C u r s o: Biología Mención Módulo 5
Unidad I: Organización, Estructura y Actividad celular . Límite celular: Membranas e intercambio.
Microfotografía obtenida en un microscopio electrónico de transmisión (MET) que muestra las membranas plasmáticas de dos células vecinas.
Introducción. La célula se considera como la unidad estructural y funcional de los seres vivos; ello significa que debe tener la capacidad de conseguir materia y energía para reparar, mantener, y construir cada parte de ella, y además, producir copias de sí misma para perdurar en el tiempo (reproducirse); esto implica que cada ser vivo debe ser una célula (organismo unicelular) o debe estar formado por células (organismo pluricelular). Toda célula para poder cumplir con estas tareas debe tener al menos: 1. Límite que determine un medio interno y asegure el perfecto funcionamiento celular. Este límite, tiene permeabilidad selectiva, es decir selecciona lo que entra o lo que sale de la célula, para ello tiene una estructuración relativamente compleja basada en la presencia de fosfolípidos, carbohidratos y proteínas. 2. Citoplasma, que en células más especializadas y eficientes esta compartimentalizado, es decir, que además de contener en su interior agua, minerales y algunos compuestos orgánicos, posee pequeñas estructuras llamadas organelos que cumplen variadas funciones, entre ellos: mitocondria, retículo endoplasmático liso (REL), retículo endoplasmático rugoso (RER), aparato de Golgi, lisosoma, vacuola, etc. 3. Material genético, que en las células eucariotas está encerrado en un compartimiento llamado núcleo. Contiene el DNA que participa tanto en la transmisión de la información genética a la próxima generación, como en el control metabólico de la célula. Cuando la célula realiza actividad metabólica, mediante la actividad de distintas enzimas, indirectamente son los genes en acción. 1. Pared Celular. La pared celular se encuentra formando parte del límite celular en organismos que pertenecen a diferentes reinos, como por ejemplo: Móneras, Protistas, Fungi y Planta. Su composición varía en las distintas especies, en los distintos tejidos de una misma especie y entre células. La pared otorga: resistencia, protección y a cada célula su forma típica (Tabla 1). Características Presencia
Móneras Sí la mayoría. No presentan pared: Micoplasmas y actinomicetos.
Protistas Protofitas (algas) algunos protozoarios.
Fungi
Constituyentes principales
Peptidoglucano (mureína). Las bacterias Gram– contienen en la parte externa de la pared una capa de lipopolisacáridos.
Gran diversidad. Muchas algas contienen celulosa y otros polisacáridos. En las algas coralinas está reforzada por carbonato de calcio. En las diatomeas está compuesta por sílice, proteínas y polisacáridos. Protozoarios:sílice, carbonato de calcio. Semejante pared primaria de plantas.
y
Sí
Planta Sí. Pared primaria presente en todas las células. Pared secundaria sólo en algunas (tejidos
muertos).
Grosor
Relativamente delgada, 10 a 20 nm. Difíciles de observar al microscopio óptico.
Quitina y otros polisacáridos. En algunos existe celulosa.
Grosor variable.
Pared primaria: Celulosa (30 %), hemicelulosa y pectinas (60 %), proteínas (10 %). Pared Secundaria: Celulosa (50 %), hemicelulosa (25 %) y entre lignina, suberina y cutina (25 %). Pared primaria: delgada, de 1 a 3 µm. Permite el crecimiento celular (Plasticidad). Pared secundaria: Gruesa, de 4 µm o más.
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Tinción
Hidrólisis Permeabilidad
Gram (Cristal violeta-yodo y safranina). Se utiliza como criterio taxonómico. Lisozima Permeable a moléculas pequeñas. En las bacterias Gram existen porinas que facilitan el transporte.
Azul de metileno, tiñe paredes celulósicas. Test de floroglucina tiñe de rojo paredes lignificadas. Celulasa
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Permeable a moléculas pequeñas.
