El sistema endomembrana está compuesto por las diferentes membranas ( endomembranas ) que están suspendidas en el citoplasma dentro de una célula eucariota . Estas membranas dividen la célula en compartimentos funcionales y estructurales, u orgánulos . En eucariotas, los orgánulos del sistema endomembrana incluyen: la membrana nuclear , el retículo endoplasmático , el aparato de Golgi , los lisosomas , las vesículas , los endosomas y la membrana plasmática (celular) , entre otros. El sistema se define con mayor precisión como el conjunto de membranas que forman una sola unidad funcional y de desarrollo, ya sea estando conectadas directamente o intercambiando material a través del transporte de vesículas . [1] Es importante destacar que el sistema endomembrana no incluye las membranas de los plástidos o las mitocondrias , pero podría haber evolucionado parcialmente a partir de las acciones de estas últimas (ver más abajo).
La membrana nuclear contiene una bicapa lipídica que abarca el contenido del núcleo. [2] El retículo endoplasmático (RE) es un orgánulo de síntesis y transporte que se ramifica en el citoplasma en las células vegetales y animales. [3] El aparato de Golgi es una serie de compartimentos múltiples donde se empaquetan las moléculas para su entrega a otros componentes celulares o para su secreción desde la célula. [4] Las vacuolas , que se encuentran tanto en las células vegetales como en las animales (aunque mucho más grandes en las células vegetales), son responsables de mantener la forma y la estructura de la célula, así como de almacenar los productos de desecho. [5] Una vesícula es un saco relativamente pequeño, encerrado en una membrana, que almacena o transporta sustancias. [6] La membrana celular es una barrera protectora que regula lo que entra y sale de la célula. [7] También hay un orgánulo conocido como Spitzenkörper que solo se encuentra en los hongos y está conectado con el crecimiento de la punta de las hifas . [8]
En los procariotas las endomembranas son raras, aunque en muchas bacterias fotosintéticas la membrana plasmática está muy plegada y la mayor parte del citoplasma celular está lleno de capas de membrana que recogen luz. [9] Estas membranas que recogen luz pueden incluso formar estructuras cerradas llamadas clorosomas en las bacterias verdes del azufre . [10] Otro ejemplo es el complejo sistema "pepin" de las especies de Thiomargarita , especialmente T. magnifica . [11]
Los orgánulos del sistema endomembranoso están relacionados a través del contacto directo o por la transferencia de segmentos de membrana como vesículas. A pesar de estas relaciones, las distintas membranas no son idénticas en estructura y función. El espesor, la composición molecular y el comportamiento metabólico de una membrana no son fijos, pueden modificarse varias veces durante la vida de la membrana. Una característica unificadora que comparten las membranas es una bicapa lipídica, con proteínas unidas a cada lado o atravesándolas. [12]
La mayoría de los lípidos se sintetizan en levaduras en el retículo endoplasmático, las partículas lipídicas o la mitocondria, y la síntesis de lípidos en la membrana plasmática o nuclear es escasa o nula. [13] [14] La biosíntesis de esfingolípidos comienza en el retículo endoplasmático, pero se completa en el aparato de Golgi. [15] La situación es similar en los mamíferos, con la excepción de los primeros pasos en la biosíntesis de lípidos de éter , que ocurren en los peroxisomas. [16] Por lo tanto, las diversas membranas que encierran los otros orgánulos subcelulares deben construirse mediante la transferencia de lípidos desde estos sitios de síntesis. [17] Sin embargo, aunque está claro que el transporte de lípidos es un proceso central en la biogénesis de los orgánulos, los mecanismos por los cuales los lípidos son transportados a través de las células siguen siendo poco conocidos. [18]
La primera propuesta de que las membranas dentro de las células forman un sistema único que intercambia material entre sus componentes fue de Morré y Mollenhauer en 1974. [19] Esta propuesta se hizo como una forma de explicar cómo se ensamblan las diversas membranas lipídicas en la célula, y estas membranas se ensamblan a través del flujo de lípidos desde los sitios de síntesis de lípidos. [20] La idea del flujo de lípidos a través de un sistema continuo de membranas y vesículas fue una alternativa a las diversas membranas como entidades independientes que se forman a partir del transporte de componentes lipídicos libres, como ácidos grasos y esteroles , a través del citosol. Es importante destacar que el transporte de lípidos a través del citosol y el flujo de lípidos a través de un sistema de endomembranas continuo no son procesos mutuamente excluyentes y ambos pueden ocurrir en las células. [17]
