Cooperación Celular: Retículo Endoplasmático y Aparato de Golgi
Este apartado explica cómo los dos tipos de retículo endoplasmático y el aparato de Golgi trabajan cooperativamente para formar lisosomas, vesículas de secreción y componentes de membrana.
Retículo Endoplasmático (RE)
Es una compleja red de membranas interconectadas que se extiende por todo el citoplasma y se conecta con la membrana nuclear y, en algunos puntos, con la membrana plasmática. Forma cisternas, sacos y túbulos aplanados comunicados entre sí que definen un único espacio interno denominado lumen.
Existen dos tipos de retículo endoplasmático:
- Retículo Endoplasmático Rugoso (RER): Caracterizado por tener ribosomas adosados a su membrana externa.
- Retículo Endoplasmático Liso (REL): Carece de ribosomas adosados a su membrana externa.
Las membranas del RE son de tipo unitario, aunque más finas, con un grosor de entre 50-60 Å (Angstroms). La porción de retículo que delimita al núcleo se denomina envoltura nuclear.
Características Específicas
- Retículo Endoplasmático Rugoso (RER): Forma sáculos y cisternas aplanados y se continúa con la envoltura externa de la membrana nuclear.
- Retículo Endoplasmático Liso (REL): Su membrana está conectada a las cisternas del RER y forma una fina red de túbulos.
Funciones del RER
- Síntesis, Almacenamiento y Transporte de Proteínas: La síntesis se realiza en los ribosomas adosados a su membrana, para lo cual es necesario que se forme un polisoma, ya que la traducción se inicia en un ribosoma libre del citosol. Si las proteínas sintetizadas forman parte de los productos de secreción, pasan al lumen y luego serán transportadas en vesículas. Si son proteínas de membrana, quedan adosadas a la propia membrana del retículo.
- Glucosilación: Tiene lugar en el lumen. Consiste en la unión de las proteínas a oligosacáridos para formar glucoproteínas. Este proceso continúa en el aparato de Golgi. Dado que ocurre en el interior de las cavidades, las proteínas sintetizadas en los ribosomas libres no serán glucoproteínas.
Funciones del REL
- Síntesis, Transporte y Almacenamiento de Lípidos: Incluye fosfolípidos, colesterol, necesarios para formar nuevas membranas, y hormonas esteroideas. Son transportados en vesículas. Los ácidos grasos se forman en el hialoplasma.
- Detoxificación: Eliminación de sustancias tóxicas para la célula (colorantes, conservantes, etc.). Las membranas del REL poseen enzimas que transforman estas sustancias en otras solubles, que pueden abandonar la célula y ser excretadas por la orina, el sudor, etc. Son importantes en las células de los riñones, hígado, intestino y piel.
Aparato de Golgi: Centro de Procesamiento y Distribución Celular
Se localiza cerca del núcleo y, en las células animales, próximo al centrosoma. Es una agrupación formada por un apilamiento de sacos de forma discoidal (cisternas) no comunicados entre sí, y rodeados por un conjunto de pequeñas vesículas. Cada pila de 5-8 sacos recibe el nombre de dictiosoma. Una célula suele tener unos 20 dictiosomas. Se origina a partir de la envoltura nuclear o del retículo endoplasmático. Es una estructura que va creciendo continuamente, ya que los sáculos más antiguos se deshacen formando vesículas de secreción. El aparato de Golgi posee dos caras:
- Cara cis o de Formación: Se localiza cerca del RE. Su membrana es similar a la del RE, aunque más fina. A su alrededor se sitúan las vesículas de Golgi o de transición que proceden del retículo y que formarán los nuevos sacos.
- Cara trans o de Maduración: Se localiza más cerca de la membrana plasmática. Los sáculos viejos se deshacen formando vesículas de secreción más grandes que las anteriores. Las membranas de estos sacos son más gruesas.
Cada conjunto de sáculos se llama dictiosoma. El dictiosoma, como hemos dicho, tiene una cara de formación (cis) y otra de maduración (trans). En la cara de formación podemos encontrar cisternas y es donde se forman las vesículas de transición; sin embargo, en la cara de maduración es donde se forman las vesículas de secreción.
Funciones del Aparato de Golgi
- Transporte, Maduración, Almacenamiento y Procesos de Secreción y Distribución: De proteínas dentro y fuera de la célula, formación de membranas y pared celular. Algunas proteínas y lípidos sintetizados en el retículo se incorporan a la membrana del propio retículo y por evaginación pasan a las vesículas de transición. Estas se fusionan con las cisternas del aparato de Golgi por la cara cis. Se produce la glucosilación y luego son transportadas a través del aparato de Golgi y empaquetadas en las vesículas de secreción por la cara trans, que se dirigen hacia la membrana plasmática donde se abren liberando los productos y dando lugar a la formación de nueva membrana. Otras veces se dirigen a orgánulos o forman lisosomas. A la vez que se realiza la secreción, se recicla la membrana y se transportan macromoléculas.
- Glucosilación de Lípidos y Proteínas: Se realiza en el retículo, pero allí el oligosacárido es siempre el mismo. En el aparato de Golgi se le añaden o quitan monosacáridos a ese azúcar, dando lugar a diferentes glucoproteínas y glucolípidos.
- Síntesis de Glúcidos: Sintetiza los glúcidos que forman el glucocálix y los componentes de la matriz extracelular en animales, y también los de la pared celular de vegetales (celulosa, pectina, etc.).
- Formación de Lisosomas.
- Formación del Acrosoma: En los espermatozoides de algunas especies.
Diferencia entre Lisosomas Primarios y Secundarios
Los lisosomas primarios contienen solo enzimas digestivas. Los lisosomas secundarios se forman cuando un lisosoma primario se une a una vesícula que contiene material a digerir, formando así una vacuola digestiva.
El Núcleo Eucariota Interfásico: Estructura y Función
Este apartado describe las estructuras que forman el núcleo eucariota interfásico, identifica su composición y explica su función.
El núcleo es la estructura recubierta por una doble membrana, encargada de almacenar y proteger el material genético (ADN).
Componentes del Núcleo
Envoltura Nuclear
Estructura constituida por una doble membrana que delimita el núcleo y que contiene poros que lo comunican y permiten el paso de sustancias con el citoplasma. Se compone de fosfolípidos, colesterol y proteínas. Su función principal es aislar y proteger el material genético, permitiendo a su vez el transporte selectivo de sustancias.
Nucleoplasma
Líquido viscoso con abundante agua y numerosas biomoléculas en el interior del núcleo. Se compone de agua, sales minerales, nucleótidos y enzimas. Es el medio en el que se realizan las reacciones metabólicas nucleares.
Nucleolo
Componente del núcleo celular visible durante la interfase, en el que se forman las subunidades ribosómicas. Se compone de ADN ribosomal (ADN NOR, Organizador Nucleolar), ARN ribosómico (ARNr) en distintos grados de maduración y proteínas. En esta parte del núcleo se produce la síntesis del ARNr y el ensamblaje con las proteínas ribosomales para formar las dos subunidades del ribosoma.
Lámina Nuclear
Capa densa de proteínas fibrilares situada debajo de la membrana interna de la envoltura nuclear. Se compone de filamentos intermedios. Mantiene la estructura del núcleo y proporciona lugares de anclaje para la cromatina.
Poros Nucleares
Son orificios de unos 80 nm de diámetro a través de los cuales se produce un intercambio y transporte de moléculas como el ARN y proteínas (lo que incluye a las subunidades de los ribosomas) entre el nucleoplasma y el citoplasma.
Estructura de los Poros Nucleares
Son canales proteicos complejos formados por ocho bloques (compuestos por proteínas) dispuestos en forma de octógono, con proteínas transportadoras sujetas por proteínas de anclaje que las unen con la zona de fusión entre la membrana interna y externa. Además, desde cada bloque sale un filamento proteico. Todo ello está rodeado e interconectado por finas fibrillas.
Para ayudar en su función, unas proteínas transportadoras llamadas exportinas e importinas permiten el paso de sustancias desde el núcleo al citoplasma y viceversa, respectivamente.
Funciones de los Poros Nucleares
- Transporte: El nucleoporo es el encargado de que sustancias como proteínas o el ARN puedan salir y entrar del núcleo para realizar sus diversas funciones.
- Expresión Genética: El proceso de transcripción y expresión de los genes se lleva a cabo en la eucromatina, la cual se encuentra en canales sujetos por los poros. Esto implica que los poros tienen un papel importante en la expresión de los genes del ADN.
- Defensiva: Los poros suponen la puerta de entrada al material genético del núcleo, por lo que en caso de una infección vírica, representan la última línea de defensa de la célula para impedir que estos puedan acceder al ADN y replicarse. El poro nuclear se encarga de solo dejar entrar al núcleo a sustancias con determinadas características, dificultando así que los virus puedan entrar (aunque algunos han desarrollado mecanismos para burlar este sistema).
La Cromatina
Es una sustancia que se encuentra en el núcleo celular formando el material cromosómico durante la interfase y está compuesta por ADN asociado a proteínas llamadas histonas. El ADN se condensa con ayuda de las histonas; su mayor grado de empaquetamiento se alcanza durante la división celular, cuando la cromatina se organiza en cromosomas.
El ADN está compuesto por dos cadenas de desoxirribonucleótidos enrolladas formando una doble hélice. El ADN se une a histonas (proteínas) para constituir la estructura terciaria (cromatina).
La cromatina está compuesta por una fibra elemental que tiene el aspecto de un collar de cuentas, en la que cada una de esas «cuentas» es el complejo nucleosomal. El complejo nucleosomal está formado por un octámero de histonas (H2A, H2B, H3, H4), alrededor del cual el ADN se enrolla dando dos vueltas de doble hélice. Estas “cuentas” están separadas por fragmentos de ADN espaciador; este, junto con cada complejo nucleosomal, forman los nucleosomas, la unidad básica de la fibra de cromatina.
Las histonas son proteínas de las que hay cinco tipos (H2A, H2B, H3, H4, H1). Las cuatro primeras forman el complejo nucleosomal, mientras que la H1 participa en el superenrollamiento de la fibra elemental. La histona H1 se une, por una parte, a los nucleosomas y, por otra, a la fibra de ADN espaciador, provocando un acercamiento de los complejos nucleosomales y un enrollamiento de la fibra de ADN. La H1 es responsable del plegamiento helicoidal de la fibra elemental de cromatina hasta formar la fibra solenoide. Esta fibra sufre plegamientos en forma de bucles radiales hasta dar forma a los cromosomas.
Grados de Empaquetamiento de la Cromatina
- Fibra Nucleosomal (11 nm): Está formada por una serie de nucleosomas (histonas colocadas en forma de disco). La doble hélice de ADN da dos vueltas alrededor de ese disco. El nucleosoma se compone de un octámero de histonas más el ADN.
- Fibra Solenoide (30 nm): Empaquetamiento formado por una espiral en la que cada enrollamiento está compuesto por 6 nucleosomas.
- Bucles Radiales: La fibra solenoide se enrosca a modo de 8.
- Fibra de Rosetones: Formada por un muelle de bucles radiales.
Funciones de la Cromatina
- Contiene la Información Genética: Sobre la estructura y funcionamiento del organismo. Cuando el ADN pasa por el proceso de duplicación, origina dos moléculas iguales, que quedan unidas por un punto y que se enrollan sobre sí mismas formando las dos cromátidas de cada cromosoma.
- Proporciona la Información Biológica: Para sintetizar los distintos tipos de ARN (transcripción: etapa que consiste en copiar la secuencia de ADN de un gen para producir una molécula de ARN).
Tipos de Cromatina
- Eucromatina: Menos condensada/densa, se ve más clara. Compuesta por fibras nucleosomales y solenoides, es la forma activa de la cromatina, donde se produce la transcripción.
- Heterocromatina: Más condensada/densa, se ve más oscura y es inactiva.
- Constitutiva: Sus genes nunca se expresan tras el desarrollo embrionario.
- Facultativa: Sus genes solo se expresan dependiendo del tipo de célula. Es decir, los genes que algunas células expresan (dependiendo de su tipo y función), en otras pueden no expresarse, quedando en forma de heterocromatina facultativa.
Formación de Ribosomas y Síntesis de Proteínas: Un Proceso Cooperativo
Este apartado explica cómo trabajan cooperativamente la cromatina, el nucleolo y los ribosomas para formar nuevos ribosomas y para sintetizar proteínas.
Primero, a partir del gen ribosomal (ADN descondensado en la región NOR del nucleolo), se producen copias mediante transcripción. Este proceso químico consiste en la formación de ARN a partir de ribonucleótidos que se unen gracias a la enzima ARN polimerasa. Esto da lugar al ARN nucleolar (ARn) y al ARN mensajero (ARNm).
Una vez formado, el ARNm sale al citoplasma a través de los poros nucleares debido a su gran tamaño, donde al unirse con los ribosomas producirá la síntesis de las proteínas ribosomales.
Mientras tanto, el ARN ribosómico (ARNr) se forma en el nucleolo a partir de la maduración del ARn (Pre-ARNr), que se divide en tres tipos de ARNr de diferentes tamaños que se utilizarán para diferentes actividades biológicas. Las proteínas ribosomales, sintetizadas en el citoplasma, entran al nucleolo y se unen al ARNr que ha madurado, formando las subunidades de los ribosomas (en la zona granular del nucleolo). Estas subunidades salen al citoplasma por separado y se unen para formar ribosomas funcionales, que son los encargados de realizar la síntesis de las proteínas.
Núcleo Interfásico vs. Núcleo en División y Compactación del ADN
Este apartado explica las diferencias entre el núcleo interfásico y el núcleo en división, y cómo se compacta el ADN para formar cromosomas.
Durante la división celular (mitosis o meiosis), la envoltura nuclear se desintegra, y el material genético se condensa en estructuras altamente compactas llamadas cromosomas. En contraste, durante la interfase, el material genético se encuentra descondensado en forma de cromatina, permitiendo el acceso a la maquinaria de transcripción y replicación.
Compactación del ADN para Formar Cromosomas
La estructuración de la cromatina y la formación de los cromosomas implican varios niveles de empaquetamiento del ADN, como se detalló en la sección de la cromatina (fibra nucleosomal, fibra solenoide, bucles radiales y rosetones), culminando en la formación de los cromosomas metafásicos, la forma más compacta del material genético.
Microscopía y Técnicas de Estudio Celular
Este apartado diferencia el microscopio óptico del electrónico en el poder de resolución, la técnica empleada para crear imágenes, cómo han de construirse las preparaciones y qué estructuras se pueden observar.
Microscopía Óptica
Se emplean microscopios ópticos, que utilizan lentes para concentrar los rayos de luz natural y poder así amplificar (capacidad para aumentar el tamaño de la imagen de la muestra) la muestra. La resolución (capacidad para observar separados dos puntos muy cercanos) de un microscopio óptico es de aproximadamente 200 nm y depende de sus lentes, la longitud de onda de la luz incidente y el índice de refracción del medio (aire normalmente). A mayor índice de refracción, mayor resolución; por ello, a veces se emplea agua o aceite de inmersión.
Microscopía por Inmunofluorescencia
Se emplean anticuerpos que se adhieren a las estructuras proteicas celulares y que emiten fluorescencia al recibir luz (a una longitud de onda específica), destacando así estas estructuras y haciéndolas más fáciles de ver.
Microscopía Electrónica
Usa un haz de electrones en un medio vacío que es focalizado mediante electroimanes para observar la muestra. Esto aumenta la resolución hasta los 0.3 nm. La diferencia en la longitud de onda entre la luz y los electrones (mucho menor en los electrones) es lo que marca la gran diferencia en la resolución.
Microscopio Electrónico de Transmisión (MET)
Las muestras, en cortes ultrafinos, se montan y se pueden teñir con metales pesados. Esta técnica permite ver el interior de la muestra.
Microscopio Electrónico de Barrido (MEB)
Los electrones se hacen pasar por un deflector para barrer la superficie de la muestra. En función del relieve, se generan electrones secundarios que se miden y generan una imagen en 3D de la superficie de la muestra. Para esta técnica, se necesita aplicar una fina capa de oro sobre la muestra.
Otras Técnicas de Estudio Celular
Tinción Negativa
Adición de un colorante denso a los electrones a la muestra para resaltarla. Se usa para muestras de virus (muy pequeñas).
Criofractura
Técnica utilizada para el estudio de las membranas. Se congela la muestra, se raspan las superficies que ofrecen menor resistencia, se sombrea con un metal y se cubre con una capa de carbono para crear un molde, que se mira al microscopio revelando los relieves muy minuciosamente.
Fraccionamiento Celular / Ultracentrifugación
Se homogeneiza la muestra de tejido, es decir, se “rompen” las células (mecánica u osmóticamente), quedando todos sus componentes mezclados. Estos se separan mediante centrifugación diferencial, es decir, se hacen girar a distintas velocidades, haciendo que los componentes se decanten (a determinadas velocidades de centrifugado), sedimenten, se separen y queden estratificados, listos para su análisis.
Cultivos Celulares
Se aíslan las células/tejidos a estudiar y se colocan en un medio rico en nutrientes (medio de cultivo), de manera que las células se multiplican dando lugar a una mayor cantidad de muestra.
Difracción de Rayos X
Se dispara un haz de rayos X hacia la muestra. Estos rayos, al llegar a la muestra, son desviados por sus electrones. Los rayos distorsionados llegan a una placa fotográfica que queda marcada en función de la estructura molecular de la muestra. Los átomos más pesados (con más electrones) se detectan más fácilmente, revelando la estructura de las moléculas.
Autorradiografía
Se incuban células en presencia de elementos radioactivos, los cuales incorporan. Estos isótopos emiten radiaciones y pueden ser medidos con contadores Geiger o emulsiones fotográficas.
Cromatografía
Separación de los componentes de una muestra homogeneizada según su solubilidad, densidad y afinidad por el agua.
Electroforesis
Separación de los componentes de una muestra homogeneizada mediante un campo eléctrico según su carga y su tamaño.