Sistema de Endomembranas.

Una de las características distintivas de las células eucariotas respecto de las procariotas es su alto grado de compartimentalización. La presencia de un núcleo bien diferenciado, con una envoltura nuclear que confina el material genético al interior del núcleo, es sólo un aspecto de la separación espacial de funciones dentro de la organización celular. El citoplasma, a su vez, se encuentra recorrido en todas direcciones por un sistema de sacos y túbulos, cuyas paredes de membrana hacen de límite entre la matriz citoplasmática y la luz o cavidad del sistema. Este conjunto de estructuras membranosas, se conoce como sistema de endomembranas (SE)

Utilizando microscopio óptico y técnicas de tinción, se observó, a fines del siglo XIX, la presencia de una red extensa de membranas en el citoplasma. A mediados del siglo XX, con el uso del microscopio electrónico y de investigaciones bioquímicas, se evidenció que las células eucariontes se subdividen en diversos compartimientos. Cada uno de éstos contiene proteínas propias y está especializado en funciones específicas. El retículo endoplasmático, el complejo de Golgi, los lisosomas, y las vesículasde transporte forman, en conjunto, el sistema de endomembranas. Sus componentes individuales funcionan como parte de una unidad coordinada, que actúa en la elaboración de moléculas de la membrana, enzimas de los lisosomas y en la producción de proteínas que se utilizarán fuera de la célula, es decir, proteínas de secreción.

En las células vegetales la vacuola central también forma parte del sistema de endomembranas. Los compartimentos u organelos miembros del SE se pasan material de uno a otro o a través del uso de vesículas de transporte. Se incluyen dentro del SE diferentes tipos vesículas, que son pequeñas unidades de transporte rodeadas por una membrana producidas por gemación controlada, y que están implicados en la transferencia de material

Retículo endopasmático (RE).

Constituye más de la mitad del sistema de endomembranas y un 10% del volumen total celular. El RE forma una red de sacos interconectados que se extiende por todo el citoplasma. La membrana del RE delimita un espacio central o interno, el lumen, que establece comunicación con la envoltura nuclear y los sacos del aparato de Golgi.

En la cara citosólica, las membranas del RE pueden tener adheridos ribosomas; este hecho permite distinguir dos tipos estructurales y relacionados de RE que poseen funciones distintas, RETICULO ENDOPLASMICO LISO (REL) y RETICULO ENDOPLASMICO RUGOSO (RER).

Retículo endoplásmico rugoso (RER)

Retículo endoplásmico liso (REL)

Retículo rugoso (RER).

• Se caracteriza por llevar adheridos ribosomas en su cara externa.

• La unión de los ribosomas se realiza mediante dos glucoproteínas transmembranosas, riboforinas I y II, sólo presentes en las membranas del RER. (por eso NO EXISTE otro organelo con ribosomas adheridos, excepto en la continuidad con la membrana externa de la envoltura nuclear)

• El desarrollo del RER depende de la actividad celular, siendo más extenso en células en las que hay gran cantidad de síntesis proteica.

• Su distribución o localización depende de cada tipo celular.

Ribosoma formados por una subunidad mayor y menor. Contienen 40% DE PROTEINAS Y 60% DE RNA RIBOSOMAL

Las estructuras que forman el RER se encuentran dispuestas fundamentalmente en forma concéntrica a la envoltura nuclear, la envoltura nuclear es parte del RER

Las funciones del RER son:

• Síntesis y almacenamiento de proteínas:1. Un tipo de polipéptido se ensambla en los ribosomas unidos a la superficie externa (citosólica) de las membranas RER. Este tipo incluye: a) proteínas secretadas por la célula; b) proteínas integrales de membrana, y c) proteínas de ciertos organelos, incluyendo complejo de Golgi, lisosomas, endosomas y vacuolas de plantas.2. El otro tipo de proteínas se ensambla en ribosomas "libres" y posteriormente se libera en el citoplasma. Este tipo incluye: a) proteínas destinadas a permanecer en el citoplasma (como las enzimas glucolíticas o las proteínas del citoesqueleto); b) proteínas periféricas de la superficie interna de la membrana plasmática (como espectrinas y anquirinas, que sólo se unen débilmente a la superficie de la membrana), y c) proteínas que normalmente se encuentran en corpúsculos microscópicos, cloroplastos y mitocondrias. Este último grupo de proteínas se sintetizan en el citoplasma y luego se importan totalmente formadas (es decir, después de traducción) a través de la membrana al interior del organelo apropiado.

¿Cómo pueden identificar las células estos dos tipos de proteína y delimitar sus sitios de síntesis?

En 1971, Gunter Blobel y David Sabatini, de la Rockefeller University, propusieron que la síntesis de una proteína en un ribosoma rodeado de membrana o en un ribosoma libre depende de la información contenida en la porción N terminal del polipéptido, que es la primera parte que surge del ribosoma durante la síntesis de proteína. Sugirieron que las proteínas secretorias contienen una secuencia de señales especial en el N terminal que provoca la unión del ribosoma con una membrana del RE y el desplazamiento del polipéptido naciente al interior del espacio cisternal del RE. Esta hipótesis, conocida como hipótesis de la señal, ha sido apoyada por numerosas pruebas experimentales.

Según predijeron Blobel y Sabatini, los polipéptidos ensamblados en ribosomas enlazados a la membrana contienen una secuencia de señales, que incluye un tramo de 6 a 20 aminoácidos no polares, que orienta el polipéptido naciente hacia la membrana del RE y conduce a la compartamentalización del polipéptido en la luz del retículo endoplásmico. Conforme surge del ribosoma, la secuencia de señales será reconocida por una partícula para reconocimiento de señales (PRS), que consta de 6 polipéptidos distintos y una pequeña molécula de RNA denominada RNA 7SL. La PRS se enlaza a la secuencia de señales y detiene la síntesis del polipéptido, evitando que el N terminal sufra plegamiento anormal prematuro. El cese de la traducción después del enlace de la PRS da tiempo al complejo para encontrar una membrana RE a la cual pueda unirse, de otro modo el polipéptido podría ser sintetizado en el citoplasma. La PRS enlazada actúa como "etiqueta", que permite a todo el complejo (PRS-ribosoma-polipéptido naciente) enlazarse a un receptor de PRS localizado en la superficie citoplásmica de la membrana del retículo endoplásmico.

Se cree que la fijación del complejo ribosoma-PRS a la membrana del RE conduce a:- La liberación de la PRS de la secuencia de señales- Enlace de la secuencia de señales a un componente de la membrana del RE el cual prepara el polipéptido naciente para penetrar a la membrana.- Liberación de la PRS del receptor de la PRS dentro del citoplasma- Desplazamiento (translocación) del polipéptido naciente a través del canal revestido de proteína que atraviesa la membrana- Liberación del ribosoma enlazado a la membrana.

Conforme el polipéptido naciente penetra en la cisterna del RER, es conducido por diferentes enzimas localizadas en la membrana o en la luz del RER. El polipéptido naciente elimina la porción N terminal que contiene el péptido de señal mediante una enzima proteolítíca, la peptidasa de eñal. Una oligosacariltransferasa, otra proteína integral de membrana del RER añade carbohidratos a la proteína naciente.

•Glucosilación

La mayor parte de las proteínas sintetizadas en el REG incorporan cadenas glucídicas a su paso por el mismo. La adición de azúcares a la cadena creciente de oligosacárido es catalizada por un grupo de enzimas enlazadas a la membrana denominadas glucosiltransferasas, enzimas que transfieren un monosacárido específico procedente de un azúcar donador apropiado a un azúcar aceptor apropiado. La proteína glicosilada sale del REG en una vesícula de transporte que se dirige al Golgi, donde se completará el proceso de glicosilación y se direccionará el producto hacia la membrana, el exterior de la célula o el interior de los lisosomas.

Retículo endoplasmico liso (REL).

• Se caracteriza por NO estar asociado a ribosomas en la superficie externa• Está constituido por una serie de túbulos interconectados que se infiltran y extienden por todo el citoplasma.• Abunda en células que sintetizan hormonas esteroídales y en las células musculares (aquí recibe el nombre de retículo sarcoplásmico).

