.htm 

Salceda-Sacanelles R. 2008. PEROXISOMAS: ORGANELOS POLIFACÉTICOS .  Revista de Educación Bioquímica, Universidad Nacional Autónoma de México , Vol. 27, Núm. 3, pp. 85-92 
Disponible en http://redalyc.uaemex.mx/redalyc/pdf/490/49011480003.pdf 

EL GENOMA EXTRANUCLEAR
http://www.inteligenciaartificial.cl/ciencia/biologia/genetica/genoma_extranuclear.htm 

La Mitocondria Humana
http://www.lab314.com/mitocondria/mitocondria.htm 

Actividad 1: Estructura de una Mitocondria
http://personales.ya.com/geopal/biologia_2b/unidades/ejercicios/act1enertema2.htm 

Mitocondrias y Cloroplastos
http://javeriana.edu.co/Facultades/Ciencias/neurobioquimica/libros/celular/mitocondria.html 

domingo, 11 de junio de 2017

Citoplasma y Citosol


Sobre este tema hay que hacer algunas consideraciones conceptuales que en los libros de texto ( generalmente traducciones del inglés ) no se especifican sobre el contenido celular.  Por eso me permito explicar algunos conceptos para luego relacionarlos

Protoplasma

La definición de este término lo ubica como sinónimo de citoplasma, sin embargo la misma debe ir mas allá, el concepto de citoplasma explicaré que se trata solamente en el caso de eucariotas y por tal las células procariotas no tendrían ni citoplasma ni protoplasma.  La definición de protoplasma debe contemplar el contenido total de la estructura celular ( ya sea Procariota o Eucariota ), pero contempla al citoplasma y al carioplasma ( el cual se encuentra solo en las células con núcelo).  

En la ilustración se muestra una célula procariota con su protoplasma en verde, en el mismo no se aprecian estructuras como si en la célula eucariota de la derecha


Citosol

El citosol o hialoplasma, es el gel acuoso interior de la célula y que se encuentra fuera de las membranas internas ( cuando las hay ). En muchos casos representa un poco más mitad del volumen celular.  Este término Citosol debe ser universal, pues existe tanto en Procariotas como en Eucariotas.    El citosol gran cantidad de sustancias orgánicas disueltas, como por ejemplo: azúcares, algunos nucleótidos y ácidos nucleicos, proteínas y enzimas.   También contiene una gran variedad de filamentos proteicos que le proporcionan una compleja estructura interna. El conjunto de estos filamentos constituye el citoesqueleto o esqueleto celular.

Entre el 30 y el 50% de las proteínas celulares, sintetizadas por los ribosomas, están destinadas a permanecer en el citosol. Debido a esta gran concentración de proteínas, el citosol es un gel viscoso, organizado por las fibras citoesqueléticas. Se cree que esta estructura ayuda a organizar dirigir y controlar las diversas reacciones enzimáticas.

En este esquema se observan los principales componentes del citoesqueleto ( Filamentos, Microfilamentos y Microtúbulos ) rodeando algunas organelas y disperso por el citosol.

Además, en el citosol de muchas células se almacenan sustancias de reserva o toxinas en forma de gránulos, los cuales se conocen con el nombre denominados inclusiones, éstas inclusiones no están rodeadas por una membrana. Así, las células musculares y los hepatocitos contienen gránulos citosólicos de glucógeno y los adipocitos contienen grandes gotas de grasas, que pueden llegar a ocupar casi todo el citosol.


En la ilustración de la izquierda, se observa un adipocito con una reserva de grasas, las dos fotografías restantes corresponden a hepatocitos con inclusiones formadas por condiciones patológicas, unas coloreadas en rojo y las otras formando algo similar a una vacuola

El paraplasma es el conjunto de inclusiones de una célula, el cual se clasifica en:

Inclusiones en células vegetales: 

1.- Inclusiones lipídicas: para utilizar como nutrientes. Abundantes en tejidos de semillas.
2.- Aceites esenciales: mezcla de compuestos terpénicos. Entre los monoterpenos destacan el geraniol, limoneno, mentol, bineno, alconfor. Los cuales dan olores y sabores característicos las plantas que los llevan. Constituyen pequeñas gotas líquidas. 
3.- Látex
4.- Almidón: polisacárido de reserva en células vegetales.

