1. Sistemas Internos de Membrana

1.1 El Retículo Endoplasmático

El retículo endoplasmático (RE) es un sistema de membrana que se extiende por todo el citoplasma, desde el núcleo (la membrana del retículo es continua con la membrana externa de la envuelta nuclear) hasta la periferia celular, en forma de una red de sáculos aplanados y de túbulos ramificados interconectados entre sí. Delimita un espacio cerrado y continuo con el espacio perinuclear rodeado por la envuelta nuclear.

Tipos de Retículo Endoplasmático

Las células eucariotas tienen dos tipos de retículo endoplasmático que realizan funciones diferentes:

• El retículo endoplasmático liso (REL) constituido por una red de túbulos lisos sin ribosomas.
• El retículo endoplasmático rugoso (RER) formado por sáculos aplanados con gran número de ribosomas adosados en la cara citosólica de su membrana.

Funciones del Retículo Endoplasmático Liso

El retículo endoplasmático liso interviene en una amplia variedad de procesos. Sus funciones más conocidas son las siguientes:

• Síntesis de lípidos y derivados lipídicos. En la membrana del retículo endoplasmático liso de todas las células se sintetizan los fosfolípidos y el colesterol, que son los dos elementos constitutivos principales de las membranas celulares. Además, en ciertos tipos celulares, el REL es el orgánulo donde se sintetizan los derivados lipídicos como las hormonas esteroideas.
• Muchas sustancias tóxicas liposolubles (medicamentos, etanol, insecticidas, herbicidas, conservantes, desechos industriales, etc.), así como muchos de los productos tóxicos liposolubles del metabolismo se degradan en el REL, principalmente en las células del hígado, pero también del intestino, los riñones, la piel y los pulmones. Las enzimas destoxificantes de la membrana del REL convierten estas sustancias tóxicas insolubles en sustancias hidrosolubles, que pueden salir de la célula y ser excretadas con la orina.
• Regulación de los niveles intracelulares de Ca²⁺. La membrana del REL posee bombas de Ca²⁺ dependientes de ATP, que le permiten captar Ca²⁺ desde el citosol, y canales de Ca²⁺ que le permiten liberarlo en respuesta a diversos estímulos. Los niveles intracelulares de Ca²⁺ regulan procesos como la secreción, la proliferación celular y la contracción muscular.

Funciones del Retículo Endoplasmático Rugoso

En el retículo endoplasmático rugoso tiene lugar la síntesis de las proteínas que van a ser secretadas por las células, o que van a formar parte de la mayor parte de los orgánulos celulares (del propio retículo, del aparato de Golgi, de los lisosomas y de la membrana plasmática), el inicio de su glucosilación (adición de los primeros azúcares) y finalmente, su plegamiento. Estos procesos transcurren en la luz del retículo simultáneamente.

1.2 El Aparato de Golgi

El aparato de Golgi (AG) está constituido por un número variable de apilamientos de cinco a ocho sáculos aplanados con los extremos dilatados, conectados entre sí, y localizados cerca del núcleo, denominados dictiosomas. Asociadas a los extremos dilatados de los sáculos hay gran número de vesículas de diversos tamaños.

Cada uno de los apilamientos del aparato de Golgi tiene tres regiones funcionales distintas: el sáculo más próximo al núcleo se denomina cara cis o cara de formación; los sáculos de la parte central, forman la cara media y el sáculo más cercano a la membrana plasmática es la cara trans o cara de maduración. La cara cis es convexa (vista desde la membrana plasmática) y la cara trans es cóncava.

Las proteínas y los lípidos sintetizados en el RE salen en vesículas de transporte que se fusionan con la cara cis. Posteriormente, pasan a la cara media, donde tienen lugar la mayor parte de las actividades metabólicas del aparato de Golgi, y finalmente llegan a la cara trans. Desde aquí, las proteínas y los lípidos salen en vesículas de transporte hacia su destino final, que pueden ser los lisosomas, la membrana plasmática o el exterior celular.

Funciones del Aparato de Golgi

El aparato de Golgi interviene en las siguientes funciones:

• Finaliza la glucosilación de las proteínas iniciada en el RER. El proceso de glucosilación tiene lugar secuencialmente, ya que las enzimas responsables se localizan en la cara cis, media o trans.
• Síntesis de glucolípidos y esfingomielina. Estos lípidos son característicos de la membrana plasmática de las células.
• En las células vegetales el aparato de Golgi tiene la función añadida de sintetizar los polisacáridos complejos de la pared celular. Como veremos más adelante, la celulosa es sintetizada en la superficie celular por enzimas de la membrana plasmática. Sin embargo, los otros polisacáridos de la pared (hemicelulosas y pectina) se sintetizan en el aparato de Golgi y son, posteriormente, transportados en vesículas a la superficie celular.
• Dirigir la distribución y la exportación de las proteínas. Todas las proteínas que pasan por el aparato de Golgi, excepto las proteínas del propio orgánulo, que quedan retenidas en las cisternas correspondientes, llegan a la cara trans. En esta región del aparato de Golgi, las proteínas son clasificadas y agrupadas según su destino final. Finalmente, se distribuyen en diferentes tipos de vesículas de transporte, que salen por gemación desde la cara trans y llevan su contenido hasta la localización celular adecuada que, como ya hemos dicho anteriormente, pueden ser los lisosomas, la membrana plasmática o el exterior de la célula.

1.3 Los Lisosomas

Los lisosomas son vesículas membranosas procedentes del aparato de Golgi que contienen un conjunto de enzimas hidrolíticas que se utilizan para la digestión intracelular de todo tipo de moléculas biológicas, incluyendo proteínas, ácidos nucleicos, lípidos y carbohidratos. Se clasifican en:

• Lisosomas primarios. Son los lisosomas que acaban de surgir por gemación de la cara trans del AG, contienen solo enzimas hidrolíticas porque todavía no han participado en procesos digestivos. Con el microscopio electrónico se ven como vesículas esféricas de pequeño tamaño (0,5 µm de diámetro) y de contenido homogéneo y electrodenso.
• Lisosomas secundarios. Se forman cuando los lisosomas primarios se fusionan con vesículas que contienen los materiales a digerir, que pueden proceder del exterior o de la propia célula. Son de mayor tamaño y de contenido heterogéneo.
• Cuerpos residuales. Son lisosomas secundarios que han finalizado el proceso digestivo y que mantienen en su interior residuos no digeribles. Son de tamaño variable y contenido muy heterogéneo.

Los lisosomas pueden considerarse como el sistema digestivo de la célula, ya que en ellos tiene lugar la digestión intracelular tanto de los materiales captados del exterior celular (heterofagia), como de los componentes obsoletos de la propia célula (autofagia).

1.4 Los Peroxisomas

Son pequeñas vesículas membranosas (0,2-1 µm de diámetro), que contienen enzimas denominadas oxidasas, que utilizan el oxígeno molecular para oxidar diversos sustratos orgánicos produciendo peróxido de hidrógeno.

El peróxido de hidrógeno (H₂O₂) es un reactivo químico que resultaría muy tóxico para las células si quedara libre en el citosol, por lo que es degradado inmediatamente en el mismo orgánulo mediante la acción de otra enzima de los peroxisomas llamada catalasa. Esta enzima utiliza el H₂O₂ para oxidar, a su vez, diversas sustancias (etanol, metanol, fenol, etc.).

Otras funciones importantes de los peroxisomas son:

• La síntesis de ciertos fosfolípidos, como los plasmalógenos, especialmente abundantes en el cerebro y el corazón.
• La β-oxidación de los ácidos grasos. En las células de mamíferos, este proceso también tiene lugar en las mitocondrias.

1.5 Las Mitocondrias

Las mitocondrias son los orgánulos característicos de las células eucariotas aerobias en los que tienen lugar las reacciones específicas de la respiración celular.

Las mitocondrias presentan dos membranas:

• La membrana externa presenta porinas, unas proteínas que forman canales por los que pueden pasar moléculas de bajo peso molecular (hasta 5000 daltons). Tiene además enzimas que intervienen en distintos procesos metabólicos.
• La membrana interna presenta unos repliegues, las crestas mitocondriales, que aumentan mucho su superficie y que pueden tener diversas formas: laminar, tubular o prismática. Tiene un contenido en proteínas mayor que cualquier otra membrana de la célula y su bicapa lipídica presenta una alta concentración de cardiolipina, un fosfolípido doble que la hace impermeable al paso de partículas con carga. En su cara interna presenta unas partículas de 10 nm de diámetro que se proyectan hacia la matriz y corresponden a las partículas F₁ de los complejos ATP sintasa, cuya fracción F_o está inmersa en la membrana interna.

Las dos membranas de la mitocondria delimitan dos compartimientos: un espacio interno, ocupado por la matriz, y un espacio intermembranoso, situado entre las dos membranas.

El espacio intermembranoso tiene una composición muy semejante a la del citosol debido a la gran permeabilidad que tiene la membrana externa.

En la matriz está el genoma mitocondrial, formado por múltiples copias de una doble hélice cerrada de ADN, que contiene la información necesaria para la síntesis de algunas de las proteínas mitocondriales. Hay además ribosomas semejantes a los de las bacterias, distintos tipos de ARN y una alta concentración de proteínas, entre las que destacan las enzimas responsables de las reacciones centrales del metabolismo oxidativo.

Fisiología de la Mitocondria: Oxidaciones Mitocondriales

La mitocondria es un orgánulo convertidor de energía. En ella se desarrollan las complejas reacciones de oxidación que constituyen la respiración aerobia, un proceso que consume oxígeno molecular (O₂) y que produce dióxido de carbono (CO₂). En este importante proceso metabólico la energía presente en las biomoléculas es utilizada para obtener ATP para otros procesos metabólicos.

Estas reacciones se desarrollan en diferentes zonas de la mitocondria:

• Matriz. En ella se encuentra una multitud de enzimas que catalizan distintos procesos entre los que destacan:
  • Las reacciones de oxidación de distintas moléculas (ácido pirúvico, ácidos grasos y aminoácidos) para formar ácido acético.
  • El ciclo de Krebs, que es un conjunto de reacciones en las que se oxida el ácido acético (en forma de acetil CoA) procedente de todas las oxidaciones anteriores para formar CO₂.
• Membrana interna. Las proteínas de esta membrana llevan a cabo los procesos que utilizan la energía liberada en las reacciones de oxidación para sintetizar ATP.
  • La cadena respiratoria está formada por varios complejos enzimáticos cuyas coenzimas recogen los electrones procedentes de la oxidación del ácido acético y los transportan hasta su aceptor final, que es el oxígeno molecular (O₂). Este transporte de electrones libera energía que sirve para generar un flujo de protones desde la matriz al espacio intermembranoso.
  • La fosforilación oxidativa es el proceso en el que se produce la síntesis de ATP a partir de ADP y fosfato inorgánico (H₃PO₄). Está acoplada con el transporte de electrones en la cadena respiratoria ya que utiliza el gradiente electroquímico generado por el flujo de protones y se realiza en los complejos ATP sintasa F_oF₁ situados en esta membrana.
• Espacio intermembranoso. Tiene enzimas que catalizan la fosforilación de otros nucleótidos a partir del ATP procedente del interior de la mitocondria.
• Membrana externa. Además de las porinas, tiene enzimas que intervienen en diferentes procesos metabólicos, como pueden ser la síntesis de algunos lípidos o la unión de los ácidos grasos al coenzima A para su ingreso en la mitocondria antes de su degradación.