• El desarrollo del REL depende de la actividad celular, siendo más extenso en células en las que hay gran cantidad de síntesis lipídica.

Las funciones del REL son:

- Síntesis de lípidos

- Síntesis de esteroides (progesterona, estrógenos, testosterona, vitamina D) a partir del colesterol en células endocrinas de las gónadas y corteza suprarrenal.

- Procesos de detoxificación, a través de los cuales se eliminan sustancias tóxicas muy diversas, incluyendo, por ejemplo, el etanol.

-Liberación de glucosa a partir de la glucosa 6-fosfato en células hepáticas mediante la enzima glucosa 6-fosfatasa

- Almacenamiento de Ca++, lo que permite al REL intervenir en la contracción muscular, ya que la liberación de calcio posibilita la formación del complejo actina-miosina.

Síntesis de lípidos

En el REL se lleva a cabo la síntesis de la mayor parte de los lípidos celulares: triglicéridos, fosfoglicéridos, ceramidas y esteroides. En las membranas del REL se encuentran las enzimas que catalizan las actividades de síntesis (los precursores para la síntesis proviene del citosol) hacia el cual se orientan los sitios activos de las respectivas enzimas. Por lo tanto, los lípidos recién sintetizados son incorporados en la cara citosólica de la bicapa lipídica de la membrana Sin embargo, gracias a la participación de las enzimas específicas de intercambio de fosfolípidos conocidas como flipasas del retículo, que catalizan el intercambio flip-flop de los lípidos desde el lado citosólico al lado interno (o lumenal) de la bicapa lipídica., por los que se logra el movimiento hacia la monocapa luminal de los lípidos correspondientes, asegurándose de esta forma la asimetría entre ambas capas, que será mantenida de aquí en adelante.

Debido al movimiento de FLIP-FLAP de los fosfolipidos en la bicapa del REL.

Aparato de Golgi (AG).

Consta de una serie variable de cisternas membranosas apiladas con formas aplanadas llamadas dictiosomas.Está compuesto por varias cisternas apiladas en forma bastante regular. Cada una posee dos caras: una convexa, la cis o de formación (en general orientada hacia los retículos) y otra cóncava, la trans o de maduración (generalmente orientada hacia la membrana plasmática). El Golgi es el principal distribuidor de macromoléculas en la célula.

La cara cis recibe las vesículas, que llevan en su interior nuevas proteínas recién sintetizadas que son producidas a partir del RER, por lo que recibe también el nombre de cara de entrada. En la cara trans o de cara de salida, se produce la gemación de vesículas de transporte de diferentes tipos, que están llenas con proteínas que han sido procesadas y modificadas a medida que atravisan el Golgi, de donde pasan hacia el citoplasma. Del lado trans del aparato de Golgi, las vesículas son transportadas hacia los lisosomas y hacia el exterior de la célula a través de vías constitutivas y no constitutivas; en ambos métodos, participa la exocitosis. El transito vesicular en el aparato de Golgi, y entre otros compartimientos membranosos en la célula, es regulado por una combinación de mecanismos comunes junto con procesos especiales que determinan en que parte de la célula se ubicaran. Una característica prominente es la participación de un grupo de proteínas reguladoras controladas por la unión a ATP o GTP relacionadas con el ensamblaje y la liberación. Una segunda característica prominente es la presencia de proteínas denominadas SNARE (por el factor soluble de unión al receptor sensible a N-etilmaleimida).

Debemos explicar cómo una proteína sintetizada en el RE se secreta en una vesícula particular. Es importante que una célula tenga capacidad para distinguir entre los diferentes materiales que elabora. Se cree que esta especie de proceso de clasificación para separar proteínas marcadas hacia diferentes destinos en vesículas diferentes ocurre en los últimos compartimentos de Golgi, o sea, la red trans de Golgi.

¿Qué transportan las vesículas? Cada vesícula tiene un contenido (su naturaleza dependerá de cuál sea el compartimento dador); éste se desplaza de un compartimento a otro. Cuando se produce la fusión al compartimento receptor, el contenido de la vesícula se vuelca al lumen del mismo.

¿Qué mueve a las vesículas? En su trayecto son movidas por elementos del citoesqueleto.

¿Qué causa la brotación? Las vesículas que participan en el transporte son vesículas revestidas, es decir que llevan una cubierta formada por subunidades proteicas en su cara externa. A medida que las subunidades se ensamblan generan la curvatura de la membrana que da origen al brote. El revestimiento se desensambla inmediatamente después de la brotación; este paso es necesario, pues mientras las vesículas se hallan revestidas no pueden fusionarse con otra membrana.

¿Cómo reconocen las vesículas al compartimento receptor?Las membranas de las cisternas poseen pares de moléculas complementarias: v-SNARE (en la vesícula de transporte) y t-SNARE (en la cisterna destino o target). La fusión de una vesícula con una cisterna sólo se produce por previo reconocimiento del par v-SNARE /t-SNARE adecuado.

¿Cómo se mantiene constante la cantidad de membrana en cada compartimento?

Las membranas vesiculares incorporadas a un compartimento receptor forman un nuevo brote (causado por proteínas de revestimiento) y se desprenden para regresar al compartimento de origen, como vesículas de reciclaje. El compartimento de origen, obviamente, ha de poseer las mismas t-SNARE que la cisterna receptora. El reciclaje no sólo permite mantener constante la cantidad de membrana de los distintos sectores del sistema, también hace posible que cada uno de ellos conserve su identidad, recuperando las moléculas que le son propias y le otorgan sus funciones particulares.La secreción continua o constitutiva está presente en todos los tipos celulares. Las vesículas que siguen esta ruta se exocitan en forma continua, a medida que brotan del aparato de Golgi. Por ejemplo, se secretan por esta vía las moléculas que se incorporan a la matriz extracelular.

Los v-SNARE (por vesícula) sobre la membrana circular interactúan de manera similar a una “llave y su cerradura” con la t-SNARE (por la primera letra en ingles de “target” [[blanco]]. Las vesículas individuales también contienen proteínas o lípidos estructurales en su membrana, las cuales ayudan a dirigir los compartimientos membranosos específicos (p. ej., aparato de Golgi, membrana celular).

Las funciones del aparato de Golgi son:

1) Transporte de proteínas: Las cisternas del dictiosoma son diferentes, ya que cada una tiene sus propias enzimas, de modo que modifican a las proteínas procedentes del RER de forma específica, dependiendo de su destino final: los lisosomas, la membrana plasmática, gránulos de almacenamiento, vesículas de secreción externa, etc.

2) Glucosilación: Es la función definida con mayor claridad en todo el aparato. Aunque la mayoría de las proteínas son glucosiladas en el RER, es en el Golgi donde, a medida que pasan por las diferentes cisternas, sufren modificaciones en sus oligosacáridos, es decir, completan su glucosilación (o maduración de la glucosilación)

3) Reciclaje de membranas: Interviene en la reparación de membranas, ya que la fusión de algunas vesículas con éstas permite reponer fragmentos que han podido romperse o alterarse.

4) En las células vegetales: Interviene en la formación del tabique telofásico en la mitosis, y contribuye a la formación de la pared celular al sintetizar sus componentes.

Compartimentalización funcional del AG.

Fosforilación de oligosacaridos

Remoción de manosa

Adición de N acetil glucosamina

Adición de galactosa

Adición de N acetil neuroaminidasa (acido sialico)

(ocurren las O-glicosilaciones)

Adición de grupos azufre a tirosinas y carbohidratos

La secreción continua o constitutiva está presente en todos los tipos celulares. Las vesículas que siguen esta ruta se exocitan en forma continua, a medida que brotan del aparato de Golgi. Por ejemplo, se secretan por esta vía las moléculas que se incorporan a la matriz extracelular. La secreción regulada es propia de células secretoras especializadas. En estos casos, las vesículas se acumulan en el polo secretor de la célula, como gránulos de secreción, y la exocitosis se dispara sólo ante señales muy específicas.

EXOCITOSIS.

Para que un granulo secretorio descargue su contenido es necesario que la membrana del granulo y la membrana plasmática suprayacente entren en contacto y en seguida se fundan, generando así una abertura a través de la cual se puede liberar el contenido del granulo. Este proceso se desencadena cuando la concentración local de iones calcio aumenta. Cualquiera que sea el mecanismo de fusión de la membrana, cuando una vesícula citoplásmica se fusiona con la membrana plasmática, la superficie interna de la membrana vesicular entra a formar parte de la superficie externa de la membrana plasmática.

LISOSOMAS

El Golgi puede también elaborar lisosomas, en cuyo caso las proteínas contenidas en ellos son enzimas hidrolíticas (digestoras). El interior de los lisosomas tiene un pH ácido que facilita la digestión celular.Los lisosomas que salen del Golgi, con enzimas hidrolíticas en su interior, se denominan lisosomas Primarios. Cuando se fusionan con partículas endocitadas en endosomas, se transforman en lisosomas Secundarios.

LISOSOMAS

El Golgi puede también elaborar lisosomas, en cuyo caso las proteínas contenidas en ellos son enzimas hidrolíticas (digestoras). El interior de los lisosomas tiene un pH ácido que facilita la digestión celular.Los lisosomas que salen del Golgi, con enzimas hidrolíticas en su interior, se denominan lisosomas Primarios. Cuando se fusionan con partículas endocitadas en endosomas, se transforman en lisosomas Secundarios.

La función mejor estudiada de los lisosomas es el desdoblamiento de materiales que llegan a las células procedentes del ambiente extracelular. Muchos organismos unicelulares ingieren partículas nutrientes que son desensambladas en el lisosoma por las enzimas. Los nutrientes pasan al interior del citoplasma a través de la membrana lisosómica. En mamíferos, las células fagocitarias, como los macrófagos y los neutrófilos, funcionan como carroñeros que ingieren desperdicios o microorganismos potencialmeníe peligrosos. En general, estos materiales se inactivan al pH bajo del lisosoma y luego son digeridos por las enzimas. Se estima que un macrófago participa intensamente en la fagocitosis y puede contener más de mil lisosomas.

.

También desempeñan un papel clave en el recambio del organelo, o sea, la destrucción y sustitución de organelos. Durante este proceso, denominado autofagia, un organelo como la mitocondria, se rodea de una membrana donada por el retículo endoplásmico. A continuación, la membrana que rodea al organelose fusiona con un lisosoma formando una vacuola autofágica.

Existen diversas formas de lisosomas secundarios, según el origen de la vesícula que se fusiona con el lisosoma primario:

Fagolisosoma: se origina de la fusión del lisosoma primario con una vesícula procedente de la fagocitosis. Se encuentran, por ejemplo, en los glóbulos blancos, capaces de fagocitar partículas extrañas que luego son digeridas en estos cuerpos.

Endosoma tardío: surge al unirse los lisosomas primarios con materiales provenientes de los endosomas tempranos. Los endosomas tempranos contienen macromoléculas que ingresan por los mecanismos de endocitosis inespecífica y endocitosis mediada por receptor. Este último es utilizado por las células para incorporar, por ejemplo, las lipoproteínas de baja densidad o LDL.

 Vacuolas de células vegetalesMás de 90% del volumen de muchas células vegetales se encuentra ocupado por una sola vacuola llena de líquido. Sirven como almacén para muchos solutos de la célula y de macromoléculas, incluyendo iones, azúcares, aminoácidos, proteínas y polisacáridos. Las vacuolas también pueden almacenar algunos compuestos tóxicos.; puesto que las plantas carecen de sistemas de tipo excretorio, utilizan sus vacuolas como medio para eliminar. las células vegetales conservan una presión de líquido elevada (turgencia) que empuja la pared celular hacia afuera y conserva la forma de la célula.La presión por turgencia es generada por la elevada presión osmótica de la vacuola. Debido a la elevada concentración iónica, el agua penetra a la vacuola por osmosis. La presión ejercida por turgencia en la vacuola suministra apoyo mecánico a los tejidos blandos de una planta, proporciona la fuerza necesaria para estirar la pared celular y permite que las células vegetales aumenten de volumen.