Alta porosidad, permite paso de agua y solutos disueltos.
Celulasa Alta porosidad, permite paso de agua y solutos disueltos. Presencia de plasmodesmos (poros de 40 nm de diámetro), que comunican los citoplasmas de un tejido (simplasto).
2. Membrana plasmática. La membrana plasmática rodea a la célula, definiendo su extensión y manteniendo las diferencias esenciales entre el contenido de la célula y su entorno. Los gradientes iónicos que se establecen a través de las membranas, generados por la actividad de proteínas de membrana especializadas, pueden ser usados para sintetizar ATP, dirigir el movimiento transmembranoso de solutos seleccionados o, en células nerviosas y musculares, para producir y transmitir señales eléctricas. En todas las células, la membrana plasmática contiene también proteínas que actúan como sensores de señales externas, permitiendo que la célula cambie en respuesta a indicaciones ambientales; estas proteínas sensoras, o receptores, transfieren información a través de la membrana. Aunque realicen diferentes funciones, todas la membranas biológicas tienen una estructura básica común: una finísima capa de moléculas lipídicas y proteicas, que se mantienen unidas fundamentalmente por interacciones no covalentes. Las membranas celulares son estructuras dinámicas, fluidas y la mayoría de sus moléculas son capaces de desplazarse en el plano de la membrana. Las moléculas lipídicas están dispuestas en forma de una doble capa continua de unos 5 nm de grosor. El modelo actual de membrana aceptado ampliamente es el de mosaico fluido, propuesto por S. J. Singer y G. L. Nicolson (1972, Figura 1).
Figura 1. Dibujo que muestra en tres dimensiones la membrana celular animal.
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2.1. Lípidos. • Fosfolípidos Moléculas formadas por dos cadenas de ácidos grasos, enlazadas a dos de los tres carbonos del alcohol glicerol. Estas cadenas determinan la porción hidrofóbica (repelente al agua) no polar del fosfolípido. Unido al tercer carbono del diglicérido, existe un grupo fosfato, con carga negativa y unida a él, un grupo orgánico hidrofílico polar que contiene nitrógeno (Figura 2).
Figura 2. Las zonas de una molécula de fosfolípido. La fosfatidilcolina, representada como fórmula química (a), como modelo espacial compacto (b) y en forma de símbolo (c).
•
Colesterol. Se encuentra presente en células animales, tiene por función proporcionar estabilidad mecánica adicional a la membrana y además prevenir el congelamiento celular (Figura 3).
Figura 3. Moléculas de colesterol intercaladas entre las cadenas hidrofóbicas de los fosfolípidos de membrana.
La fluidez de las membranas celulares es biológicamente importante. Algunos procesos de transporte y algunas actividades enzimáticas, por ejemplo, pueden detenerse cuando la viscosidad de la bicapa se incrementa experimentalmente más allá de un nivel umbral. La fluidez de una bicapa lipídica depende tanto de su composición como de la temperatura, como ha sido demostrado por estudios en bicapas sintéticas. Una menor longitud de la cadena reduce la tendencia de las colas hidrocarbonadas a interaccionar entre sí, y los dobles enlaces cis producen pliegues en las cadenas hidrocarbonadas que dificultan su empaquetamiento, de forma que las membranas permanecen fluidas a temperaturas más bajas. Bacterias, levaduras y otros organismos cuyas temperaturas varían con la de su entorno, controlan la composición de los ácidos grasos de sus lípidos de membrana para mantener una fluidez relativamente constante; en caso de que la temperatura disminuya, se sintetizan ácidos grasos con más dobles enlaces cis, de manera que evitan una pérdida de fluidez de la bicapa por efecto de la disminución de la temperatura. 4
2.2. Proteínas. Aunque la estructura básica de las membranas biológicas está determinada por la bicapa lipídica, la mayoría de sus funciones específicas están desempeñadas por las proteínas. Por consiguiente, la cantidad y el tipo de proteínas de una membrana son muy variables. Cumplen variadas funciones tales como: transportadoras, enzimas, receptores, estructurales, fijadoras del citoesqueleto, formar parte de la matriz extracelular, etc. (Figura 4). En la mitocondria existe una molécula proteica por cada 15 moléculas de fosfolípidos. En la neurona la relación es: 1 proteína por cada 70 fosfolípidos. Transportadoras
Unión
Receptoras
Enzimas
Espacio extracelular
Citoplasma
Figura 4. Proteínas de membrana y sus funciones.