La envoltura nuclear rodea el núcleo , separando su contenido del citoplasma. Tiene dos membranas, cada una una bicapa lipídica con proteínas asociadas. [21] La membrana nuclear externa es continua con la membrana del retículo endoplasmático rugoso y, al igual que esa estructura, presenta ribosomas unidos a la superficie. La membrana externa también es continua con la membrana nuclear interna ya que las dos capas están fusionadas entre sí en numerosos agujeros diminutos llamados poros nucleares que perforan la envoltura nuclear. Estos poros tienen aproximadamente 120 nm de diámetro y regulan el paso de moléculas entre el núcleo y el citoplasma, permitiendo que algunas pasen a través de la membrana, pero no otras. [22] Dado que los poros nucleares están ubicados en un área de alto tráfico, juegan un papel importante en la fisiología celular . El espacio entre las membranas externa e interna se llama espacio perinuclear y está unido con el lumen del RE rugoso.
La estructura de la envoltura nuclear está determinada por una red de filamentos intermedios (filamentos proteicos). Esta red está organizada en un revestimiento similar a una malla llamada lámina nuclear , que se une a la cromatina , las proteínas integrales de membrana y otros componentes nucleares a lo largo de la superficie interna del núcleo. Se cree que la lámina nuclear ayuda a que los materiales dentro del núcleo lleguen a los poros nucleares y en la desintegración de la envoltura nuclear durante la mitosis y su reensamblaje al final del proceso. [2]
Los poros nucleares son muy eficientes para permitir selectivamente el paso de materiales hacia y desde el núcleo, porque la envoltura nuclear tiene una cantidad considerable de tráfico. El ARN y las subunidades ribosómicas deben transferirse continuamente desde el núcleo al citoplasma. Las histonas , las proteínas reguladoras de genes, las polimerasas de ADN y ARN y otras sustancias esenciales para las actividades nucleares deben importarse desde el citoplasma. La envoltura nuclear de una célula de mamífero típica contiene entre 3000 y 4000 complejos de poros. Si la célula está sintetizando ADN, cada complejo de poros necesita transportar alrededor de 100 moléculas de histonas por minuto. Si la célula está creciendo rápidamente, cada complejo también necesita transportar alrededor de 6 subunidades ribosómicas grandes y pequeñas recién ensambladas por minuto desde el núcleo hasta el citosol, donde se utilizan para sintetizar proteínas. [23]
El retículo endoplasmático (RE) es un orgánulo membranoso de síntesis y transporte que es una extensión de la envoltura nuclear. Más de la mitad de la membrana total de las células eucariotas está formada por el RE. El RE está formado por sacos aplanados y túbulos ramificados que se cree que están interconectados, de modo que la membrana del RE forma una lámina continua que encierra un único espacio interno. Este espacio altamente contorneado se denomina lumen del RE y también se lo conoce como espacio cisternal del RE . El lumen ocupa aproximadamente el diez por ciento del volumen total de la célula. La membrana del retículo endoplasmático permite que las moléculas se transfieran selectivamente entre el lumen y el citoplasma y, dado que está conectada a la envoltura nuclear, proporciona un canal entre el núcleo y el citoplasma. [24]
El retículo endoplásmico tiene un papel central en la producción, procesamiento y transporte de compuestos bioquímicos para su uso dentro y fuera de la célula. Su membrana es el sitio de producción de todas las proteínas transmembrana y lípidos para muchos de los orgánulos de la célula, incluido el propio retículo endoplásmico, el aparato de Golgi, los lisosomas, los endosomas , las vesículas secretoras y la membrana plasmática. Además, casi todas las proteínas que saldrán de la célula, más las destinadas al lumen del retículo endoplásmico, el aparato de Golgi o los lisosomas, se entregan originalmente al lumen del retículo endoplásmico. En consecuencia, muchas de las proteínas que se encuentran en el espacio