miércoles, 5 de noviembre de 2014

Estructura y función celular: los orgánulos II

La capacidad que tienen las células eucariotas de cambiar la forma de su membrana no solo les permite formar vesículas simples, sino también sistemas complejos de bolsas de membrana distribuidas por el citoplasma que crean compartimentos celulares diferenciados y, por lo tanto, que pueden especializarse en diferentes funciones y dan lugar a los orgánulos que caracterizan este nivel de organización celular. El conjunto de orgánulos membranosos que forman parte de una célua eucariota recibe el nombre de sistema endomembranoso.
Probablemente el sistema endomembranoso de los eucariotas se originó por invaginación de la membrana plasmática: una zona de ésta debió hundirse hacia el interior de la célula, dando lugar a una bolsa, en principio comunicada con el exterior. Este compartimento distinto, separado tanto del citoplasma como del exterior de la célula, seguramente proporcionó ventajas a la célula, como la de acumular sustancias necesarias para ella sin que se perdieran en el medio externo por difusión, pero también sin que se mezclaran con los componentes del citoplasma, con los que podrían reaccionar de un modo no deseado.
El sistema endomembranoso de las células es un componente celular dinámico. Esto significa que pueden desprenderse vesículas de membrana de algunos de sus elementos y moverse a través de la célula hasta fusionarse con otros orgánulos distintos. Gracias a esta característica el sistema endomembranoso desarrolla un mecanismo de "tráfico vesicular", que permite tanto el intercambio de sustancias y partículas entre la célula y el entorno que la rodea como el movimiento de sustancias entre orgánulos, sin que lleguen a mezclarse con el citoplasma.

 
 El tráfico vesicular interviene en la endocitosis, es decir, en la introducción a la célula de moléculas de gran tamaño para que sean recicladas (por ejemplo los receptores hormonales), la fagocitosis que llevan a cabo algunas células del sistema inmunitario como los macrófagos o la exportación de sustacias por la célula hacia el medio extracelular.

Orgánulos del sistema endomembranoso

Aunque están relacionados por su origen y por su dinámica, los orgánulos del sistema endomembranoso se distinguen entre sí por su estructura y por las funciones específicas que realizan en el seno de la célula.

Retículo endoplásmico

El retículo endoplásmico o endoplasmático es una red de tubos y bolsas de membrana que se encuentra distribuido a lo largo de la célula. En general, sus bolsas están comunicadas entre sí, dando lugar a un compartimento intracelular separado del resto del citoplasma. El retículo juega un importante papel en la síntesis de moléculas complejas que son necesarias para la célula o para otros elementos del organismo.

Cuando se observan células con el microscopio electrónico se aprecia que hay dos tipos diferentes de retículo endoplásmico, cada uno de los cuales tiene un aspecto y una función característicos. El retículo endoplásmico liso, constituido simplemente por tubos y bolsas de membrana, interviene en la regulación de la concentración de calcio en el citoplasma, lo que a su vez tiene gran importancia para el funcionamiento celular (por ejemplo, el cambio en la concentración de calcio provoca la contracción muscular), pero también interviene en la síntesis de lípidos, entre otros de los que forman la membrana celular y la del resto de los orgánulos. Por su parte, el retículo endoplásmico rugoso se caracteriza porque su membrana presenta, en la cara que da hacia el citoplasma de la célula, engrosamientos en forma de puntos que se han identificado como ribosomas. Esto relaciona la función de este orgánulo con la síntesis de proteínas, concretamente con las que van a formar parte de la membrana celular o van a ser exportadas hacia el resto del organismo.
Aparato de Golgi

Los aparatos o complejos de Golgi son conjuntos de bolsas aplanadas de membrana junto a las cuales aparecen grupos de vesículas de membrana libres, que se encuentran cerca del retículo endoplásmico. Cada célula puede tener  uno o varios aparatos de Golgi, lo que es más típico de las células vegetales.

En cuanto a su función, el aparato de Golgi es el centro de procesamiento y distribución de sustancias de la célula. Las sustancias elaboradas en el retículo endoplásmico rugoso salen de él dentro de vesículas que viajan hasta el Golgi. Una vez allí sufren una serie de cambios químicos que podrían describirse como "etiquetado": se añaden a las moléculas ya formadas una serie de fragmentos que van a permitir que sean reconocidas por otras células o que las van a dirigir hacia puntos específicos de la propia célula. Una vez etiquetadas, las moléculas salen del Golgi hacia tres destinos principales: la formación de lisosomas (el Golgi produce el contenido de estas vesículas, que van a permitir romper y reciclar otras moléculas que ya no sean útiles a la célula), la membrana plasmática (toda la membrana celular se renueva a partir del aparato de Golgi) o el exterior de la célula (los productos de secreción de la célula, incluyendo los componentes de la pared celular de los vegetales, proceden del aparato de Golgi).

Núcleo celular

El núcleo de la célula eucariota es una estructura aproximadamente esférica rodeada por bolsas aplanadas de membrana, similares a las del retículo endoplásmico. El interior del núcleo (nucleoplasma) contiene el material  genético de la célula. Durante la mayor parte del tiempo, mientras la célula realiza sus actividades normales, ese material genético apenas resulta visible, apreciándose en las micrografías de mayor resolución como un hilo fino con engrosamientos distribuidos a intervalos regulares ("collar de perlas"). Eso se debe a que el ADN está totalmente estirado, permitiendo su lectura por las proteínas que interactúan con él. Además, es posible observar, en la mayoría de los casos, una zona más densa a los electrones: el nucleolo. Actualmente sabemos que se trata de una región del núcleo en la que se está sintetizando activamente el ARN que formará parte de los ribosomas. El material genético poco visible, no condensado, recibe el nombre de cromatina.

La envuelta nuclear es, en realidad, continuación del retículo endoplásmico rugoso, y presenta ribosomas adheridos en su cara externa, orientada hacia el citoplasma. En algunos puntos la membrana se dobla sobre sí misma, dejando un orifico que comunica el nucleoplasma con el citoplasma, llamado poro nuclear. Es importante señalar que la membrana es continua en todo el perímetro de los poros, no se interrumpe en ningún punto. Los poros permitirían el paso entre el nucleoplasma y el citoplasma, pero están ocupados por un grupo de proteínas que actúan como diafragma: se cierran o se abren para dejar salir el ARN hacia el citoplasma, donde se encuentran los ribosomas.

Orgánulos complejos: mitocondrias y plastos

Todas las células eucariotas poseen mitocondrias, y las células vegetales presentan, además, plastos (este es el nombre correcto del orgánulo; son cloroplastos cuando tienen color verde, pero también pueden ser transparentes -leucoplastos- o de otros colores -cromoplastos-).

A pesar de ser muy diferentes entre sí, estos dos tipos de orgánulos comparten muchas características, lo que refleja una intensa relación entre ellos: estructura parecida, funciones relacionadas e incluso un origen común.
Desde el punto de vista de la estructura, estos dos orgánulos tienen muchas características comunes: los dos están formados por dos membranas totalmente separadas entre sí, que dan lugar a dos compartimentos distintos: uno interno, similar al citoplasma de una célula, y otro situado entre las dos membranas (espacio intermembranoso) que está ocupado por un medio líquido de composición distinta al compartimento interno. En los dos casos la membrana interior crece hacia adentro, aumentando su superficie todo lo posible sin que el propio orgánulo incremente su tamaño. En el compartimento interno de los dos orgánulos se pueden encontrar ADN propio, con información distinta a la contenida en el núcleo celular, y ribosomas del mismo tipo que está presente en los procariotas.

En cuanto a su función, los dos orgánulos participan en procesos de producción de energía que va a ser aprovechada por la célula: la respiración celular en el caso de la mitocondria y la fotosíntesis en los plastos. Esa producción de energía tiene lugar aprovechando la membrana interna de los dos orgánulos. Además de la energía, ambos orgánulos utilizan y producen sustancias importantes para el resto de la célula, de modos distintos a como ocurren en el citoplasma. La mitocondria quema y produce lípidos, mientras que los cloroplastos utilizan la energía que producen para sintetizar glúcidos.

Tantos elementos estructurales y funcionales en común han llevado a suponer que los dos orgánulos poseen también un origen evolutivo común, que estaría explicado por la hipótesis endosimbionte. Esta teoría busca el origen de este tipo de orgánulos hace unos 3.000 millones de años, cuando la atmósfera terrestre no tenía oxígeno. En esa época debieron aparecer los primeros antepasados de los eucariotas, diferentes de los procariotas, entre otras cosas, por su capacidad para crear vesículas de membrana.

Las células de ese periodo de la historia de la Tierra eran anaerobias: no solo eran incapaces de utilizar el oxígeno, sino que además resultaba tóxico para ellas. Los organismos heterótrofos utilizarían compuestos orgánicos que transformarían en otros más sencillos, pero no en CO2, ya que no los oxidaban por completo, mientras que los autótrofos realizarían un tipo de fotosíntesis que no libera oxígeno.

En este contexto debieron aparecer los antepasados de las actuales cianobacterias, organismos procariotas que desarrollaron un tipo de fotosíntesis más eficaz: produce más energía, rompiendo moléculas de agua y formando oxígeno. La liberación de este gas a la atmósfera dio lugar a uno de los cambios ambientales más importantes de la evolución geológica de nuestro planeta: la formación de una atmósfera oxidante, tóxica para la mayor parte de los organismos que existían en esa época. Algunas bacterias pudieron evolucionar, desarrollando mecanismos bioquímicos que les permitieron aprovechar el oxígeno, mejorando incluso su capacidad de producir energía al emplearlo para oxidar por completo los compuestos orgánicos que usaban como nutrientes.

Los antepasados de los eucariotas, por el contrario, no desarrollaron nuevas formas de utilizar el oxígeno, sino que gracias a su capacidad para formar vesículas de membrana pudieron fagocitar una de estas bacterias aerobias, manteniéndola viva dentro de una bolsa de membrana, en el interior de su citoplasma. Esto debió dar lugar a las primeras mitocondrias que serían, entonces, organismos simbiontes de los eucariotas. Más adelante, algunos de estos organismos pudieron hacer lo mismo con una cianobacteria, es decir, englobarla dentro de una bolsa de membrana y mantenerla viva en su interior. Así se habrían formado los primeros cloroplastos, y habrían evolucionado también los antepasados de las plantas actuales.

Esta teoría que explica el origen de mitocondrias y plastos por simbiosis con otros organismos se conoce como hipótesis endosimbionte, y tiene sus puntos fuertes en los parecidos de ambos orgánulos entre sí y con los grupos de procariotas de los que se supone que proceden.

Estructura y función de las mitocondrias

Las mitocondrias tienen forma de píldora y el tamaño aproximado de una bacteria. Su membrana interna se proyecta hacia el interior de su compartimento central, llamado matriz mitocondrial, formando las "crestas mitocondriales", algo así como unos tabiques que no dividen por completo la matriz. En su interior aparecen, como se ha dicho, una molécula de ADN y ribosomas, además de algunos gránulos de reserva.

Las mitocondrias guardan relación con la síntesis y utilización de los lípidos pero, sobre todo, son los orgánulos responsables de la respiración celular, que es el proceso mediante el cual la célula obtiene la mayor parte de la energía que necesita.

La célula utiliza energía química, que acumula en los enlaces de algunos de sus componentes, en particular de una sustancia llamada ATP. Una parte de esta energía se consigue en el citoplasma, oxidando los nutrientes como la glucosa. Sin embargo, el citoplasma de la célula es anaerobio, es decir, el oxígeno resulta tóxico en él, por lo que los nutrientes no se oxidan por completo en ese compartimento celular. Los nutrientes llegan, por lo tanto, al citoplasma, donde son aprovechados parcialmente. Los productos resultantes pasan a la mitocondria, donde terminan de oxidarse para producir más energía y dar lugar, como residuo final, a dióxido de carbono.

La mitocondria posee ADN y ribosomas propios, que utiliza para producir algunas de sus propias proteínas, aunque no todas, ya que depende parcialmente de la información genética del núcleo celular. También tiene capacidad para reproducirse por sí misma.

Estructura y función de los cloroplastos

La estructura de los cloroplastos es algo más compleja que la de las mitocondrias, aunque responde al mismo patrón básico. En este caso el compartimento interno se denomina estroma, y está ocupado por una cantidad considerable de bolsas de membrana en forma de moneda que reciben el nombre de "tilacoides". La membrana de los tilacoides se comunica con la membrana interna del cloroplasto a través de una red de tubos y canales.

Los tilacoides suelen aparecer apilados, formando montones que pueden llegar a apreciarse en el microscopio óptico y que reciben el nombre de "granum" (plural grana).

La función de los cloroplastos es llevar a cabo la fotosíntesis, proceso mediante el cual la planta transforma la energía solar en energía química y luego utiliza esa energía para producir sustancias nutritivas que puede exportar al citoplasma y a otras células no verdes.

Las células que no realizan la fotosíntesis también tienen plastos, pero en este caso no tienen color, y su función es la de acumular almidón, por lo que se denominan amiloplastos.

Los plastos, igual que ocurre con las mitocondrias, se reproducen autónomamente dentro de la célula.

Pared celular

Las células vegetales, las de los hongos y las procariotas están protegidas exteriormente por una estructura gruesa llamada pared celular.

En realidad, las paredes celulares de los tres grupos citados tienen diferente composición y estructura, pero en los tres casos tienen en común que son estructuras de un gran espesor que se sitúan por fuera de la célula y que tienen una furnción de sostén y protectora.

La pared celular de los vegetales está formada por fibras de varias sustancias, entre las que destaca la celulosa, una sustancia formada por decenas de miles de moléculas de glucosa unidas entre sí formando cadenas ramificadas. Estas moléculas se sitúan paralelas entre sí, formando capas en direcciones cruzadas, y entre ellas se sitúan otras sustancias que las enlazan, proporcionándoles resistencia.