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1. El retículo endoplásmico
Se trata de una red tridimensional o sistema de endomembranas denominadas cisternas que se extiende desde el núcleo (con el que puede tener continuidad) hasta la membrana plasmática. Las cisternas pueden ser túbulos y sáculos.
Morfológicamente, presenta tres regiones: RER (con ribosomas adheridos, encargado de la síntesis y plegamiento de proteínas), REL (elementos tubulares sin ribosomas, contiene enzimas y Ca2+^ ) y elementos transicionales (vesículas hacia el Golgi).
Su abundancia depende de la función celular: poseen mayor cantidad de RER las células con síntesis, almacenaje y secreción de proteínas (en las células exocrinas del páncreas, la superficie de RER puede ser mayor que la de la membrana plasmática), mientras que las células que tienen una mayor superficie de REL son aquellas que secretan hormonas esteroideas o almacenan Ca 2+, como las células endocrinas o las
fibras musculares esqueléticas.
El REL forma túbulos en las células del hígado, las de la corteza suprarrenal, las del cuerpo lúteo, las de Leydig… Existen excepciones: puede formar cisternas, continuarse con el RER, puede haber RE con ribosomas en un solo lado de la membrana… En definitiva, el retículo es un sistema de membranas común que puede especializarse.
Función del RER
El RER se encarga del almacenamiento de proteínas sintetizadas por los ribosomas y su posterior N-glicosilación (las sintetizadas por ribosomas libres no se glicosilan). Estas proteínas pueden tener diferentes funciones:
- formación de la membrana del RER, REL y Golgi y sus enzimas
- secreción celular: RER – Golgi – vesículas – exocitosis
- enzimas (hidrolasas): RER – Golgi – forman o se unen a lisosomas
La translocación al RER se produce tan pronto como se está sintetizando la proteína. Estas proteínas poseen péptidos extra en su N-terminal que pueden ser eliminados. Son los péptidos señal , formados por 12-15 aminoácidos y que quedan inmersos en la membrana del RER, pues sólo sirven para indicar que la proteína debe ser glicosilada.
En el complejo ribosoma-RNA-proteína se necesita la partícula de reconocimiento de señal ( SRP ) para dirigir el ribosoma al RER. Tan pronto como emerge el péptido señal, SRP se une al ribosoma y al propio péptido y secuestra la elongación de la proteína (la para). El complejo SRP-ribosoma-péptido se dirige a la membrana del retículo y se une al receptor del SRP, que está próximo a una proteína de canal llamada translocón. Cuando el ribosoma lo reconoce, se produce la disociación de SRP del ribosoma (mediada por hidrólisis de GTP) y la síntesis continúa hacia el interior del RER.
En el RER sólo se produce la N-glicosilación a residuos de asparagina. El azúcar hace al péptido más hidrófilo, facilita el plegamiento y evita su degradación. El núcleo central es un azúcar de 7 residuos (2 de N-acetil-glucosamina y 5 manosas) que se sintetiza en el citoplasma. Un lípido poli-isoprenoide de cadena larga, el dolicol fosfato , transfiere al lumen el azúcar mediante un movimiento de flip-flop. En el lumen, al azúcar se le añaden 7 residuos más. El azúcar resultante tiene 2 N-acetil- glucosaminas, 9 manosas y 3 glucosas ( 14 residuos en total ). En ese momento, es transferido a la proteína por la oligosacárido-transferasa. La asparagina tiene que estar
a 10-14 residuos del translocón y formar parte de la secuencia consenso Asn-X-Ser/thr (donde X es cualquier aminoácido excepto prolina). Ahora bien, no todas las secuencias consenso se glicosilan.
Funciones del REL
- Síntesis de lípidos (fosfolípidos, esfingolípidos y colesterol): los ácidos grasos se sintetizan en el citoplasma y los azúcares de los glicolípidos se añaden en Golgi. También se encarga de la síntesis de derivados de lípidos: - Hormonas esteroideas : se originan a partir del colesterol. La primera etapa tiene lugar en la mitocondria: se cortan las cadenas laterales del colesterol y se forma la pregnenolona , que es un intermediario que difunde al REL para ser procesado y dar lugar a las distintas hormonas. - Quilomicrones : triglicéridos, fosfoglicéridos y colesterol (resultado de metabolitos de la ingesta) se unen a proteínas en el enterocito y forman quilomicrones, que se liberan a través de la membrana basal del enterocito a la sangre y llegan al hígado, donde se encuentran con las células de Kupffer (macrófagos hepáticos), que los degradan para formar glicerol y ácidos grasos, material utilizado por los hepatocitos para formar lipoproteínas, que pasan al Golgi y son exocitadas en vesículas a la sangre. - Ácidos biliares (cólico, quenodesoxicólico…): cuando hay un exceso de colesterol, los hepatocitos los producen. Realizan cuatro funciones fisiológicas: eliminan el exceso de colesterol, solubilizan el colesterol para que no precipite en la vesícula biliar, facilitan la digestión de triacilglicéridos actuando como agentes emulsificadores que hacen a las grasas accesibles a las lipasas pancreáticas y facilitan la absorción intestinal de vitaminas solubles en la grasa.
- Detoxificación : en hígado, piel, riñon, intestino y pulmón. Se detoxifican sustancias liposolubles y productos tóxicos del metabolismo. Los compuestos hidrófobos se unen al oxígeno a través de la acción de la oxigenasa , que se encuentra en el REL y esto hace que puedan ser eliminados a través de la excreción en forma de bilis, orina…
- Contracción muscular : en el músculo estriado esquelético, el REL se denomina retícula sarcoplásmico y posee una bomba de Ca 2+^ en su membrana (acumula 104 más Ca2+^ que en el citoplasma). La membrana del REL posee también canales de Ca2+^ dependientes de voltaje que permiten su salida ante una despolarización, en respuesta a un estímulo nervioso. Ca 2+^ sale al citoplasma y reacciona con la tropomiosina , que queda activada y se desliza por el filamento de actina, dejando libre el sitio de unión de la miosina a la actina. Entonces se produce la unión actina-miosina y el deslizamiento de miofilamentos.
- Síntesis de membrana : los lípidos recién sintetizados se encuentran en la hemimembrana del lumen. La translocasa de fosfolípidos es responsable del movimiento de flip-flop y genera una distribución asimétrica de los fosfolípidos de la membrana plasmática (esfingosina y colina en la cara exoplásmica; serina y etanolamina en la cara citosólica). Se debe a que la translocasa es más eficiente en el flip-flop de fosfatidilcolina.
2. El complejo de Golgi
En células secretoras, se localiza entre el núcleo y el ápice por donde se vierte la secreción. En células fusiformes, se encuentra en ambos polos del núcleo.
- En los compartimentos intermedios se eliminan manosas (manosidasas I y II) y se añade N-acetil-glucosamina (NAG transferasas I y II). También tiene lugar la adición e galactosa y ácido siálico.
- En los compartimentos TRANS ocurre la sulfatación de proteoglicanos y la liberación de vesículas.
Control del destino de las vesículas
Todas las vesículas proceden del TRANS-Golgi, pero pueden estar recubiertas por clatrina (vesículas de secreción regulada y las de secreción constitutiva que transportan enzimas) o por coatómeros (resto de vesículas de secreción constitutiva).
Una de las actividades del Golgi es clasificar de manera exacta las proteínas para su exportación (dentro o fuera de la célula), lo que depende del recubrimiento de las vesículas (clatrina o coatómeros) y de un conjunto de receptores de membrana del TRANS-Golgi, que reconocen marcadores en las proteínas que deben transportarse. El complejo proteico contiene receptores para las proteínas que se van a transportar, receptores para el recubrimiento y marcadores de destino (SNARE).
Ejemplo de las enzimas lisosómicas
Las enzimas lisosómicas abandonan el Golgi con su marcador manosa-6P en vesículas de clatrina. En la membrana el Golgi hay receptores que reconocen el marcador y éste se acopla a ellos. En la membrana hay también receptores para la clatrina. Una vez liberada la vesícula, pierde la clatrina, pero en su superficie hay un marcador para el lisosoma (V-Snare). Una vez las vesículas se fusionan al lisosoma, vierten su contenido y el manosa-6P se libera de las enzimas. Se inicia el camino de retorno. Del lisosoma geman vesículas de clatrina con un marcador para el CIS-Golgi (un nuevo V-Snare). En el trayecto se pierde la clatrina y las vesículas se fusionan al CIS-Golgi, que tiene el receptor para el marcador de acoplamiento (T-Snare).
¿Existe una vía de vuelta al retículo?
Efectivamente, hay un proceso de retorno por si ocurriera algún error. Es constitutivo, por lo que las vesículas están recubiertas de coatómeros. Sin embargo, son de un tipo distinto, porque hay dos clases de coatómeros: COP I (movimiento retrógrado ) y COP II (movimiento anterógrado ). La brefeldina-A bloquea ARF-GTP, por lo que si sólo hubiera una clase de coatómeros, RE y Golgi se quedarían estáticos. Sin embargo, se vio que desaparecía el Golgi porque se inhibía COP II pero no COP I.
3. Lisosomas y peroxisomas
Lisosomas
Son compartimentos de membrana cargados de enzimas hidrolíticas que podrían destruir la célula. Sus membranas están protegidas contra estos enzimas. Las hidrolasas son unas 40 enzimas diferentes que pueden degradar proteínas, ácidos nucleicos, glúcios, lípidos… No todas están en un mismo lisosoma. La más común es la fosfatasa ácida, que libera fósforo de ésteres fosfóricos.
El pH interior de un lisosoma es de 5 gracias a una bomba de protones de la membrana que utiliza ATP. La hemimembrana interna está intensamente glicosilada, por eso está
protegida de las hidrolasas y de la acidez. Además, la membrana también tiene receptores que le permiten reconocer la estructura a degradar y proteínas de canal que permiten el paso de moléculas y productos de desecho al citoplasma.
Existen dos tipos de lisosomas en relación a su actividad funcional:
- Lisosomas primarios : contienen enzimas y no han participado aún en la digestión. Son pequeños, corresponden a vesículas con hidrolasas provenientes del TRANS-Golgi y su contenido es homogéneo y denso.
- Lisosomas secundarios : son mucho más gruesos, contienen materiales en digestión y su contenido es muy heterogéneo.
Las células de organismos superiores se nutren por difusión a través de la membrana o por transporte activo de sustancias ya degradadas. Algunos materiales son demasiado grandes y entran por endocitosis y fagocitosis. En vertebrados superiores sucede en enterocitos, túbulos proximales, epidídimo y en los macrófagos. En ambos tipos de endocitosis, los productos difunden al citoplasma, pero los desechos pueden exocitarse al exterior o permanecer como cuerpos residuales o telolisosomas.
En los neutrófilos, los lisosomas son visibles al microscopio óptico. Aparecen como granulaciones (gránulos azurófilos). Se fusionan con la vacuola que contiene al patógeno y lo digieren. Ante una infección importante, se puede romper la membrana de un fagolisosoma, se liberan sus enzimas, destruyen al leucocito y forma el pus. Los lisosomas también pueden digerir orgánulos o porciones del citoplasma ( vacuolas de autofagia , autolisosomas o citolisosomas ). Una vacuola de autofagia se forma por ayuno, cuando se necesita destruir orgánulos sobrantes o dañados o para destruir proteínas citosólicas (Lys-Phe-Glu-Arg-Gln) que no pueden ser ubiquitinadas.
La autofagia forma parte de la apoptosis y también participa en la crinofagia (degradación de gránulos de secreción) para evitar la exocitosis errónea.
Peroxisomas
Un peroxisoma es un compartimento rodeado de una membrana sencilla con función de detoxificación. No contiene ni ADN ni ribosomas, es un orgánulo citoplasmático sin genoma. Adquiere sus proteínas de la célula. Esta importación es dependiente de ATP y peroxinas (glicoproteínas). Se encuentra en células eucariotas y contiene enzimas oxidativas (oxidasas y catalasas).
La biogénesis del peroxisoma se produce de la siguiente manera: sus proteínas provienen del citosol y del RER (glucoproteínas transmembrana); los lípidos son sintetizados por sus enzimas y otros provienen de las vesículas del retículo (fosfatidilcolina y etanolamina). Una vez completa la carga de lípidos y proteínas, se fragmenta en varios peroxisomas. Existen dos vías de formación: de novo y por fisión. Es un proceso similar en levaduras, animales y vegetales.
El peroxisoma lleva a cabo las siguientes funciones:
- Reacciones oxidativas : utilizan el oxígeno para eliminar átomos de H de diferentes compuestos con formación de H2O 2 (peróxido de hidrógeno): RH 2 + O 2 – R + H (^) 2O La catalasa utiliza el H2O 2 generado por otras enzimas para oxidar diferentes sustratos (fenol, ácido fórmico, formaldehido…).
Los ribosomas son menores que los de la célula y menores que los de las bacterias (varían de 55S a 60S). Están constituidos por dos subunidades: 35S (ARNr 16S y 4S) y 25S (ARNr 12S). Tienen rasgos comunes con los procariotas: se inhiben con cloranfenicol. Sintetizan alguna proteína mitocondrial (proteínas de la membrana interna), pero la mayoría se importa del citoplasma: TOM y TIM23 son proteínas parecidas al translocón.
El ADN mitocondrial es un doble helicoide no unido a proteínas. No forma cromosomas, sino una única cadena circular (como en bacterias). Codifica para 22 ARNt (33 en el citoplasma), que aparean relajadamente (especificidad 2 primeras bases).
Funciones
La oxidación mitocondrial tiene una gran importancia fisiológica. Sin mitocondrias, las células dependerían de la glucolisis anaerobia, que aporta únicamente 2 moléculas de ATP por cada molécula de glucosa. En la mitocondria, el metabolismo de los azúcares y los ácidos grasos se completa hasta su oxidación total a CO 2 y H2O, lo que resulta en la obtención de 36 moléculas de ATP por cada molécula de glucosa.
- β-oxidación : un ácido graso con un número par de átomos de carbono entra en la matriz mitocondrial. Por cada ácido graso, por cada dos átomos obtenemos un poder reductor y acil-CoA, que entra en el ciclo de Krebs.
- Oxidación de azúcares ( ciclo de Krebs ): la glucosa se transforma durante la glicolisis anaerobia en piruvato, que entra en la mitocondria y sufre la acción de la piruvato deshidrogenasa, que produce acetil-CoA, que entra en el ciclo de Krebs, donde se oxida hasta obtener CO 2 y poder reductor (NADH+H+^ , FADH2), que es el que se emplea posteriormente para obtener energía en la cadena de transporte electrónico. Todo ese poder reductor permite una transferencia de electrones para la formación de ATP.
La cadena transportadora de electrones está situada en la membrana mitocondrial interna y consta de cuatro complejos proteicos: I , II , III y IV. Se denomina fosforilación oxidativa a la transferencia de electrones acoplada a la síntesis de ATP. La importancia de la transferencia radica en el hecho de que tres de estos complejos (I, III y IV), al transferir electrones, van a permitir que los H+^ pasen en contra de gradiente de la matriz mitocondrial al espacio perimitocondrial. Como la membrana interna es tan impermeable, estos protones sólo pueden pasar de vuelta a la matriz a través de las ATP-sintasa y de esta manera producen moléculas de ATP.
La teoría quimiosmótica de Mitchel es la que explica el proceso. La transferencia de electrones bombea H+^ al espacio perimitocondrial y se genera un gradiente químico (pH) y eléctrico. La energía obtenida en la oxidación se almacena en forma de gradiente. La ATP-sintasa utiliza el gradiente de H+^ para fosforilar el ADP. La fosforilación (para la síntesis de ATP) depende del gradiente de H+^.
La oligomicina actúa específicamente bloqueando el canal de protones en la fracción F (^0) de la ATP-sintasa. Mediante este mecanismo se inhibe la fosforilación oxidativa y, por tanto, la formación de ATP. Algo similar ocurre de manera natural en las mitocondrias de las células del tejido adiposo pardo. En la membrana interna de estas mitocondrias se encuentra la termogenina , que es una proteína de canal que permite el paso de H +^ a
favor de gradiente sin activar la ATP-sintasa. Estas células oxidan los ácidos grasos a más velocidad, produciendo calor y no ATP.