cisternal del lumen del retículo endoplásmico están allí solo temporalmente mientras pasan a otras ubicaciones. Otras proteínas, sin embargo, permanecen constantemente en el lumen y se conocen como proteínas residentes del retículo endoplásmico. Estas proteínas especiales contienen una señal de retención especializada formada por una secuencia específica de aminoácidos que les permite ser retenidas por el orgánulo. Un ejemplo de una proteína residente importante del retículo endoplásmico es la proteína chaperona conocida como BiP , que identifica otras proteínas que se han construido o procesado incorrectamente y evita que se envíen a sus destinos finales. [25]
El retículo endoplasmático participa en la clasificación cotraduccional de proteínas. Un polipéptido que contiene una secuencia señal del retículo endoplasmático es reconocido por la partícula de reconocimiento de señales , lo que detiene la producción de la proteína. La SRP transporta la proteína naciente a la membrana del retículo endoplasmático, donde se libera a través de un canal de membrana y se reanuda la traducción. [26]
Existen dos regiones del retículo endoplásmico (RE) distintas, aunque conectadas, que difieren en su estructura y función: el RE liso y el RE rugoso. El retículo endoplásmico rugoso recibe ese nombre porque su superficie citoplasmática está cubierta de ribosomas, lo que le da un aspecto irregular cuando se observa a través de un microscopio electrónico . El RE liso parece liso porque su superficie citoplasmática carece de ribosomas. [27]
En la gran mayoría de las células, las regiones lisas del retículo endoplásmico son escasas y, a menudo, son en parte lisas y en parte rugosas. A veces se las llama retículo endoplásmico de transición porque contienen sitios de salida del retículo endoplásmico desde los cuales se desprenden vesículas de transporte que llevan proteínas y lípidos recién sintetizados para su transporte al aparato de Golgi. Sin embargo, en ciertas células especializadas, el retículo endoplásmico liso es abundante y tiene funciones adicionales. El retículo endoplásmico liso de estas células especializadas funciona en diversos procesos metabólicos, incluida la síntesis de lípidos, el metabolismo de carbohidratos y la desintoxicación de fármacos y venenos. [24] [27]
Las enzimas del retículo endoplasmático liso son vitales para la síntesis de lípidos, incluidos los aceites , los fosfolípidos y los esteroides . Las hormonas sexuales de los vertebrados y las hormonas esteroides secretadas por las glándulas suprarrenales se encuentran entre los esteroides producidos por el retículo endoplasmático liso en las células animales. Las células que sintetizan estas hormonas son ricas en retículo endoplasmático liso. [24] [27]
Las células hepáticas son otro ejemplo de células especializadas que contienen una gran cantidad de retículo endoplásmico liso. Estas células proporcionan un ejemplo del papel del retículo endoplásmico liso en el metabolismo de los carbohidratos. Las células hepáticas almacenan carbohidratos en forma de glucógeno . La descomposición del glucógeno finalmente conduce a la liberación de glucosa de las células hepáticas, lo que es importante en la regulación de la concentración de azúcar en la sangre. Sin embargo, el producto principal de la descomposición del glucógeno es la glucosa-1-fosfato. Esta se convierte en glucosa-6-fosfato y luego una enzima del retículo endoplásmico liso de la célula hepática elimina el fosfato de la glucosa, de modo que pueda salir de la célula. [24] [27]
Las enzimas del retículo endoplasmático liso también pueden ayudar a desintoxicar fármacos y venenos. La desintoxicación suele implicar la adición de un grupo hidroxilo a un fármaco, lo que lo hace más soluble y, por lo tanto, más fácil de eliminar del cuerpo. Una reacción de desintoxicación ampliamente estudiada es la que lleva a cabo la familia de enzimas del citocromo P450 , que catalizan reacciones de oxidación de fármacos o metabolitos insolubles en agua que, de lo contrario, se acumularían hasta alcanzar niveles tóxicos en la membrana celular. [24] [27]
En las células musculares, un retículo endoplasmático liso especializado ( retículo sarcoplásmico ) forma un compartimento membranoso (espacio cisternal) al que se bombean iones de calcio . Cuando una célula muscular es estimulada por un impulso nervioso, el calcio vuelve a atravesar esta membrana hacia el citosol y genera la contracción de la célula muscular. [24] [27]
Muchos tipos de células exportan proteínas producidas por los ribosomas unidos al retículo endoplásmico rugoso. Los ribosomas ensamblan aminoácidos en unidades proteicas, que se transportan al retículo endoplásmico rugoso para realizar ajustes adicionales. Estas proteínas pueden ser proteínas transmembrana , que se incrustan en la membrana del retículo endoplásmico, o proteínas solubles en agua, que pueden atravesar la membrana hacia el lumen. Las que llegan al interior del retículo endoplásmico se pliegan en la conformación tridimensional correcta. Se añaden sustancias químicas, como carbohidratos o azúcares, y luego el retículo endoplásmico transporta las proteínas completadas, llamadas proteínas secretoras, a las áreas de la célula donde se necesitan, o se envían al aparato de Golgi para su posterior procesamiento y modificación. [24] [27]
Una vez formadas las proteínas secretoras, la membrana del RE las separa de las proteínas que permanecerán en el citosol. Las proteínas secretoras salen del RE envueltas en las membranas de vesículas que brotan como burbujas del RE de transición. Estas vesículas en tránsito hacia otra parte de la célula se denominan vesículas de transporte . [24] [27] Un mecanismo alternativo para el transporte de lípidos y proteínas fuera del RE es a través de proteínas de transferencia de lípidos en regiones llamadas sitios de contacto de membrana donde el RE se asocia de manera estrecha y estable con las membranas de otros orgánulos, como la membrana plasmática, el Golgi o los lisosomas. [28]
Además de producir proteínas secretoras, el retículo endoplasmático rugoso produce membranas que crecen en su lugar a partir de la adición de proteínas y fosfolípidos. A medida que los polipéptidos destinados a ser proteínas de membrana crecen a partir de los ribosomas, se insertan en la propia membrana del retículo endoplasmático y se mantienen allí por sus porciones hidrofóbicas . El retículo endoplasmático rugoso también produce sus propios fosfolípidos de membrana; las enzimas incorporadas en la membrana del retículo endoplasmático ensamblan los fosfolípidos. La membrana del retículo endoplasmático se expande y puede ser transferida por vesículas de transporte a otros componentes del sistema de endomembranas. [24] [27]
El aparato de Golgi (también conocido como cuerpo de Golgi y complejo de Golgi) está compuesto por sacos separados llamados cisternas . Su forma es similar a una pila de panqueques. El número de estas pilas varía con la función específica de la célula. El aparato de Golgi es utilizado por la célula para una mayor modificación de las proteínas. La sección del aparato de Golgi que recibe las vesículas del RE se conoce como cara cis, y suele estar cerca del RE. El extremo opuesto del aparato de Golgi se llama cara trans, aquí es por donde salen los compuestos modificados. La cara trans suele estar orientada hacia la membrana plasmática, que es donde se envían la mayoría de las sustancias que modifica el aparato de Golgi. [29]
Las vesículas que el RE envía y que contienen proteínas se modifican aún más en el aparato de Golgi y luego se preparan para su secreción desde la célula o su transporte a otras partes de la misma. A las proteínas les pueden pasar varias cosas durante su viaje a través del espacio cubierto de enzimas del aparato de Golgi. La modificación y síntesis de las porciones de carbohidratos de las glicoproteínas es común en el procesamiento de proteínas. El aparato de Golgi elimina y sustituye monómeros de azúcar, produciendo una gran variedad de oligosacáridos . Además de modificar proteínas, el Golgi también fabrica macromoléculas por sí mismo. En las células vegetales, el Golgi produce pectinas y otros polisacáridos necesarios para la estructura de la planta. [30]
Una vez completado el proceso de modificación, el aparato de Golgi clasifica los productos de su procesamiento y los envía a varias partes de la célula. Las enzimas de Golgi añaden etiquetas o tags de identificación molecular para ayudar con esto. Una vez que todo está organizado, el aparato de Golgi envía sus productos mediante vesículas que brotan de su cara trans. [31]
Las vacuolas , al igual que las vesículas, son sacos rodeados de membranas dentro de la célula. Son más grandes que las vesículas y su función específica varía. Las funciones de las vacuolas son diferentes en las plantas y en los animales.