De acuerdo a su ubicación, se pueden clasificar en dos tipos: las que atraviesan la bicapa de lado a lado, proteínas intrínsecas o integrales y las ubicadas en la superficie, proteínas extrínsecas o periféricas (ver figura 1). 2.3. Carbohidratos. Representados principalmente por oligosacáridos, los que por su carácter polar están limitados solamente a la superficie externa y normalmente asociados con lípidos (constituyendo los glicolípidos) o proteínas (formando las glicoproteínas), las que en conjunto constituyen el glucocálix, estructura que participa del reconocimiento celular en células animales (Figura 5).
Filamentos de oligosacáridos
Eritrocito
Figura 5. Fotografía tomada con un MET, que muestra la superficie externa de un eritrocito y la gran cantidad de oligosacáridos unidos a la membrana constituyendo el glucocálix.
2.4. Funciones de la membrana plasmática. Sus funciones se pueden resumir en: 1. Constituir el límite fundamental de toda célula. 5
2. Regular los movimientos de sustancias desde y hacia la célula, manteniendo la concentración intracelular de moléculas en los niveles adecuados para que se realicen los procesos celulares básicos. 3. Conducir potenciales de acción electroquímicos (en células excitables, por ejemplo neurona). 4. Participar en interacciones directas con la membrana plasmática de células vecinas, formando uniones intercelulares. 5. Mantener estable la forma celular con la ayuda de la interacción con elementos del citoesqueleto y de la matriz extracelular. 6. Transducir señales hormonales y nerviosas. 3. Permeabilidad celular. Con tiempo suficiente, prácticamente cualquier molécula acabará difundiendo a través de una bicapa lipídica libre de proteína a favor de su gradiente de concentración. Sin embargo, la velocidad a la que se produce esta difusión varia enormemente, dependiendo en parte del tamaño de la molécula y, principalmente, de su solubilidad relativa en lípidos. En general, cuanto menor es la molécula y cuanto más soluble en lípidos (es decir, cuanto más hidrofóbica o no polar es) más rápidamente difunde a través de una bicapa. Las moléculas pequeñas no polares tales como el O2 (32 daltons) y el CO2 (44 daltons), se disuelven fácilmente en las bicapas lipídicas y por lo tanto difunden con rapidez a través de ellas. Las moléculas polares no cargadas también difunden rápidamente a través de una bicapa si su tamaño es suficientemente reducido. Por ejemplo: el agua (18 daltons); el etanol (46 daltons) y la urea (60 daltons) atraviesan rápidamente una bicapa, el glicerol (92 daltons) lo hace con menor rapidez, y la glucosa (180 daltons) prácticamente no la atraviesa. Por el contrario, las bicapas lipídicas son altamente impermeables a todas las moléculas cargadas (iones), por muy pequeñas que sean. La carga y el elevado grado de hidratación de tales moléculas les impiden penetrar en la fase hidrocarbonada de la bicapa. Así, las bicapas sintéticas son 109 veces más permeables al agua que a los iones, incluso a los de reducido tamaño como el Na+ o el K+ (Figura 6).
O2 CO2 N2 Benceno
MOLÉCULAS HIDROFÓBICAS MOLÉCULAS PEQUEÑAS POLARES NO CARGADAS MOLÉCULAS GRANDES POLARES NO CARGADAS
H2O Urea
Glicerol
Glucosa Sacarosa
Figura 6. Permeabilidad relativa de una bicapa lipídica sintética a diferentes tipos de moléculas.
H K Na+ Ca++ HCO3ClMg++ +
IONES
Difusión simple
+
Bicapa lipídica artificial 4. TIPOS DE TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA PLASMÁTICA.
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Pasivos
Osmosis Difusión
TRANSPORTE
Simple Facilitada
Transporte activo primario
Sin cambios estructurales
Transporte activo secundario
Activos Fagocitosis Endocitosis Con cambios estructurales Exocitosis
Pinocitosis Secreción Excreción
4.1. Transportes Pasivos. A) Osmosis: Es el paso de agua a través de una membrana selectivamente permeable o semipermeable (permite sólo el paso de agua) que separa dos soluciones de distinta osmolaridad (Figura 7). La osmolaridad de una solución es su capacidad de captar y retener agua, lo que implica que depende de la cantidad de partículas que se encuentran en solución y de la naturaleza química de ellas. La osmosis se realiza desde una solución de menor osmolaridad (baja concentración de solutos) hacia la de mayor osmolaridad o desde una solución más diluida a la más concentrada. Presión ejercida por el pistón
A
Agua con soluto
B
Agua pura Membrana selectivamente permeable
Molécula de soluto
Molécula de agua
Figura 7. Demostración de la osmosis mediante un tubo en U. El tubo en U contiene agua pura en la parte derecha (B) y agua con soluto en la parte izquierda (A), separadas por una membrana semipermeable que permite el paso de agua, pero no de solutos. Las flechas indican que las moléculas de agua pueden pasar en ambos sentidos, pero producto de la diferencia de osmolaridad resultante se espera que el nivel de agua aumente en el lado izquierdo y disminuya en el lado derecho. La fuerza que debe ejercer el pistón para impedir el movimiento de agua es igual a la presión osmótica de la solución.
Tonicidad: Es la presión osmótica de una solución respecto a la del plasma o de un medio externo con respecto a la célula. Existen tres tipos de medio a los cuales podemos exponer experimentalmente a la célula: 7
Hipotónico: intracelular.
Es
aquella
Hipertónica: Corresponde a un medio de mayor osmolaridad que el medio intracelular.
Isotónica: Es aquella solución de igual osmolaridad que el medio intracelular.
Solución hipotónica
10% de sal
20% de sal
solución
de
menor
osmolaridad
Solución isotónica
El agua se mueve al interior de la célula
10% de sal
que
medio
Solución hipertónica
20% de sal
El agua se mueve en ambas direcciones
El agua se mueve hacia fuera de la célula
10% de sal
10% de sal
Molécula de agua
Molécula de agua
el
Molécula de agua
Figura 8. Movimiento de agua en células sometidas a soluciones de diferentes presiones osmóticas.
Si analizamos el movimiento de agua por ósmosis entre dos soluciones de concentración podríamos decir que ésta se realiza: Concentración de Concentración soluto en la soluto en solución A solución B
Mayor
Menor
Menor
Mayor
Igual
Igual
de la
Tonicidad
A hipertónica respecto de B B hipotónica respecto de A B hipertónica respecto de A A hipotónica respecto de B A y B son isotónicas entre si
distinta
Dirección del movimiento neto de agua
De B hacia A De A hacia B No hay movimiento neto
Una célula colocada en una solución hipertónica, pierde agua por ósmosis, ésta se “arruga” debido a la deshidratación, sufriendo un fenómeno llamado crenación (por ejemplo un glóbulo rojo en una solución salina al 1,3 %). Si es una célula provista de pared celular, la que se sumerge en una solución hipertónica, su contenido se contrae y la membrana se separa de la pared, en un fenómeno conocido como plasmólisis. 8
Al poner células en un medio hipotónico, la célula aumenta su volumen hinchándose, un glóbulo rojo en una solución salina al 0,6 % puede aumentar su volumen hasta reventarse, en un proceso denominado citólisis. La pared celular relativamente rígida de células vegetales, algas, bacterias y hongos les permite soportar concentraciones bajas de soluto en el medio hipotónico que las rodea. Estas células se hinchan generándose una presión interna llamada turgencia.