Inclusiones múltiples en una célula vegetal

Inclusiones en células animales: 

1.- Glucógeno: polisacárido de reserva en células animales. Se observa como gránulos al microscopio
2.- Lípidos: se acumulan como triglicéridos de ácidos grasos y aparecen como gotas de tamaño variable. 
3.- Proteínas: en general aparecen bajo formas cristalizadas. Generalmente están en el citosol propiamente, aunque pueden aparecer en las mitocondrias, RE o núcleo. Presentes en tipos celulares muy variados. 
4.- Pigmentos: son sustancias que dan color natural al tejido. Se clasifican en: 

Pigmentos endógenos: como por ejemplo la hemoglobina, melanina y lipofugina. Los cromatóforos son células que contienen pigmentos rojos (eritróforos) o amarillos (xantóforos). Están presentes en algunos vertebrados. 
Pigmentos exógenos: originados fuera del organismo. Como por ejemplo carotenoides y minerales. 

Las flechas muestran inclusiones en el eritrocito humano, las cuales se llaman Cuerpos de Heinz. Estas corresponden a Hemoglobina agregada o desnaturalizada. En pacientes con síndromes talasémicos o de hemoglobinas inestables.

El citosol entonces representa el medio acuoso interno del citoplasma, que llena todos los espacios fuera de las organelas, y en el que se producen muchas funciones citoplasmáticas. No se considera pues parte del citosol el contenido o lumen de los compartimentos separados por membranas. El término fluido intracelular se refiere a todos los fluidos del interior de una célula, tanto del citosol como el fluido del interior de todas las organelas, excluido el núcleo. Por lo tanto, es incorrecto referirse al Citosol como el fluido interior de la célula.



Composición Química 

Desde un punto de vista químico, el citosol es principalmente un medio acuoso el cual puede variar entre un 85% a un 95% de agua. En el se encuentran disueltas pequeñas sustancias orgánicas ( alimentos, hormonas, mensajeros ) y también sustancias inorgánicas ( sales minerales principalmente ).  Aunque la imagen más utilizada al referirse al citosol es la de partículas flotando libremente en el agua, el citosol tiene una organización muy alta a nivel molecular. El citosol es un fluido de “naturaleza gelatinosa” que tiene un contenido entre un de un 20 y un 5%% de proteínas. En el que están disueltas muchas de las moléculas que la célula necesita para su metabolismo, entre ellas moléculas orgánicas que son intermediarios del metabolismo.

Así, el citosol está repleto de proteínas que dirigen (catalizan) y controlan el metabolismo celular (glicólisis, gluconeogénesis, vía de las pentosas fosfato, activación de aminoácidos, síntesis de ácidos grasos, síntesis de nucleótidos), sistemas de traducción de señales internas (segundos mensajeros, AMPc, GMPc, IP3-inositol trifosfato), con receptores intracelulares de señalización (factores de transcripción, quinasas proteasas ). En el citosol se encuentran los ribosoma libres que realizan la síntesis de proteínas que serán distribuidas y destinadas a diferentes compartimentos celulares.

Ribosomas en el Citosol, los ribosomas se encargan de ensamblar las proteínas celulares

Citoplasma




Es el contenido celular, contenido entre el núcleo y la membrana. Está compuesto por el CITOSOL, y por el SISTEMA ENDOMEMBRANOSO el cual forma estructuras conocidas como ORGANELAS, las cuales son pequeños cuerpos que cumplen a manera de órganos con las unciones vitales de la célula.    

Las organelas se pueden clasificar de acuerdo a la CANTIDAD DE MEMBRANAS que éstas posean, existiendo organelas de 1, 2 y 3 membranas.



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Citoplasma de la celula





La célula eucariota

domingo, 4 de junio de 2017

Transporte de Membrana

La función más importante de las proteínas de la membrana es la de medio de transporte para las distintas sustancias que entran y salen de la célula.    Existen varios tipos de proteínas integrales, las cuales principalmente se dedican al transporte de sustancias, por ejemplo hay transportadoras de iones ( ionóforos o canales iónicos ), transportadoras de sustancias orgánicas ( facilitadoras o carrier ) y transportadoras de agua ( acuaporinas )

En general el movimiento de estas sustancias  obedece a las mismas leyes que gobiernan las propiedades de la materia y la energía en el  universo. El movimiento de las sustancias se puede estudiar al aplicar la SEGUNDA LEY DE LA  TERMODINÁMICA o LEY DE LA ENTROPÍA, la cual dice que en cualquier sistema la dirección en  la que se mueven las sustancias depende de la concentración relativa de las mismas, de manera  que se favorezca el máximo grado de desorden al final. De esta manera y de forma gradual ( se  establece una gradiente ) las sustancias se van a mover de la zona en que se encuentran en mayor  cantidad ( concentración ) a la que tiene menor cantidad.     Así se puede estudiar diferentes tipos de  movimiento.

Difusión: Es la migración de partículas  en general a favor de la gradiente de  concentración, es decir desde donde se  encuentran en mayor cantidad hacia  donde se encuentran en menor cantidad.


Los fenómenos de difusión se puede  dividir en 2 tipos: 

DIÁLISIS: Consiste en el movimiento a  favor de la gradiente de sales o iones  por medio de IONÓFOROS o CANALES  IÓNICOS, que son proteínas integrales  que funcionan espontáneamente.

ÓSMOSIS:  La ósmosis e s el movimiento de agua desde una región MENOS CONCENTRADA DE SOLUTO (medio  HIPOTÓNICO ) a otra MÁS concentrada ( medio HIPERTÓNICO ). La ósmosis se realiza a través  de una proteína integral especializada que se conoce con el nombre de ACUAPORINA. En general  ambos fenómenos ( ósmosis y diálisis ) se producen a la vez.  


Las Acuaporinas (AQP). Canales para el paso de agua. Son proteiías de entre 250 y 300 aminoácidos que se organizan en seis segmentos de estructura a-hélice para forman un poro.


Aunque cada acuaporina constituye por sí sola un canal, en la membrana celular estas proteínas se ensamblan en grupos de cuatro unidades.


La mayoría de las MOLÉCULAS ORGÁNICAS DE IMPORTANCIA BIOLÓGICA no pueden atravesar  libremente la barrera lipídica por DIFUSIÓN SIMPLE. De modo similar, los iones que son de  importancia crucial en la vida de la célula no pueden difundir a través de la membrana. Aunque  los iones individuales, como el sodio (Na+) y el cloruro (Cl-) son bastante pequeños, en solución  acuosa se encuentran rodeados por moléculas de agua y, tanto el tamaño como las cargas de los  agregados resultantes impiden que los iones se deslicen a través de aberturas momentáneas. 

Tanto la difusión facilitada como la difusión simple son impulsadas por una gradiente de  potencial químico. Las moléculas sin carga son transportadas simplemente a favor de la  gradiente, desde una región de mayor concentración a una de concentración menor. Pero, si el  soluto transportado tiene carga (iones) su transporte no sólo depende de su gradiente de  concentración sino también de la diferencia de potencial eléctrico a través de la membrana  (diferencia de carga eléctrica a ambos lados de la membrana debida a la distribución desigual de  iones). 

