1. La Célula como Sistema de Membranas

La célula procariota se caracteriza por poseer un único compartimento, el citosol, delimitado por la membrana celular. A lo largo de la evolución, una invaginación de esta membrana en la célula ancestral (LUCA) dio lugar a la célula eucariota, la cual presenta un núcleo definido y orgánulos citoplasmáticos delimitados por membranas.

Esta compartimentación celular permite la especialización funcional de los orgánulos y la realización de procesos metabólicos complejos de forma simultánea. En cada compartimento se llevan a cabo reacciones bioquímicas específicas, catalizadas por enzimas, que no podrían ocurrir en un mismo espacio sin interferir entre sí.

En las células eucariotas, la compartimentación se organiza en:

• Sistemas internos de membrana: Retículo endoplasmático (liso y rugoso), que es una extensión de la membrana nuclear, y el complejo o aparato de Golgi.
• Orgánulos membranosos: Núcleo, mitocondrias, plastos, peroxisomas, lisosomas y vacuolas.

La compartimentación celular fue un hito evolutivo. La célula ancestral realizaba todas sus funciones, como la obtención de energía, la síntesis de proteínas y lípidos, y la síntesis de ATP, en su única membrana. La evolución de los sistemas de membrana se produjo de dos maneras:

• Invaginaciones de la membrana celular: Originaron la membrana nuclear, el retículo endoplasmático, el aparato de Golgi, los endosomas y los lisosomas. Esto explica la interconexión entre estos componentes y el exterior celular.
• Simbiosis entre células eucariotas primitivas y bacterias: Esta teoría explica la doble membrana y el genoma propio de mitocondrias y cloroplastos, que les permite sintetizar algunas de sus proteínas.

2. Membrana Plasmática: Composición Química y Estructura

La membrana plasmática, también llamada membrana citoplasmática o plasmalema, es la barrera que separa el medio extracelular del intracelular. Tiene un grosor aproximado de 75 nm y solo es visible con microscopía electrónica.

2.1. Composición Química

A) Lípidos

Las membranas plasmáticas eucariotas están compuestas por tres tipos de lípidos: fosfolípidos, glucolípidos y esteroles. Todos ellos son anfipáticos, lo que significa que poseen una región hidrofílica (soluble en agua) y una región hidrofóbica (insoluble en agua). En un medio acuoso, se organizan formando bicapas lipídicas.

Su distribución en la membrana es asimétrica y fluida, permitiendo el movimiento de los lípidos. Los principales movimientos son:

• Rotación: Giro de la molécula lipídica sobre su eje.
• Difusión lateral: Movimiento libre de los lípidos dentro de la bicapa.
• Flip-flop: Movimiento de un lípido de una monocapa a la otra, mediado por enzimas llamadas flipasas.

La fluidez de la membrana depende de la temperatura, la composición lipídica y la presencia de colesterol. Esta fluidez es crucial para funciones como el transporte, la adhesión celular y la función inmunitaria. Las membranas poseen mecanismos de homeoviscosidad para mantener su fluidez.

B) Proteínas

Las proteínas son las responsables de las funciones específicas de la membrana y varían entre especies. Pueden moverse lateralmente, contribuyendo a la fluidez. La mayoría son globulares y se clasifican según su ubicación:

• Proteínas intrínsecas: Representan el 50-70% del total y están embebidas en la bicapa lipídica.
• Proteínas extrínsecas: No atraviesan la bicapa y se unen a los lípidos mediante enlaces covalentes.

C) Glúcidos

Los glúcidos más abundantes son los oligosacáridos, que se unen a proteínas y lípidos formando glucoproteínas y glucolípidos. Se localizan en la cara externa de la membrana, formando el glucocálix, que cumple diversas funciones:

• Protección mecánica.
• Interacción con la matriz extracelular.
• Movimiento celular.
• Función antigénica.
• Reconocimiento celular.
• Fijación de moléculas para endocitosis.

2.2. Estructura de la Membrana: Modelo del Mosaico Fluido

El modelo del mosaico fluido describe la membrana como una estructura dinámica:

• La bicapa lipídica es la base, con proteínas embebidas que interactúan entre sí y con los lípidos.
• Las proteínas integrales se distribuyen en forma de mosaico.
• La membrana es asimétrica en la distribución de sus componentes.

3. Fisiología de la Membrana

La membrana plasmática actúa como un filtro selectivo bidireccional, permitiendo el paso de ciertas sustancias e impidiendo el paso de otras. Regula el intercambio de moléculas entre la célula y su entorno, permitiendo la entrada de nutrientes y la salida de desechos.

3.1. Funciones de la Membrana Biológica

La membrana plasmática cumple funciones esenciales para la vida celular:

• Intercambio de sustancias: Transporte de iones y moléculas, incluyendo mecanismos como la fagocitosis, endocitosis, pinocitosis y exocitosis.
• Recepción y transmisión de información: Reconoce señales extracelulares y las transmite al interior de la célula.
• Reconocimiento y adhesión celular: Permite a las células interactuar entre sí y con la matriz extracelular.

3.2. Receptores de Membrana

Las células diana poseen receptores de membrana, proteínas que reconocen específicamente moléculas-mensaje o primeros mensajeros. La unión del primer mensajero al receptor provoca un cambio conformacional que activa una segunda molécula mensajera en el interior de la célula. Los segundos mensajeros, como el AMPc, desencadenan respuestas metabólicas, como la estimulación de la síntesis proteica.

4. Transporte de Moléculas de Baja Masa Molecular

El transporte de moléculas pequeñas a través de la membrana puede ser activo o pasivo, dependiendo del gradiente de concentración.

4.1. Transporte Pasivo: A Favor del Gradiente

El transporte pasivo no requiere energía:

• Difusión simple: Moléculas pequeñas sin carga, como O₂ y CO₂, atraviesan la bicapa lipídica. Las proteínas de canal forman poros que permiten el paso de iones a favor del gradiente.
• Difusión facilitada: Moléculas polares, como glúcidos, son transportadas por proteínas transportadoras o carriers que cambian su conformación al unirse a la molécula.

4.2. Transporte Activo: En Contra del Gradiente

El transporte activo requiere energía y es realizado por bombas:

• Bomba sodio-potasio: Transporta 3 Na⁺ hacia el exterior y 2 K⁺ hacia el interior, en contra de sus gradientes. Mantiene el potencial de membrana, regula el volumen celular e interviene en otros sistemas de transporte.

5. Transporte de Moléculas de Elevada Masa Molecular

Las macromoléculas se transportan mediante endocitosis, exocitosis y transcitosis. Estos procesos involucran vesículas revestidas de clatrina.

5.1. Endocitosis

La célula captura partículas del exterior mediante invaginaciones de la membrana:

• Pinocitosis: Ingestión de líquidos y partículas en disolución mediante pequeñas vesículas.
• Fagocitosis: Ingestión de microorganismos y restos celulares mediante grandes vesículas o fagosomas.
• Endocitosis mediada por receptor: La endocitosis de una sustancia se produce tras su unión a un receptor específico en la membrana.

5.2. Exocitosis

Las macromoléculas contenidas en vesículas son liberadas al exterior celular. La membrana de la vesícula se fusiona con la membrana plasmática, liberando su contenido. Este proceso requiere calcio y proteínas como la anexina y la calmodulina.

5.3. Transcitosis

Una sustancia atraviesa todo el citoplasma celular mediante endocitosis en un lado de la célula y exocitosis en el lado opuesto. Es común en células endoteliales de los vasos sanguíneos.

6. Interacciones Célula-Célula

En organismos pluricelulares, las células se unen mediante uniones intercelulares. Según su extensión, se clasifican en:

• Tipo zónula: Afecta a todo el perímetro celular.
• Tipo mácula: Afecta a una zona específica.

Según su estructura y función, se distinguen uniones comunicantes, estrechas y adherentes.

6.1. Uniones Comunicantes

Permiten el paso de pequeñas moléculas entre células adyacentes. Existen dos tipos:

• Sinapsis químicas: Comunicación entre neuronas mediante neurotransmisores.
• Uniones en hendidura: Formadas por conexones, estructuras cilíndricas que permiten el paso de iones y moléculas pequeñas, estableciendo una cooperación metabólica.

6.2. Uniones Estrechas

También llamadas herméticas o íntimas, impiden el paso de moléculas entre células. Son comunes en células endoteliales, enterocitos y hepatocitos. Las membranas se unen mediante proteínas como la cadherina, la cingulina y las ZO, que interactúan con los microfilamentos de actina del citoesqueleto.

6.3. Uniones Adherentes o Desmosomas

Proporcionan resistencia mecánica a los tejidos. Son frecuentes en tejidos sometidos a tensión, como el músculo cardíaco y el epitelio cutáneo. Las membranas se acercan pero no se fusionan. Su estructura implica:

• Proteínas transmembrana: Cadherinas en uniones célula-célula e integrinas en uniones célula-matriz.
• Proteínas de unión: Conectan las proteínas transmembrana con el citoesqueleto.

7. Retículo Endoplasmático

El retículo endoplasmático (RE) es un sistema membranoso que se extiende entre la membrana plasmática y la nuclear. Constituye más de la mitad del componente membranoso celular. Divide el citoplasma en dos compartimentos: el espacio luminal o cisternal, dentro del RE, y el espacio citosólico, fuera del RE.

7.1. Retículo Endoplasmático Rugoso (RER)

El RER se caracteriza por la presencia de ribosomas adheridos a su cara citosólica. Los ribosomas se unen a la membrana mediante riboforinas, glucoproteínas transmembranosas. Está formado por sacos aplanados o cisternas y vesículas. Su lumen contiene un material poco denso. Es abundante en células que sintetizan proteínas, como las células acinares del páncreas.

7.2. Funciones del RER

Las funciones del RER están relacionadas con la síntesis y procesamiento de proteínas:

• Síntesis y almacenamiento de proteínas: Las proteínas se sintetizan en los ribosomas y pueden insertarse en la membrana del RER o pasar al lumen para ser exportadas.
• Glucosilación de proteínas: Las proteínas sintetizadas en el RER son glucosiladas antes de ser transportadas a otros orgánulos.

7.3. Retículo Endoplasmático Liso (REL)

El REL es una red tubular interconectada, sin ribosomas adheridos. Es abundante en células musculares estriadas (retículo sarcoplásmico), células secretoras de hormonas esteroideas y hepatocitos.

7.4. Funciones del REL

Las funciones del REL varían según el tipo celular:

• Síntesis de lípidos: Se sintetizan fosfolípidos, colesterol y otros lípidos de membrana.
• Contracción muscular: El REL libera Ca²⁺, esencial para la contracción muscular.
• Detoxificación: Elimina sustancias nocivas mediante reacciones de oxidación.
• Liberación de glucosa: Degrada el glucógeno almacenado en los hepatocitos para liberar glucosa.

8. Aparato de Golgi

El aparato de Golgi es un orgánulo del sistema de endomembranas presente en todas las células eucariotas, excepto en los glóbulos rojos de mamíferos. Su localización varía según el tipo celular.

8.1. Ultraestructura

Está formado por dictiosomas, unidades funcionales compuestas por cisternas aplanadas y vesículas. Los dictiosomas pueden estar conectados con otros componentes del sistema de endomembranas, como el RE.

8.2. Funciones

• Transporte golgiano: Las proteínas sintetizadas en el RER llegan al Golgi en vesículas y se desplazan a través de las cisternas, donde sufren modificaciones.
• Glucosilación de lípidos y proteínas: Se ensamblan oligosacáridos a lípidos y proteínas para formar glucolípidos y glucoproteínas.
• Formación del tabique telofásico en células vegetales: Vesículas del Golgi se fusionan para formar el tabique que divide el citoplasma durante la división celular.
• Formación del acrosoma en el espermatozoide: El acrosoma, que contiene enzimas hidrolíticas, se origina en el Golgi.