B) Difusión: Este fenómeno consiste en el movimiento de partículas a favor de un gradiente de concentración, es decir, el desplazamiento de la sustancia se produce desde una región de mayor concentración a una de menor concentración. En este proceso no existe consumo de energía, porque se trata de un simple fenómeno físico (Figura 9).
Figura 9. Movimiento de las partículas de una gota de colorante en un vaso de agua; este movimiento de difusión se ha favorecido por la diferencia de concentración y la energía cinética de las moléculas entre otros factores.
En la difusión simple, las sustancias solubles en lípidos (ver figura 6), atraviesan con facilidad la bicapa lipídica, moviéndose de un lugar de mayor concentración a uno de menor concentración, es decir, a favor de un gradiente de concentración, como por ejemplo los lípidos digeridos desde el lumen intestinal al interior de un eritrocito. Otras moléculas que se incorporan a la célula por difusión simple son: oxigeno, ácidos grasos, vitaminas liposolubles, glicerol, etanol y hormonas esteroidales (ver figura 6). C) Difusión facilitada mediada por proteínas intrínsecas de la membrana.
Difusión a través de proteínas canal: son proteínas intrínsecas que atraviesan la membrana y permiten el paso con mayor facilidad de agua y algunos iones como Na +, Ca2+, y K+. Algunos canales permanecen abiertos en forma permanente (no se saturan) y otros presentan compuertas que se abren cuando una molécula mensajera se une a un receptor de membrana e induce un cambio conformacional del canal, lo que se traduce en una apertura de éste, o un cambio en el potencial eléctrico de la membrana, también puede permitir la apertura del canal (canales dependientes de voltaje).
Difusión facilitada: la permeabilidad de la membrana celular a moléculas polares como la glucosa y aminoácidos no se produce a través de la bicapa lipídica, ya que ésta es completamente impermeable a estas sustancias que se encuentran hidratadas cuando se acercan a ella. Para explicar el transporte de estas sustancias se ha postulado un mecanismo que implica una asociación reversible de las moléculas transportadas con las proteínas integrales de la membrana plasmática, que reciben el nombre de “transportadores pasivos”, los que son altamente específicos y saturables. El transporte se realiza a favor de un gradiente de concentración (químico, físico o eléctrico, Figura 10).
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Figura 10. Difusión facilitada. La unión de un sustrato provoca un cambio conformacional que abre el canal. El transporte se realiza a favor de su gradiente de concentración ( transporte pasivo).
4.2.
TRANSPORTES ACTIVOS.
Las características de este tipo de transporte son:
Se realiza en contra de un gradiente de concentración químico y/o potencial eléctrico. Requiere de energía química (ATP). Depende de la presencia y actividad de proteínas de membrana. Es específico. Es saturable.
A) Transporte activo sin cambios estructurales. El sistema más conocido de transporte activo primario es la bomba sodio-potasio ATPasa (Na+- K+ ATPasa). Las células animales mantienen concentraciones de Na + y K+ intracelulares que difieren mucho de las extracelulares. Catión Na+ K+
Medio intracelular 10 mmol/L 140 mmol/L
Medio extracelular 150 mmol/L 4 mmol/L
La responsabilidad de mantener esta diferencia de concentraciones es de la bomba Na+- K+ ATPasa, bombeando K hacia dentro y Na hacia fuera de la célula. Básicamente funciona como se muestra en la figura 11.
Figura 11. Esquema de la bomba sodio-potasio.