En las células vegetales, las vacuolas cubren entre el 30% y el 90% del volumen celular total. [32] La mayoría de las células vegetales maduras contienen una gran vacuola central rodeada por una membrana llamada tonoplasto. Las vacuolas de las células vegetales actúan como compartimentos de almacenamiento para los nutrientes y los desechos de una célula. La solución en la que se almacenan estas moléculas se llama savia celular . Los pigmentos que colorean la célula a veces se encuentran en la savia celular. Las vacuolas también pueden aumentar el tamaño de la célula, que se alarga a medida que se agrega agua, y controlan la presión de turgencia (la presión osmótica que evita que la pared celular se derrumbe). Al igual que los lisosomas de las células animales, las vacuolas tienen un pH ácido y contienen enzimas hidrolíticas. El pH de las vacuolas les permite realizar procedimientos homeostáticos en la célula. Por ejemplo, cuando el pH en el entorno de las células disminuye, los iones H + que surgen en el citosol pueden transferirse a una vacuola para mantener constante el pH del citosol. [33]
En los animales, las vacuolas participan en los procesos de exocitosis y endocitosis . La endocitosis se refiere a la ingestión de sustancias en la célula, mientras que en la exocitosis las sustancias se trasladan desde la célula al espacio extracelular. El material que se va a ingerir se rodea por la membrana plasmática y luego se transfiere a una vacuola. Existen dos tipos de endocitosis: la fagocitosis (comer la célula) y la pinocitosis (beber la célula). En la fagocitosis, las células engullen partículas grandes, como bacterias. La pinocitosis es el mismo proceso, excepto que las sustancias que se ingieren están en forma líquida. [34]
Las vesículas son pequeñas unidades de transporte encerradas en una membrana que pueden transferir moléculas entre diferentes compartimentos. La mayoría de las vesículas transfieren las membranas ensambladas en el retículo endoplasmático al aparato de Golgi, y luego desde el aparato de Golgi a varias ubicaciones. [35]
Existen varios tipos de vesículas, cada una con una configuración proteica diferente. La mayoría se forman a partir de regiones específicas de las membranas. Cuando una vesícula se desprende de una membrana, contiene proteínas específicas en su superficie citosólica. Cada membrana a la que viaja una vesícula contiene un marcador en su superficie citosólica. Este marcador se corresponde con las proteínas de la vesícula que viajan a la membrana. Una vez que la vesícula encuentra la membrana, se fusionan. [36]
Existen tres tipos de vesículas bien conocidas: las recubiertas de clatrina , las recubiertas de COPI y las recubiertas de COPII . Cada una de ellas realiza funciones diferentes en la célula. Por ejemplo, las recubiertas de clatrina transportan sustancias entre el aparato de Golgi y la membrana plasmática. Las recubiertas de COPI y COPII se utilizan con frecuencia para el transporte entre el RE y el aparato de Golgi. [36]
Los lisosomas son orgánulos que contienen enzimas hidrolíticas que se utilizan para la digestión intracelular. Las principales funciones de un lisosoma son procesar las moléculas absorbidas por la célula y reciclar las partes desgastadas de la célula. Las enzimas dentro de los lisosomas son hidrolasas ácidas que requieren un entorno ácido para un rendimiento óptimo. Los lisosomas proporcionan dicho entorno manteniendo un pH de 5,0 dentro del orgánulo. [37] Si un lisosoma se rompiera, las enzimas liberadas no serían muy activas debido al pH neutro del citosol. