SEMINARIO TEORICO Módulo 5: HIDRATOS DE CARBONO Y SISTEMA DE
ENDOMEMBRANAS
CARBOHIDRATOS
Los carbohidratos o hidratos de carbono típicos son los azúcares, almidones y celulosas. Los azúcares y almidones sirven de combustible para las células; las celulosas son componentes estructurales de las plantas. Los carbohidratos contienen átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno en una proporción aproximada de un carbono por cada dos hidrógenos y un oxigeno (CH2O)n.
Monosacáridos
Los monosacáridos son azúcares simples que contienen de tres a siete átomos de carbono. Son polialcoholes con función aldehído o
cetona (polihidroxialdehídos o
polihidroxicetonas). Los carbohidratos
más simples contienen en consecuencia tres átomos de carbono (triosas): como el gliceraldehído, que posee una función aldehído y dos funciones alcohólicas (aldotriosa). La ribosa es una pentosa común (aldopentosa) que es componente de los ácidos ribonucleicos (ARN); su derivado desoxigenado, la desoxirribosa (que carece de hidroxilo alcohólico en C2) es integrante de los
ácidos desoxirribonucleicos (ADN). La glucosa, galactosa y manosa son aldohexosas, en tanto que la fructosa es una cetohexosa.
Todos los monosacáridos excepto la dihidroxiacetona pueden formar isómeros ópticos, cuyo número dependerá del número de átomos de carbono asimétricos que posea la molécula (en un carbono asimétrico las cuatro valencias están unidas a átomos o grupos atómicos distintos). La aldosa
El número de isómeros ópticos de un monosacárido se calcula de acuerdo a la fórmula 2n,
donde n = número de carbonos asimétricos. Así, la aldotriosa gliceraldehído tiene 2 isómeros (D- y L-gliceraldehído), las aldotetrosas 4, las aldopentosas 8 y las aldohexosas 16, lo que genera una gran variedad de moléculas algunas de las cuales poseen propiedades biológicas.
A pesar de la semejanza entre un par de isómeros D y L, ambos pueden llegar a cumplir diferentes funciones biológicas, ya que como vimos anteriormente las enzimas son altamente específicas y muchas pueden llegar a discriminar entre un isómero y otro.
Las fórmulas lineales brindan una imagen clara,
aunque poco realista, de la estructura de los monosacáridos más comunes. Las moléculas no son las estructuras simples de dos dimensiones que se ilustran en una página impresa. De hecho, las propiedades de cada compuesto dependen en parte de su estructura tridimensional, y las fórmulas tridimensionales resultan útiles para comprender las relaciones entre la estructura de una molécula y sus funciones biológicas.
La disposición tetraédrica adoptada para ilustrar la disposición espacial de las valencias del átomo de carbono es una clara indicación de que las fórmulas lineales con las que se representa un monosacárido no son las más adecuadas para expresar la realidad de la disposición espacial. En el caso de la aldohexosa glucosa, el átomo de
carbono carbonílico (C1, grupo C=O) está
espacialmente próximo al C5 y tiende a
reaccionar formando una estructura cíclica de seis átomos (cinco carbonos y un oxígeno) por reordenamiento de los mismos, originando un puente de oxígeno que une C1 con C5. Menos frecuente es la
estructura que une al C1 con el C4 para dar
una estructura cíclica de cinco átomos (cuatro carbonos y un oxígeno). Estas estructuras cíclicas están en
equilibrio con las lineales, pero con fuerte predominio de las primeras (en la glucosa el 99% está en forma cíclica). Al ciclarse la molécula, el grupo carbonilo (C=O) del aldehído y la cetona se transforman en
hidroxilo (–OH) que recibe el nombre de
hemiacetálico (si proviene de una aldosa) o hemicetálico (si proviene de una cetosa). Este oxhidrilo tiene propiedades especiales, como ser la capacidad de ser oxidado por agentes oxidantes suaves, como el ión cúprico (Cu++). La glucosa y otros azúcares
capaces de reducir iones cúpricos se denominan azúcares reductores. Recordemos que un compuesto reductor es aquel capaz de reducir a un segundo compuesto, cediéndole electrones (y oxidándose en el proceso).
Cuando la glucosa forma un anillo hay dos formas posibles, que difieren sólo en la orientación de un grupo -OH. Cuando el grupo hidroxilo unido al carbono 1 está por debajo del plano del anillo, la glucosa se denomina -glucosa; cuando el grupo hidroxilo se encuentra sobre el plano del anillo el compuesto se llama -glucosa. Esta diferencia aparentemente trivial adquiere tremenda importancia cuando estas unidades funcionales constituyen polisacáridos: la polimerización de la -glucosa da lugar al almidón o al
glucógeno, según se trate de plantas o animales, en tanto que la -glucosa polimerizada origina la
celulosa; los primeros son polisacáridos energéticos, ya que constituyen la sustancia de reserva de plantas
y animales, en tanto que la celulosa es un polisacárido no energético, sino estructural, que forma la parte principal de la matriz extracelular (pared celular) de las células vegetales.
La glucosa (C6H12O6), el monosacárido más común, es extremadamente importante en los
procesos de la vida. Durante la fotosíntesis, algas y plantas producen glucosa a partir de dióxido de carbono y agua, utilizando luz solar como fuente de energía. Después, durante la respiración celular se rompen los enlaces de la molécula de glucosa liberando la energía almacenada para que ésta pueda utilizarse en el metabolismo celular. Es tan importante la glucosa en el metabolismo que su concentración se mantiene cuidadosamente a niveles homeostáticos (más o menos constantes) en la sangre de los seres humanos y en la de otros animales complejos. Otras aldohexosas importantes son la manosa y la galactosa (presente en la leche), en tanto que la principal cetohexosa es la fructosa, que conjuntamente con la glucosa componen el disacárido sacarosa, el azúcar común de mesa.
Clasificación de monosacáridos basado en el número de carbonos Número de
Carbonos Categoría Ejemplos
4 Tetrosa Eritrosa, Treosa
5 Pentosa Arabinosa, Ribosa, Xilosa
6 Hexosa Fructosa, Galactosa, Glucosa, Manosa 7 Heptosa Sedoheptulosa, Manoheptulosa
Disacáridos
Un disacárido consta de dos monosacáridos unidos mediante un enlace covalente. Estos dos últimos se unen por medio de un enlace glucosídico, que generalmente se forma entre el C1 de una
molécula y el C4 de la otra molécula con pérdida de una molécula de H2O. La maltosa (azúcar de malta)
Polisacáridos
Los carbohidratos más abundantes son los polisacáridos, un grupo que incluye almidones, glucógeno y celulosas. Un polisacárido es una macromolécula en la que se asocian varias unidades de azúcares simples, generalmente glucosa. Aun cuando el número de unidades presentes es variable, por lo general, en una sola molécula se encuentran miles de ellas. El polisacárido puede ser una cadena simple larga o una cadena ramificada.
Almidón
Constituye la forma típica en que se almacenan carbohidratos en las plantas: es un polímero de subunidades de glucosa. Los monómeros se unen por enlaces 14. El almidón se encuentra en dos formas: amilosa y amilopectina. La amilosa, la forma más simple,
no tiene ramificaciones. La amilopectina, la forma más común, consta de cerca de 1000 unidades en una cadena ramificada. Las ramificaciones ocurren cada 20 o 25 unidades, y en ellas intervienen los carbonos uno y seis (enlaces glucosídicos). Las plantas almacenan almidón en gránulos con organelos especializados, llamados plástidos. Cuando se requiere energía para el metabolismo celular, la planta somete a hidrólisis el almidón y libera subunidades de glucosa. Los hombres y otros animales que comen plantas tienen enzimas capaces de hidrolizar el almidón.
Glucógeno
Es la forma en que se almacena la glucosa en los tejidos animales. Este polisacárido es una cadena altamente ramificada; es más soluble enagua que el almidón de las plantas. El glucógeno se almacena sobre todo en hígado y células musculares. La glucosa no puede almacenarse como tal; sus moléculas pequeñas, sin carga y tan fácilmente solubles, escaparían de las células. Las moléculas más grandes y
menos solubles de almidón y glucógeno no pasan tan fácilmente a través de las membranas celulares. Por tanto, en vez de almacenar azúcares simples, las células almacenan polisacáridos más complejos, como el glucógeno, el cual puede fácilmente
hidrolizarse hasta convertirse en azúcares simples.
Celulosa
Los carbohidratos constituyen el grupo de compuestos orgánicos más abundantes en la tierra, y la celulosa, un carbohidrato estructural, es el carbohidrato más abundante constituyendo cerca del 50 % o más del carbono de las plantas. La madera es celulosa en cerca del 50% y el algodón
por lo menos en un 90%. Las células de las plantas están rodeadas por una fuerte pared celular de soporte constituida principalmente de celulosa. La celulosa es un polisacárido insoluble, compuesto por la unión de moléculas de glucosa. Los enlaces que unen estas unidades de azúcar son diferentes de los que se presentan en las moléculas de almidón. En este último las subunidades son alfa-glucosa y los enlaces glucosídicos son 14. En la celulosa el monómero es -glucosa y los enlaces son 14.
Estos enlaces no se desdoblan por las enzimas que hidrolizan el almidón. Los seres humanos no tienen enzimas con las cuales digerir la celulosa y por lo tanto no pueden utilizarla como nutriente. Sin embargo la celulosa es un componente importante de la fibra de la dieta, y ayuda a mantener el buen funcionamiento del sistema digestivo.
Carbohidratos modificados y complejos
Muchos derivados de los monosacáridos son compuestos biológicamente importantes. Los aminoazúcares glucosamina y galactosamina son compuestos en los que el grupo hidroxilo (-OH) se ha reemplazado por un grupo amino (-NH2). La galactosamina se encuentra en el cartílago. La glucosamina
es la unidad molecular presente en la quitina, principal componente del esqueleto de los insectos, del langostino y de otros artrópodos. Este polisacárido modificado también se presenta en las paredes celulares de los hongos. Los carbohidratos también se combinan con proteínas y dan lugar a las
SISTEMA DE ENDOMEMBRANAS.
RETÍCULO ENDOPLÁSMICO.
Una de las características más destacadas de la célula de los eucariotes es un laberinto de membranas internas paralelas que rodean al núcleo y que se extienden a distintas partes del citoplasma. Este complejo de membranas ocupa una buena parte del volumen total del citoplasma en algunas variedades celulares y constan de una serie de láminas estrechamente empacadas y plegadas en forma aplanada, de manera que dan origen a diversos compartimientos dentro del citoplasma. Las cavidades formadas por las láminas de las membranas se denominan cisternas (una palabra derivada del latín que significa reservorio). El componente principal de este complejo membranoso es el retículo endoplásmico (RE). En la mayor parte de las células las cisternas del RE parecen estar interconectadas. El RE se continúa con la membrana externa de la envoltura nuclear, de manera que el compartimiento formado entre las dos membranas de la envoltura nuclear está conectado con las cisternas del RE. Las membranas de otros organelos no se conectan físicamente con el RE y parecen formar compartimientos independientes dentro del citoplasma.
y luego pasa por la membrana plasmática hacia el exterior de la célula por medio de una vesícula secretora. Los compartimientos de las endomembranas pueden considerarse como contrapartes del exterior de la célula.
El RE contiene una gran variedad de enzimas que catalizan muchos tipos de reacciones químicas. En algunos casos las membranas sirven de soporte para los sistemas enzimáticos, en tanto que otras enzimas del RE se localizan en las cisternas. Las dos superficies de la membrana (interna y externa) cuentan con distintos grupos de enzimas y representan regiones celulares con diferentes capacidades de síntesis.
Hay dos tipos de RE: el RE rugoso (RER), que tiene ribosomas en su superficie y por lo tanto en las microfotografías electrónicas ostenta un aspecto rugoso, y el RE liso (REL), que carece de ribosomas, por lo que la superficie externa de su membrana tiene una apariencia lisa. Ambos retículos pueden además distinguirse por su morfología. Las membranas del REL tienden a formar túbulos mientras que las membranas del RER forman en general sacos aplanados. De todos modos, no son orgánulos independientes ya que, por microscopía electrónica se demuestra una continuidad entre el lumen de ambos.
Retículo Endoplásmico Liso (REL)
El REL es el principal sitio de metabolismo de los fosfolípidos, esteroides, hidratos de carbono y ácidos grasos. Realiza también una función importante al localizar enzimas desintoxicantes que degradan sustancias químicas como carcinógenos (moléculas que causan cáncer) y los convierten en moléculas solubles fácilmente excretables por el organismo. Algunas líneas celulares, como las células del hígado, que procesan gran parte del colesterol y lípidos del organismo y sirven como uno de los principales sitios de desintoxicación contienen grandes cantidades de REL. En otras células del cuerpo el REL llega a ser un componente menor.
En el REL se sintetizan casi todos los lípidos requeridos para la formación de las membranas, incluidos los fosfolípidos y el colesterol. Los fosfolípidos son sintetizados en la cara externa (citosólica). Si bien se sintetizan tanto fosfatidilcolina como el resto de los fosfolípidos, sólo la fosfatidilcolina pasa a la cara interna de la membrana, gracias a un translocador fosfolipídico específico (una “flipasa”).
Los fosfolípidos de los componentes del sistema interno de membranas son transportados a través de vesículas de transporte, pero los que corresponden a las membranas de cloroplastos, peroxisomas o mitocondrias necesitan que proteínas transportadoras (“carriers”) específicas (“proteínas intercambiadoras de fosfolípidos) los trasladen desde el REL hasta la membrana correspondiente. El REL de los hepatocitos está también involucrado en la hidrólisis enzimática de glucógeno, el que se almacena en gránulos asociados al REL.
Por otro lado en ciertas células musculares existen subdominios especializados en el almacenamiento de calcio, los que son bombeados hacia el interior del REL por bombas de calcio dependientes de ATP (ATPasas) y se liberan en respuesta a señales extracelulares que culminan con la contracción de las fibras musculares.
Retículo Endoplásmico Rugoso (RER)
La superficie externa de la membrana externa (citoplásmica) del RER está tapizada de partículas oscuras, los ribosomas, que constituyen el ámbito físico donde ocurre la síntesis de las proteínas. Los ribosomas se presentan en todos los tipos de células, desde una bacteria hasta las complejas células vegetales y animales. No todas las proteínas se sintetizan en la superficie de las membranas del RER; muchas de ellas se sintetizan en los ribosomas que se encuentran libres en el citoplasma o dentro de los organelos transductores de energía, las mitocondrias y cloroplastos, ya que estos organelos poseen su propio ADN.
son transferidas a otras membranas mediante pequeñas vesículas de transporte (pequeños sacos limitados por membranas) que se separan del RER y luego se insertan en la membrana correspondiente.
Secuencias de Señal y Ribosomas Asociados a Membranas
Aunque los ribosomas pueden encontrarse libres en el citoplasma o estar unidos a la membrana de RER, no hay diferencias aparentes entre partículas de uno y otro sitio. De hecho, es la secuencia naciente de la proteína la que determina si el ribosoma donde se sintetiza debe estar libre o unido a la membrana. Las proteínas secretadas, por ejemplo, contienen una secuencia de aminoácidos, llamada
secuencia de señal o péptido señal, que suele localizarse en la primera parte del polipéptido fabricado por el ribosoma. Si una proteína carece de la secuencia de señal, será sintetizada completamente por los ribosomas libres en el citoplasma.
Por el contrario, si un ARNm codifica a una proteína secretora, también se une al inicio a un ribosoma libre en el citoplasma. La secuencia de señal habitualmente se encuentra en el extremo amino de la cadena polipeptídica, por lo que es lo primero que emerge del ribosoma. Mientras se sintetiza la secuencia de señal el ribosoma permanece en el citosol, pero cuando emerge totalmente del ribosoma es reconocida por un complejo de moléculas llamado partícula de reconocimiento de señal (PRS), la cual se le une y dirige el ribosoma hacia una proteína que se encuentra fija en la membrana del RER (receptor de la PRS) y vecina a uno de los poros que existen en el RER, que se activa cuando el ribosoma se une a la membrana. La PRS está constituida por una molécula de ARN asociada a 6 cadenas polipeptídicas, una
de las cuales contendría un sitio para la unión de la secuencia de señal y otro para la unión con el receptor ubicado en la membrana del RER. Una vez ubicado el ribosoma en el RER se reinicia la síntesis de la cadena polipeptídica, que es empujada a través del poro del RER hacia la cisterna, en donde finalmente será empacada en vesículas de transporte para su modificación y secreción. En algunos casos la secuencia de señal es eliminada de la proteína por una peptidasa de señal (localizada en el interior de la membrana del RER) cuando pasa a través de la membrana del RER; en otros casos contribuye a la formación de la estructura y función de la proteína y permanece intacta.
una porción en la cisterna del RE y otra en el citoplasma. Es el caso de las proteínas que forman parte de la membrana del propio RER.
La mayoría de las proteínas que se sintetizan en el RER son glicosiladas, como consecuencia de la adición de un oligosacárido preformado, compuesto de 2 moléculas de N-acetilglucosamina, 9 manosas y 3 glucosas, que se asocian a la cadena lateral de una de las moléculas de asparagina que forman parte de la proteína que entra al RER. La unión del oligosacárido a la proteína es catalizada por la oligosacariltransferasa, enzima que se encuentra en la cara interna de la membrana del RE (esto explicaría por qué las proteínas citosólicas no son glicosiladas). Durante su estadía terminal en el RER, en la mayoría de las proteínas destinadas a exportarse las 3 glucosas y una manosa son eliminadas. Las proteínas solubles y de membrana sintetizadas en ribosomas asociados al RER, deben dirigirse a diferentes localizaciones intracelulares, que incluyen al propio RE, al complejo de Golgi, a los endosomas y a los lisosomas. Una vez que la proteína llega al orgánulo debe existir en mecanismo que impida su salida. Otro grupo de proteínas está destinada a su incorporación en membranas o a salir hacia el medio extracelular. Cada proteína tiene una etiqueta específica que permite su inclusión en una vesícula de transporte apropiada.. En función de la proteína y su destino, la marca puede ser una secuencia específica de aminoácidos, una cadena lateral oligosacarídica, un dominio hidrófobo u otra particularidad. Recientemente se ha demostrado que los lípidos de membrana también se pueden etiquetar facilitando que las vesículas alcancen los destinos apropiados.
Un aspecto importante de señalar es que las proteínas no salen del RER si no están perfectamente plegadas y ensambladas. Las proteínas que no están en condiciones son degradadas en el propio RER, que funciona así como un órgano de control de calidad. Otro aspecto interesante es que las proteínas residentes del RER llevan una corta señal que las identifica; si son erróneamente empacadas en una vesícula y dirigidas al Golgi, la señal es reconocida y son enviadas de retorno desde el aparato de Golgi al RER, donde son destruidas.
APARATO DE GOLGI: UNA PLANTA PROCESADORA Y EMPACADORA DE PROTEÍNAS
El aparato de Golgi fue descripto por vez primera en 1898 por el microscopista italiano Camillo Golgi, quien descubrió la manera en que podía teñirse específicamente este organelo. En muchas células el aparato de Golgi consta de haces de membrana en forma de platos, que pueden distenderse en ciertas partes y forma vesículas o sacos que se llenan con productos celulares. En algunas células animales el aparato de Golgi se localiza a un lado del núcleo; en otras células vegetales o animales se encuentran
varios aparatos de Golgi, que constan de pilas separadas de membranas dispersas en la célula.
El aparato de Golgi funciona sobre todo como un aparato procesador, modificador y distribuidor de proteínas. Muchas de las proteínas secretadas por las células, así como las que se integran a la membrana plasmática y las que son dirigidas a otros organelos del sistema endomembranoso, pasan a través del aparato de Golgi. Después que estas proteínas son sintetizadas por ribosomas unidos al RER se transportan al aparato de Golgi mediante vesículas de transporte formadas en la membrana del RER. Estas vesículas se fusionan con la membrana del aparato que está más cerca del núcleo (cisterna cis del Golgi); luego las proteínas pasan a través de la o las cisternas medias del organelo (también por medio de vesículas de transporte de membrana) y finalmente salen de la cisterna
trans del Golgi también en vesículas. Las cisternas cis, medias y trans son bioquímica y funcionalmente
Mientras se movilizan a través del aparato de Golgi, las proteínas glicosiladas en el RE se modifican en diversas formas, según las señales complejas que forman parte de la secuencia de aminoácidos de cada cadena polipeptídica.
El tráfico asociado al RE y el complejo de Golgi está representado en el esquema. La clasificación de proteínas comienza en el RE y cara cis de Golgi. La clasificación final del material que debe abandonar el complejo de Golgi tiene lugar en la cara trans, donde lípidos y proteínas se empaquetan selectivamente en diferentes poblaciones de vesículas de transporte, cada una destinada a un lugar diferente de la célula. En algunas células, el complejo de Golgi está también involucrado en el procesamiento de proteínas que entran en la célula por endocitosis. Las vesículas que transportan lípidos y proteínas pueden seguir varias rutas desde el RE y el complejo de Golgi , dando lugar a vesículas de secreción, endosomas y lisosomas. (1) Las proteínas se sintetizan en los ribosomas unidos a la cara citosólica de RER. (2) Las etapas iniciales de la gicosilación tienen lugar en la luz del RE Las vesículas de transición llevan hacia la cara cis de Golgi a los lípidos y proteínas recién sintetizados. (3) Los lípidos y las proteínas se desplazan por el complejo de Golgi gracias a vesículas o cisternas que van madurando. Desde la cara trans de Golgi parten las que serán vesículas de secreción (4) y las que formarán parte de los endosomas (5) en función de su contenido proteico. Las vesículas de secreción se dirigen hacia la membrana plasmática, donde liberan su contenido por exocitosis, bien constitutiva (4a) o como respuesta a una señal (4b). (6) La célula toma por endocitosis proteínas y otros materiales, fabricando así vesículas de endocitosis, que se fusionan con los endosomas tempranos. (7) Los componentes no destinados a la digestión que sigue a la endocitosis, son reciclados hacia la membrana plasmática. (8) Los endosomas tempranos, con el material destinado a la digestión, maduran dando lugar, primero a los endosomas tardíos y luego a los lisosomas. (9) El tráfico retrógrado permite el retorno de proteínas específicas a sus compartimientos correspondientes.
En algunos casos, los carbohidratos y otras moléculas que se agregan a las proteínas se utilizan como señales de distribución, permitiendo al aparato de Golgi dirigir la proteína hacia diferentes partes de la célula. El aparato de Golgi de las células vegetales también produce una gran variedad de polisacáridos
extracelulares utilizados como componentes de la pared celular, a excepción de la celulosa, que en las
LISOSOMAS
En el citoplasma de las células animales se hallan dispersos pequeños sacos conteniendo enzimas digestivas, denominados lisosomas. Las enzimas de estos organelos degradan moléculas complejas, incluyendo lípidos, proteínas, carbohidratos y ácidos nucleicos, originados dentro y fuera de la célula. En los lisosomas se identifican cerca de 40 enzimas diferentes, todas hidrolasas que son activas a pH 5 (proteasas, lipasas, fosfolipasas, glicosidasas, fosfatasas, sulfatasas, nucleasas). Se sintetizan en el RER y son luego modificadas en el aparato de Golgi, en donde se identifican y distribuyen en los lisosomas mediante señales únicas de carbohidratos que se unen a las proteínas. El pH del compartimiento lisosomal es logrado por el bombeo de protones por medio de una ATPasa de la membrana. Las proteínas que integran la membrana lisosomal son altamente glicosiladas, para evitar ser degradadas por las proteasas del lumen. La adición de manosa 6 fosfato etiqueta a las enzimas solubles de los lisosomas.
La mayoría de las enzimas lisosomales son enviadas a un endosoma tardío. Recordemos que los endosomas tempranos están formados por la reunión de vesículas originadas en la cisterna trans de Golgi y en la membrana plasmática. Con el tiempo, el endosoma temprano madura y se transforma en endosoma tardío, orgánulo que contiene una dotación completa e hidrolasas ácidas pero no está realizando ninguna función digestiva. Es por lo tanto, una colección de enzimas digestivas recién sintetizadas así como de sustancias extra e intracelulares, destinadas a la digestión y empaquetadas de manera que la célula quede a salvo de hidrolasas. Conforme maduran a endosomas tardíos, el pH de la luz baja hasta aproximadamente 5.5. Por último el endosoma tardío madura para formar un lisosoma nuevo o libera su contenido a un lisosoma activo.
Existen tres caminos de degradación en los lisosomas: la endocitosis, que de acuerdo al tamaño de las partículas ingeridas puede ser dividida en pinocitosis (vesículas 150 nm) y en
fagocitosis (partículas 250 nm) y la autofagia. La pinocitosis es un proceso regular de la mayoría de las
células: mediante una invaginación de la membrana celular se produce finalmente una pequeña vesícula conteniendo solutos y líquido extracelular, que constituye un endosoma joven. Parte de las moléculas contenidas en este endosoma son recicladas hacia la membrana o el citosol y el resto siguen su ruta, se fusionan con una vesícula proveniente del Golgi que contiene hidrolasas y se forma así un endosoma
La fagocitosis es un proceso menos frecuente y generalmente ocurre en células especializadas, como los macrófagos y neutrófilos (dos tipos de glóbulos blancos sanguíneos). En estos casos el proceso es mediado por receptores, siendo los más conocidos los anticuerpos (proteínas denominadas colectivamente inmunoglobulinas), que se unen a la superficie del organismo infeccioso (por ej. una bacteria) y la recubren, dejando una parte de la molécula libre (la sección Fc). Esta región es reconocida por receptores Fc específicos que se hallan en la superficie de los macrófagos y neutrófilos, que de esta manera inducen la formación de pseudopodios que engloban la bacteria, formando un fagosoma. La fusión de este fagosoma con un endosoma adulto generará un lisosoma.
El tercer tipo de degradación es la autofagia, mecanismo por el cual algunos organelos (por ej. las mitocondrias del hígado, que tienen una vida media de diez días) son envueltos en un trozo de membrana del RE para constituir cuerpos denominados autofagosomas, que luego de fusionarse con un endosoma adulto se convierten en lisosomas.
Si bien no está confirmado, algunas moléculas presentes en el citosol podrían seguir un camino de degradación que no implica su incorporación a vesículas: en este caso ingresarían directamente a los lisosomas o se adherirían a organelos destinados a convertirse en autofagosomas.
Cuando una célula muere, la membrana lisosómica se rompe y libera hacia el citoplasma enzimas digestivas, que degradan a la célula en su conjunto. A este sistema de "autodestrucción" se atribuye el rápido deterioro que sufren muchas células después de la muerte.
Algunas formas de daño tisular, al igual que acontecimientos propios del envejecimiento, se relacionan con la existencia de lisosomas "con fugas". Se cree que la artritis reumatoide se debe, en parte, a la lesión de las células del cartílago provocada por enzimas liberadas de los lisosomas.
Si bien la mayoría de los procesos de digestión en los que intervienen enzimas lisosomales se verifican dentro de la célula, en algunos casos los lisosomas vierten sus enzimas por exocitosis hacia el medio extracelular produciéndose la digestión extracelular, como por ejemplo, durante la fecundación de los oocitos de animales. La cabeza del espermatozoide libera enzimas lisosomales capaces de franquear las barreras de la superficie del óvulo. Ciertas enfermedades inflamatorias como la artritis reumatoide pueden ser consecuencia de la secreción anómala de enzimas lisosomales en las articulaciones por parte de los leucocitos.
PROTEASOMAS
La mayoría de las proteínas que se degradan en el citosol de las células eucarióticas lo hacen a través de grandes complejos de enzimas proteolíticas denominados proteasomas. Un proteasoma consta de un cilindro central formado por proteasas cuyos sitios activos se supone que quedan ubicados hacia el interior de la cámara. Cada extremo del complejo está tapado por otro gran complejo proteico que tiene al menos diez tipos de subunidades proteicas. Estas proteínas son las que están destinadas a unirse a las proteínas condenadas a ser digeridas y que luego las dirigen hacia su destrucción en el interior del cilindro, donde las proteasas degradan a las proteínas hasta péptidos pequeños que luego son liberados y salen por el otro extremo 1.
¿Cómo hacen los proteasomas para conocer cuáles proteínas celulares deben ser degradadas? Las proteasomas actúan únicamente
sobre proteínas que han sido previamente marcadas para su destrucción mediante la unión covalente de una proteína denominada ubiquitina (una pequeña proteína de sólo 76 aminoácidos). Hay un conjunto de enzimas especializadas destinadas a “etiquetar” a las proteínas destinadas a ser destruidas uniéndoles moléculas de ubiquitina (varias unidades) en un proceso denominado “ubiquitinación”, que deja a las víctimas a merced de los proteasomas, mediante el proceso de reconocimiento que efectúan las proteínas de la “tapa” del proteasoma.
Uno puede pensar que este drama intracelular es insignificante (excepto, quizás, para la infortunada proteína). Pero científicos de muchos laboratorios están ahora encontrando que tales “mataderos” moleculares resultan participantes esenciales en los caminos metabólicos que regulan un enorme repertorio de procesos celulares. Una célula típica en el cuerpo cuenta con alrededor de 30.000 proteasomas. Cuando ellos funcionan mal ya sea que se extralimiten engullendo proteínas importantes o fallando en destruir aquellas que están dañadas o impropiamente formadas pueden ocasionar la aparición de enfermedades.
Si bien los proteasomas no forman parte del sistema de endomembranas, su inclusión en este módulo obedece a que desempeñan una función similar a la de los lisosomas, pero limitada exclusivamente a la degradación de las proteínas que la célula ha decidido desechar.
VACUOLAS
Aunque se han identificado lisosomas en la mayor parte de las células animales, su presencia en las células vegetales es motivo de controversia. Muchas de las funciones que realizan los lisosomas en células animales las efectúan, en células de plantas y hongos, grandes sacos limitados por una membrana sencilla, denominados vacuolas. Aunque a veces los términos “vacuola” y “vesícula” suelen usarse como sinónimos, las vacuolas por lo común son estructuras de mayor tamaño, producidas en ocasiones por la fusión de varias vesículas. La biogénesis de las vacuolas es muy parecida a la de los lisosomas.
Más de la mitad del volumen de una célula vegetal la ocupa una gran vacuola central que contiene nutrientes, sales, pigmentos y productos de desecho. Las plantas carecen de un sistema para desalojar los productos de desecho tóxico; tales productos se agregan y forman pequeños cristales dentro
de la vacuola, los cuales hacen que la vacuola parezca casi "vacía" cuando se la observa con el
microscopio electrónico. En las células vegetales la vacuola también sirve de compartimiento para almacenar compuestos inorgánicos y hasta macromoléculas, como las proteínas de reserva en las semillas. En las vacuolas también se almacenan, como mecanismo de defensa, algunos compuestos nocivos para los depredadores. Finalmente, la vacuola puede funcionar como eficiente compartimiento homeostático, regulando por ej. el pH celular: si el pH del citosol tiende a disminuir, se produce un flujo de protones hacia el interior de la vacuola.
Las vacuolas desempeñan otras muchas funciones y de hecho se encuentran en algunas células animales, sobre todo en los protistas unicelulares. Casi todos los protozoarios presentan vacuolas de alimentos o vacuolas digestivas que contienen nutrientes en digestión. También pueden tener vacuolas contráctiles que desalojan el exceso de agua de la célula.
MICROCUERPOS
Los microcuerpos son organelos delimitados por una membrana, pero no derivan del RE por lo tanto no forman parte del sistema de endomembranas.
Contienen una gran variedad de enzimas encargados de diversas reacciones metabólicas: en algunas, como en la degradación de lípidos, se produce peróxido de hidrógeno (H2O2), que es una
sustancia tóxica para la célula.
RH2 + O2 R + H2O2
El peroxisoma, microcuerpo en donde ocurren estas reacciones, contiene una enzima, la
catalasa, que utiliza el peróxido de hidrógeno para oxidar otros sustratos, incluidos fenoles, formaldehido y
alcohol:
Los peroxisomas de las células de hígado y riñón tienen gran importancia en la desintoxicación de algunos compuestos como etanol (componente de las bebidas alcohólicas). Contienen además las enzimas necesarias para la oxidación de ácidos grasos. En levaduras y vegetales, toda la beta oxidación ocurre en los peroxisomas.
Las células vegetales contienen dos tipos principales de microcuerpos. Una variedad de
peroxisoma se encuentra en las hojas e interviene en la fotosíntesis en el proceso denominado
fotorrespiración y el otro tipo de microcuerpo es el llamado glioxisoma. Este contiene enzimas que
convierten los lípidos, almacenados en la semilla de las plantas, en azúcares. Estos azúcares son los que
utilizan las plantas jóvenes como fuente de energía y como un componente para sintetizar otros compuestos. Las células animales carecen de glioxisomas y por tanto no pueden convertir lípidos en azúcares.
BIBLIOGRAFÍA
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CUESTIONARIO
1. Defina qué es un hidrato de carbono y cuáles son sus funciones biológicas.
2. ¿A qué tipo de hidrato de carbono corresponden la Glucosa, la Fructosa, el Gliceraldehído y la Ribosa? 3. Explique por qué los mono y disacáridos son solubles en agua.
4. ¿Qué es un polisacárido? Cite diferentes ejemplos de polisacáridos, indique su función biológica y cuáles son los monómeros que los constituyen
5. ¿Cuál es la diferencia entre las moléculas que constituyen polisacáridos estructurales y las que constituyen polisacáridos de reserva?
6. ¿Por qué es más ventajoso para los organismos vivos que sus carbohidratos de reserva sean almidón o glucógeno en lugar de glucosa libre?
7. ¿Qué tipo de organelos integran el sistema de membranas internas y cuál es el mecanismo de comunicación habitual entre ellas?
8. ¿Qué función cumple la secuencia de señal o péptido señal en una proteína que comienza a ser sintetizada en el citosol?
9. ¿Qué es el aparato de Golgi, cómo está formado y cuáles son sus funciones?
10.¿Cuál es el sentido del recorrido de las vacuolas entre el retículo endoplásmico rugoso y el aparato de Golgi : RER → Golgi ó Golgi→ RER?
11.¿Qué son los lisosomas, cómo se forman y cuál es la función que desempeñan?