1. El ATP fosforila la bomba que se encuentra unida al sodio (3 iones). 2. La unión del grupo fosforilo hace disminuir la afinidad por el sodio, el que es vertido al medio extracelular y aumenta la afinidad por el potasio. 10
3. Iones potasio (2 iones) del medio extracelular se unen a la proteína. 4. La hidrólisis del enlace fosforilo-proteína permite que la proteína retorne a su configuración inicial y adquiera alta afinidad por sodio y baje la afinidad por potasio. Este último se vierte al citoplasma. 5. Tres iones sodio se unen a la proteína y se reanuda el ciclo. Para el transporte activo secundario se requiere un gradiente de sodio. Junto al sodio pueden ser transportados litio, potasio o calcio. Resumen de los tipos de transporte vistos hasta el momento.
Figura 12. Comparación entre un transporte pasivo a favor de un gradiente electroquímico y un transporte activo en contra de un gradiente electroquímico. Mientras que la difusión simple y el transporte pasivo mediados por proteínas de transporte (difusión facilitada) ocurren espontáneamente, el transporte activo requiere de una entrada de energía metabólica.
B) TRANSPORTE ACTIVO CON CAMBIOS ESTRUCTURALES Hasta ahora nos hemos centrado en cómo el agua y los solutos pequeños entran y salen de las células moviéndose a través de la membrana plasmática. La historia es diferente para las moléculas grandes, como las proteínas. La célula se vale de 2 procesos para exportar o importar materiales voluminosos: •
EXOCITOSIS: Las sustancias son “descargadas” hacia fuera de la célula. Los materiales exportados pueden ser proteínas, hormonas, o moléculas complejas como glicoproteínas sintetizadas por la célula (secreción) o simplemente desechos a eliminar (Excreción, figura 13).
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Figura 13. Durante la exocitosis, la célula elimina material de desecho o secreciones, mediante la fusión de una vesícula con la membrana plasmática.
•
ENDOCITOSIS: Mecanismo por el cual pequeñas porciones de la membrana se invaginan para englobar (rodeando) macromoléculas (proteínas, polinucleótidos, polisacáridos), virus e incluso bacterias con el objetivo de incorporarlos al interior del citoplasma (Figura 14). Este tipo de transporte requiere de energía en forma de ATP y la célula no debe tener pared celular. Dependiendo del material incorporado se reconocen tres tipos:
Fagocitosis: La célula engloba sustancias sólidas por medio de extensiones del citoplasma, llamadas pseudópodos, con las que formará una vacuola. La vacuola se fusiona posteriormente con un lisosoma y se digiere el contenido. Este mecanismo es utilizado por algunos protistas y los glóbulos blancos en los seres humanos. Pinocitosis: Si los materiales endocitados son del tipo solución o sustancias muy pequeñas o simplemente líquidos. La pinocitosis no es específica, ya que incorpora cualquier soluto disuelto en las gotas de líquido. Endocitosis
Figura 14. Esquema que representa la endocitosis, la membrana plasmática rodea en este caso, a una partícula sólida.
Endocitosis mediada por receptor: Contrariamente a la pinocitosis, este proceso es altamente específico. La membrana celular se invagina para formar una cavidad, la cual está tapizada por proteínas receptoras a las que se han adherido moléculas específicas de los alrededores (Figura 15).
Figura 15. Endocitosis mediada por receptor.
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En la mayoría de nosotros, las células del hígado remueven el exceso de colesterol de la sangre a través de la endocitosis mediada por receptores. En consecuencia, tenemos sólo pequeñas cantidades de esta sustancia en la sangre. El colesterol circula principalmente en partículas llamadas lipoproteínas de baja densidad (LDL). Una de las proteínas del LDL se une a un tipo específico de proteína receptora de la membrana plasmática de las células del hígado, para incorporarlos y eliminarlos del organismo. En todo el mundo alrededor de uno de cada 500 bebés, hereda una enfermedad llamada hipercolesterolemia, que se caracteriza por un nivel excesivamente elevado de colesterol en la sangre, producto que no hay receptores de LDL funcionando. Los individuos con una hipercolesterolemia severa pueden morir de enfermedades del corazón durante la infancia temprana.
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