9. Lisosomas, Peroxisomas y Vacuolas

Estos orgánulos membranosos contienen enzimas relacionadas con la digestión celular.

9.1. Estructura y Función de los Lisosomas

Los lisosomas contienen alrededor de 50 enzimas hidrolíticas que degradan polímeros biológicos. Estas enzimas son hidrolasas ácidas, con actividad óptima a pH 4,6. Actúan como el sistema digestivo celular, degradando material endocitado y componentes celulares viejos mediante autofagia.

Los lisosomas primarios se originan en el Golgi. Cuando un lisosoma primario se fusiona con una vesícula endocítica o fagosoma, se forma un lisosoma secundario o fagolisosoma, donde se produce la digestión. La autofagia es la digestión de componentes celulares propios, que se engloban en autofagosomas antes de fusionarse con lisosomas.

9.2. Estructura y Función de los Peroxisomas

Los peroxisomas contienen enzimas implicadas en diversas rutas metabólicas, como la oxidación de ácidos grasos. Las oxidasas oxidan sustratos, produciendo peróxido de hidrógeno (H₂O₂), que es tóxico. La catalasa, otra enzima peroxisomal, elimina el H₂O₂. Los peroxisomas oxidan ácidos grasos y aminoácidos, y detoxifican moléculas. En semillas en germinación, los glioxisomas (un tipo de peroxisoma) realizan el ciclo del glioxilato, convirtiendo ácidos grasos en glúcidos.

9.3. Estructura y Función de las Vacuolas

Las vacuolas son cisternas membranosas, características de células vegetales, aunque no exclusivas de ellas. Su membrana se denomina tonoplasto. Contienen jugo vacuolar, rico en agua. Sus funciones principales son:

• Mantenimiento de la turgencia celular: La alta concentración de solutos en el jugo vacuolar genera una presión osmótica que atrae agua, manteniendo la célula turgente.
• Digestión celular: En células vegetales, las vacuolas contienen hidrolasas ácidas que participan en la digestión.
• Almacenamiento de sustancias: Almacenan moléculas, sustancias de reserva y, en ocasiones, sustancias tóxicas.

10. Mitocondrias

Las mitocondrias están delimitadas por dos membranas que definen dos compartimentos:

• Membrana mitocondrial externa: Similar a otras membranas celulares, contiene porinas, proteínas que forman canales no selectivos.
• Membrana mitocondrial interna: Presenta crestas mitocondriales, repliegues hacia el interior. Contiene los componentes de la cadena respiratoria y la ATP-sintetasa.
• Partículas elementales F: Complejos de ATP-sintetasa que sintetizan ATP. Se localizan en la cara externa de las crestas.
• Cámara interna o matriz mitocondrial: Contiene enzimas del ciclo de Krebs, ADN mitocondrial y ribosomas.
• Cámara externa o espacio intermembrana: Contiene enzimas que utilizan ATP.

10.1. Distribución y Morfología

Las mitocondrias se distribuyen por el citoplasma, su número varía según las necesidades energéticas de la célula. El conjunto de mitocondrias de una célula se denomina condrioma celular. Su forma es variable (filamentosa o granular) y pueden fusionarse o dividirse. Su diámetro es de 0,5 a 1 μm y su longitud puede llegar a 7 μm.

10.2. Funciones

• Ciclo de Krebs: Ocurre en la matriz mitocondrial. Es una ruta metabólica central en el catabolismo celular.
• Cadena respiratoria: Los electrones liberados en el ciclo de Krebs son transferidos a través de complejos proteicos en la membrana interna, generando un gradiente de protones.
• Fosforilación oxidativa: La ATP-sintetasa utiliza el gradiente de protones para sintetizar ATP.
• β-oxidación de los ácidos grasos: Degradación de ácidos grasos en la matriz mitocondrial.
• Concentración de sustancias: Acumulan proteínas, lípidos, iones y otras moléculas en la matriz.