La fuerza total que mueve el soluto en este caso es la resultante de la combinación de ambas  gradientes: eléctrica y el química. La gradiente resultante se denomina GRADIENTE  ELECTROQUÍMICA. Casi todas las membranas plasmáticas tienen una diferencia de potencial  eléctrico, llamado potencial de membrana, en el que el lado citoplasmático de la membrana es  negativo respecto al lado externo


Proteínas Canal

Son proteínas de transmembránicas que forman en su interior un canal, que permite el paso de iones. Estos canales se abren según un tipo de señal especifica. Dependiendo del tipo de señal encontramos:

Canales iónicos dependientes del ligando: El ligando ( sustancia química que  los activa ) se une a una región receptora en la proteína canal y de forma especifica, provocando cambios en su conformación que permiten la apertura del canal, y por tanto la difusión de iones. 


Canales iónicos voltaje-dependientes : Se abren en respuesta a los cambios de potencial de membrana, como ocurre en las neuronas, en donde la apertura y cierre de los canales de Na+ y K+ permite la propagación del impulso nervioso.


Canales iónicos mecanodependientes: Se activan en respuesta estímulos mecánicos como por ejemplo los que se producen por el roce de un tejido con una superficie o por un campo vibratorio.

DIFUSIÓN FACILITADA

Existe un tipo más de difusión en el cual se  transportan sustancias mas complejas, las  proteínas que realizan este transporte se  conocen como "CARRIER" y se encuentran en  la membrana plasmática o en la membrana  que rodea a las organelas siendo altamente  selectivas. Las proteínas "CARRIER" O
FACILITADORAS son muy similares a las  enzimas que son también altamente  selectivas.


El TRANSPORTE TRANSMEMBRÁNICO también se puede explicar de acuerdo a la dirección de en  la cual se trasporta y de acuerdo a la cantidad de sustancias transportadas, según se puede  apreciar en el siguiente esquema:
Estos mecanismos se pueden encontrar en  proteínas que transportan a favor de gradiente  y en las bombas, las cuales son proteínas que  funcionan en contra de gradiente.

TRANSPORTE ACTIVO:

Es el paso de sustancias químicas a través de la membrana por medio de proteínas integrales EN  CONTRA DE GRADIENTE. En la difusión simple y la difusión facilitada, las moléculas o iones se  mueven a favor de una gradiente electroquímica. La energía potencial de esta gradiente dirige  estos procesos que son, en lo que concierne a la célula, pasivos. En el transporte activo, por el  contrario, las moléculas o los iones se mueven contra una gradiente electroquímica. Para impulsar  el transporte activo es necesaria la energía liberada por reacciones químicas celulares, es decir se  invierte ATP o energía metabólica. 

Por ejemplo la bomba Na+ / K+, este tipo de  transporte necesita de energía ( ATP ). El  transporte activo requiere siempre un gasto  de energía, que en algunos casos es liberada  de la molécula de ATP y en otros casos  proviene de la energía potencial eléctrica  asociada con el gradiente de concentración  de un ión a través de la membrana. Por  ejemplo, la glucosa es transportada desde la luz del intestino al citoplasma de las células  del epitelio intestinal. Este proceso de  absorción de glucosa se realiza aunque la  concentración de glucosa sea mayor en el  interior de la célula, es decir contra su  gradiente de concentración. Este tipo de  transporte es un cotransporte de glucosa y  sodio (Na+). 


La BOMBA DE SODIO-POTASIO está presente en todas las células animales. La mayoría de las  células mantienen una gradiente de concentración de iones sodio (Na+) y potasio (K+) a través de  la membrana celular: el Na+ se mantiene a una concentración más baja dentro de la célula y el K+  se mantiene a una concentración más alta. El gradiente generado por la bomba tiene asociada una  energía potencial eléctrica que puede ser aprovechada en el transporte activo de otras sustancias  que deben atravesar la membrana contra gradiente de concentración. La energía para el  movimiento de la glucosa contra su gradiente de concentración es aportada por la energía  potencial eléctrica asociada al gradiente de concentración de Na+ generado, a su vez, por la  bomba de sodio-potasio.

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Transporte de membrana




Transporte de membrana



Active Transport



Passive Transport



Osmosis and Diffusion


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TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA