lunes, 14 de abril de 2008

Propiedades y funciones de las membranas celulares

Funciones generales
Todas las membranas celulares tienen tres funciones generales:
1- consiste en establecer, mantener o variar en una forma controlada la concentración de electrolitos, no electrolitos o agua entre dos compartimientos hídricos separados. Esta separación se lleva a cabo por una serie de bombas de solutos y filtraciones de soluto/solvente. Una bomba resulta ser una proteína de membrana integral que mueve un soluto contra un gradiente de concentración empleando energía. Ahora en cuanto a filtración, se puede decir que, es cualquier mecanismo o vía (distinto de la bomba) por el cual una molécula de soluto o de solvente atraviesa la membrana en dirección de un gradiente de concentración. Las vías de filtración son proteínas específicas que facilitan movimientos útiles de moléculas de solutos y solventes.
2- Las membranas son un sitio de transducción de señales como, por ejemplo una hormona peptídico fuera de la célula se une con un receptor de superficie celular, activando una cascada de fosforilación intracelular
3- Las membranas también sirven como superficies que favorecen ciertas interacciones moleculares, por ejemplo, unión covalente de una molécula polar (glicerol fosfato) con una molécula antipática (estearoil coenzima A) utilizando la membrana del retículo endoplasmático como una superficie catalítica.

La función principal de la membrana celular consiste en separar dos compartimientos acuosos de composición desigual y en general mantener diferente la composición de los dos compartimientos. El establecimiento de gradientes de concentración de solutos a través de membranas celulares por medio de bombas requiere energía. La energía para esta separación deriva del metabolismo y es empaquetada para su aporte a las bombas de iones de las membranas celulares en la forma de ATP. Se han descrito diversas proteínas de membranas integrales que concentran iones a través de una membrana por medio del clivaje de ATP en ADP y fosfato inorgánico.
Al mismo tiempo que las bombas que utilizan ATP concentran solutos desde un compartimiento hacia otro a través de una membrana, los solutos tienden a retrofiltrarse a través de la membrana en dirección del gradiente de concentración. Esta retrofiltración puede hacerse por varias vías, incluyendo un movimiento directamente a través de la bicapa lipídica (difusión simple) o por la interacción con una o más proteínas de membranas integrales (difusión facilitada).
El gradiente de concentración en estado estable que puede lograrse a través de la membrana esta en función de las tasas relativas de los diversos componentes de bomba y filtración. Altas tasas de bomba en relación con bajas tasas de filtración generan grandes gradientes; si las filtraciones son grandes en relación con las tasa de bomba, los gradientes son pequeños.

Vacuolas


Los peroxisomas o microcuerpos son organelas pequeñas y esféricas, limitadas por membranas, muy parecidos a los lisosomas, aunque se distinguen de éstos porque disponen de contenidos enzimáticos muy diferentes: en concreto oxidasas (productoras de peróxido de hidrógeno) y catalasas (que lo eliminan). Están especializadas en llevar a cabo reacciones que utilizan el oxígeno molecular generando peróxido de hidrógeno que, al ser un agente oxidante muy tóxico, es utilizado a continuación por la catalasa para llevar a cabo otras reacciones oxidativas útiles. Las principales funciones de los peroxisomas son:
- llevan a cabo reacciones oxidativas de degradación de ácidos grasos y aminoácidos
- intervienen en reacciones de detoxificación (por ejemplo, gran parte del etanol que bebemos es detoxificado por peroxisomas de células hepáticas)

Lisosomas


Se trata de organelas especializadas de forma redondeada o polimorfa que contienen diferentes tipos de enzimas del tipo de hidrolasas ácidas (lipasas, nucleasas, proteasas, sulfatasas...). Como todas estas enzimas necesitan de un ambiente ácido para su funcionamiento óptimo, las membranas de los lisosomas disponen de bombas de protones que transportan de manera activa H+ hacia el lisosoma, manteniendo así un pH de 5.
Los lisosomas mantienen sus enzimas -que necesitan para poder funcionar de un pH de 5- fuera del contacto del citosol, cuyo pH es de 7.2. De esta forma se asegura su actividad, pero al mismo tiempo se protege al propio citosol en caso de que se produjera algún escape de enzimas hacia fuera. Cuando se produce una alteración de la membrana del lisosoma, por ejemplo si se rompe, se liberan las hidrolasas y se digieren los componentes celulares, pudiendo provocar incluso la muerte de la célula. La gota es un ejemplo de enfermedad en la que se ocasiona alteración de la membrana lisosomial.

Los lisosomas reciben sus enzimas hidrolíticas lo mismo que sus membranas de la cara trans del Golgi. Ambos componentes llegan en vesículas diferentes, que poseen una cubierta de clatrina adquirida al desprenderse por gemación desde la CTG y que pierden poco después de su formación; las vesículas descubiertas se fusionan a continuación con los endosomas.
Los lisosomas no sólo intervienen en la digestión de macromoléculas, microorganismos fagocitados, desechos celulares y células, sino que también digieren organelas en exceso o envejecidas como mitocondrias o restos de RER.
Las sustancias destinadas a la degradación dentro de los lisosomas llegan a estas organelas por una de tres vías posibles: a través de los
fagosomas, de vesículas pinocíticas o de los autofagosomas.
El material fagocitado contenido dentro de los fagosomas se mueve hacia el interior de la célula; luego se une a un lisosoma o a un endosoma. Las enzimas digieren la mayor parte del contenido del fagosoma, sobre todo los azúcares y proteínas. Los lípidos, sin embargo, son más resistentes a la digestión, y se quedan encerrados dentro del lisosoma gastado, formando un
cuerpo residual. Por su parte, las organelas envejecidas quedan encerrados en vesículas llamadas autofagosomas, que se fusionan con endosomas o lisosomas y comparten el mismo destino que el fagosoma.


Aparato de Golgi


El aparato de Golgi es una organela que interviene tanto en la síntesis de azúcares (especialmente polisacáridos) como en la ordenación de las proteínas elaboradas en el retículo endoplásmico rugoso. Su desarrollo varía según el tipo de célula y su estado fisiológico, al igual que el RER, está muy desarrollado en aquellas células especializadas en procesos de secreción.
El aparato de Golgi está formado por una o más series de cisternas ligeramente curvas y aplanadas limitadas por membranas, y a este conjunto se conoce como apilamiento de Golgi o
dictiosoma. Los extremos de cada cisterna están dilatados y rodeados de vesículas que o se fusionan con este comportamiento, o se separan del mismo mediante gemación. Cada pila tiene una región más cercana al RER que es la cara cis (convexa) o de entrada (CCG), orientada hacia el núcleo, y la superficie opuesta, la cara trans (cóncava) o de salida (CTG). Entre ambas caras se encuentran varios compartimentos mediales.
Las proteínas siguen una vía predeterminada desde el RER hacia el aparato de Golgi para su modificación y empaquetamiento, según su utilidad posterior. Las vesículas de transporte que llegan desde el RER se fusionan mediante mecanismos con consumo de energía con las membranas de la CCG y descargan su contenido proteico en sus cisternas. Luego las proteínas se transfieren desde la cisterna cis hacia la cisterna medial y, finalmente, hacia la cisterna trans por medio de vesículas. Conforme tiene lugar todo este proceso de desplazamiento por el interior del aparato de Golgi, las proteínas sufren modificaciones, como pueden ser la adquisición de restos azucarados o la pérdida de éstos, por ejemplo.


Por último, las proteínas que dejan la CTG se encuentran encerradas en vesículas que pueden hacer alguna de las siguientes cosas:
a) se insertan en la
membrana celular como proteínas y lípidos de membrana
b) se fusionan con la membrana celular, de modo que la proteína se descarga hacia el espacio extracelular
c) se fusionan con endosomas, dando lugar a la formación de
lisosoma

Retículo endoplásmico

El Retículo Endoplásmico consiste en una red de túbulos, vesículas y sacos interconectados, que se extienden por todo el citoplasma y que llevan a cabo diversas funciones celulares, incluida la síntesis proteica, la producción de esteroides, almacenamiento de glucógeno, etc.

Retículo Endoplásmico Liso (REL)
Consta de una red de membranas conectadas a las cisternas del RER. Además de procesar las proteínas sintetizadas, produce los lípidos de la célula, en concreto fosfolípidos y colesterol, que luego pasan a formar parte de las membranas celulares. El resto de lípidos celulares (ácidos grasos y triglicéridos) se sintetizan en el seno del citosol. Por ello, suele ser escaso en la mayoría de las células, pero muy abundante en aquellas otras especializadas en el metabolismo lipídico y en hepatocitos. Además, en células con gran capacidad contráctil (como el músculo) el REL está implicado en el almacenamiento y liberación de iones calcio que activan el mecanismo contráctil.


Retículo Endoplásmico Rugoso (RER)

Toma su nombre de la presencia de ribosomas sobre sus membranas. Junto al aparato de Golgi conforman dos regiones diferenciadas de un mismo compartimento membranoso intercomunicado, que participa en la biosíntesis y transporte de proteínas y lípidos celulares. Su membrana se continúa con la membrana externa de la envoltura nuclear


En células metabólicamente inactivas existe muy poco RER, mientras que en las células que sintetizan y secretan moléculas que contienen proteínas se observan grandes cantidades del mismo.
Los ribosomas unidos al RER se dedican a la síntesis de proteínas que son trasladadas simultáneamente al interior del RE, y pueden ser de dos tipos:
A)
proteínas transmembrana, que tienden a quedarse directamente en la propia membrana del RER
B)
proteínas solubles en agua, que atraviesan la membrana y son vertidas al lumen (luz de la red de cisternas del RER). En cualquier caso, el comienzo de la síntesis de todas las proteínas tiene lugar en los ribosomas libres del citosol. La unión del ribosoma a la superficie del RER sólo tiene lugar cuando la nueva cadena polipeptídica contiene un péptido de reconocimiento de señal (PRS) para el RE. Si esto ocurre, el ribosoma se dirige hacia una proteína receptora de la membrana del RE; a continuación se unen ribosoma y membrana, y la proteína que se está formando pasa a través de la misma. Normalmente, una vez que la proteína pasa al lumen, el péptido señal se libera

viernes, 11 de abril de 2008

Ribosomas



Los ribosomas son pequeñas partículas compuestas por proteínas ribosomales (sintetizadas en el citosol) y RNA ribosomal (RNAr, sintetizado en el nucleolo), que funcionan como superficie para la síntesis de proteínas.
Cada ribosoma consta de una subunidad grande y otra pequeña, que se elaboran en el nucleolo y se vierten como entidades separadas hacia el citosol, no formando un ribosoma como tal hasta que no se inicie la
síntesis de proteínas. La subunidad pequeña tiene un valor de sedimentación de 40S (formada por 33 proteínas y un RNAr 18S); la subunidad grande tiene un valor de sedimentación de 60S (consiste en 49 proteínas y 3 RNAr, con valores de 5S, 5.8S y 28S, respectivamente). La subunidad pequeña tiene un sitio para la fijación del RNAm, un sitio P para la fijación del peptidil RNAt y un sitio A para la fijación de los aminoacil RNAt; la subunidad grande se limita a catalizar la formación de los enlaces peptídicos.En la superficie del RER se sintetizan las proteínas que se van a empaquetar, además de las destinadas a la membrana celular, los lisosomas, el aparato de Golgi y el propio retículo endoplásmico; los ribosomas libres, en cambio, sintetizan las proteínas del citosol, el núcleo, los peroxisomas y las mitocondrias. En el primer caso, el de las proteínas que requieren empacarse para su descarga hacia el exterior de la célula, deben descargarse hacia el interior de las cisternas del RER. El modo de identificación reside en un pequeño segmento del RNAm localizado justo después del codón de inicio, que codifica una secuencia de aminoácidos conocida como péptido señal. Es decir, que cuando un ribosoma comienza a sintetizar una proteína con un péptido señal para el RER, la propia señal dirige al ribosoma hacia la membrana del RER.
Generalmente, varios ribosomas traducen de forma simultánea la misma molécula de RNAm, dando lugar a un polisoma o polirribosoma. De ese modo, se pueden sintetizar gran número de moléculas de proteínas en un breve período. Por ejemplo: el tiempo aproximado de síntesis de una proteína compuesta por 400 aminoácidos es de cerca de 20 segundos.
Síntesis de Proteínas.

Para la síntesis de proteínas se requieren: subunidades ribosómicas pequeñas y grandes ;RNA mensajero (RNAm), que es el portador de las instrucciones codificadas que especifican la secuencia de aminoácidos, RNA de transferencia (RNAt)

Estos RNAt forman enlaces covalentes con los aminoácidos, con los que forman aminoacil RNAt, mediante reacciones catalizadas por enzimas específicos. Esto significa que a cada RNAt le corresponde su propio aminoácido. Cada RNAt contiene, además, un anticodón que reconoce el codón del RNAm que corresponde al aminoácido del que es portador. Todo este proceso de síntesis proteica o traducción a partir de una molécula de RNAm, requiere que previamente se haya producido la transcripción, mediante la cual a partir de una molécula de DNA se origina una de RNAm, que luego servirá de "molde" para la síntesis de nuevas proteínas


El proceso incluye las siguientes fases:
Etapa 1: se fija un RNAm a la subunidad pequeña. El sitio P de la subunidad ribosomal pequeña queda ocupado por un RNAt de iniciación, cuyo anticodón reconoce el codón triplete AUG, que codifica al aminoácido metionina

Etapa 2: la subunidad ribosomal grande se fija a la subunidad pequeña, y el ribosoma se desplaza a lo largo de la cadena de RNAm, en dirección desde 5' hasta 3', hasta que el siguiente codón queda alineado con el sitio A de la subunidad pequeña

Etapa 3: un nuevo aminoacil RNAt (es decir, un RNAt que lleva un aminoácido) compara a su anticodón con el codón del RNAm; si concuerda, el RNAt se fijará sobre el sitio A

Etapa 4: los aminoácidos en los sitios A y P forman un enlace peptídico - El RNAt del sitio P pasa su aminoácido al RNAt del sitio A, que ahora tiene unidos sobre sí a los dos aminoácidos (proceso catalizado por la enzima peptidiltransferasa)

Etapa 5: el RNAt desaminado deja libre el sito P, y el RNAm con sus dos aminoácidos se mueve desde el sito A hacia el sitio P. Al mismo tiempo, el ribosoma se desplaza a lo largo de la cadena de RNAm hasta que el siguiente codón queda alineado con el sitio A de la subunidad ribosomal pequeña

Etapa 6: se repiten las etapas 3 a 5, con lo que se alarga la cadena polipeptídica hasta que se llega al codón de terminación (que pueden ser tres: UAG, UAA o UGA), responsable de detener el proceso de traducción

Etapa 7: cuando el sitio A de la unidad ribosomal pequeña llega a un codón de terminación, se fija en el sitio A un factor liberador, encargado de descargar a la cadena polipeptídica recién formada desde el sitio RNAt del sitio P hacia el citosol

Etapa 8: el RNAt se libera desde el sitio P, el factor liberador se libera desde el sito A, y las subunidades ribosómicas grande y pequeña se disocian del RNAm quedando libres en le citosol.


En definitiva, los ribosomas participan en la síntesis de las proteínas que tendrán un destino u otro según que sean formadas por ribosomas libres o por polirribosomas adheridos a las membranas del RER.




La Mitocondria



Las mitocondrias constituyen la fuente energética de las células, ya que mediante el proceso de fosforilación oxidativa producen trifosfato de adenosina (ATP), que es la forma estable de almacenamiento de energía que puede utilizar la célula para llevar a cabo las actividades que la requieren.
Se trata de organelas flexibles cuya morfología varía de unas células a otras: en las que tienen un elevado nivel de metabolismo oxidativo suelen ser grandes y serpenteantes, en forma de bastoncillo; en otras tienen un aspecto más redondeado. Una célula eucariótica típica puede contener del orden de unas 2000 mitocondrias, ocupando en torno a un 20% de todo el volúmen celular.
Están provistas de dos membranas:

A) Una membrana externa que limita la organela, y
B) Una membrana interna que se proyecta hacia el interior en forma de pliegues o "crestas mitocondriales", que aumentan el área de superficie de esa membrana interna.

Existe una relación directa entre número de crestas y necesidades energéticas de la célula en la que se encuentran.
El espacio entre ambas membranas es el espacio intermembranoso, mientras que el espacio delimitado por la membrana interna corresponde a la
matriz mitocondrial. La membrana externa e interna establecen contacto entre sí en ciertas regiones o sitios de contacto
La membrana externa contiene proteínas de transporte especializadas que permiten el paso de moléculas desde el citosol hacia el interior del espacio intermembranoso. Por su parte, en la membrana interna existen abundantes complejos proteínicos en forma de "palillos cortos de tambor", como por ejemplo la
sintetasa del ATP, responsable de la síntesis de ATP a partir de ADP y de fosfato inorgánico. También se encuentran las cadenas respiratorias, cada una de las cuales está compuesta por tres complejos que forman una cadena de transporte de electrones (complejo de la NADH deshidrogenasa, complejo de citocromo b-c1, y complejo de la citocromo oxidasa). Esa cadena de transporte funciona como bomba de protones que lleva H+ desde la matriz hacia el espacio intermembranoso, lo que da lugar a un gradiente electroquímico que proporciona la energía necesaria para la acción de la ATP sintetasa durante el proceso de síntesis de ATP.
La matriz es un espacio lleno de líquido denso viscoso, rico en proteínas. Gran parte de esas proteínas son enzimas encargadas de la degradación de ácidos grasos y piruvato hasta acetil CoA, y la oxidación de éste en el ciclo del ácido tricarboxílico de Krebs. En la matriz también hay ribosomas mitocondriales, RNAt y RNAm, así como DNA circular y las enzimas necesarias para la expresión del genoma mitocondrial. El caso es que las mitocondrias se replican (se duplican) de forma espontánea, puesto que se generan a partir de mitocondrias existentes: aumentan de tamaño, replican su DNA y experimentan fisión.
Las mitocondrias varían mucho en su número dependiendo del tipo de células de que se trate: desde una única mitocondria en ciertas algas hasta varios cientos de miles en ciertos protozoos. Todo ello dependiendo de la necesidad de ATP de la célula. Precisamente ese será un factor determinante para su ubicación dentro de la misma: cerca de los lugares en los que se produce mayor demanda de energía; por ejemplo, entre las miofibrillas del músculo cardíaco.

Funciones de la mitocondria
a) Producción de energía
Todas las funciones celulares dependen de un aporte continuo de energía obtenido a partir de la degradación de moléculas orgánicas durante el proceso de
respiración celular. La energía liberada durante este proceso se almacena finalmente en forma de moléculas de ATP, que constituye una reserva de energía rápidamente disponible para todas las funciones metabólicas celulares. Los principales sustratos para la respiración celular con los azúcares simples y los lípidos, sobre todo glucosa y ácidos grasos.
La respiración celular de la glucosa (glucolisis) se inicia en el citosol, donde es degradada parcialmente hasta formar ácido pirúvico, produciendo una pequeña cantidad de ATP. Luego el ácido pirúvico pasa al interior de las mitocondrias donde, tras su transformación en acetil CoA, se incorpora al ciclo de Krebs en un proceso que produce una gran cantidad de ATP. La glucolisis puede ocurrir en ausencia de oxígeno, y entonces se llama glucólisis anaerobia, mientras que la respiración mitocondrial es dependiente de un aporte continuo de oxígeno y se denomina respiración aeróbica.
En contraste, los ácidos grasos pasan directamente al interior de las mitocondrias donde también se transforman en acetil CoA y se incorporan al
ciclo de Krebs produciendo ATP.
b) Producción de precursores para la síntesis de diversas sustancias
Como precursores para la síntesis de aminoácidos, ácidos grasos, glucosa, etc.

c) Síntesis de proteínas
En los ribosomas de las mitocondrias se sintetizan las proteínas codificadas por el DNA mitocondrial, aunque representan solo el 5-10% del total de proteínas mitocondriales. El resto de proteínas de la mitocondria se codifican por el DNA nuclear y se sintetizan en los ribosomas libres del citosol

Teoría endosimbiótica
Hace 2 billones de años hubo un desastre global que cambio las condiciones del planeta tierra por completo. La atmósfera contenía grandes cantidades de Dióxido de Carbono y pequeñas cantidades de Azufre, Nitrógeno, Carbono y Oxígeno. Después del desastre, los niveles de oxígeno en el ambiente empezaron a subir, probablemente por la acción de bacterias fotosintéticas del oceano. Al acumularse el oxígeno en tan grandes cantidades, mucha de la vida anaeróbica no logró protegerse o esconderse de la nueva atmósfera oxidativa por lo que se extinguieron. Otros organismos lograron protegerse de este oxígeno reduciendo las concentraciones al metabolizarlo y produciendo energía en forma de ATP.
Se piensa que se estableció una simbiosis entre una mitocondria y una célula huésped anaeróbica, a la cual le servía que la mitocondria eliminara el oxígeno del ambiente.

El dibujo y el informe sobre teoría endosimbiótica fueron obtenidos de blogbiologia.blogspot.com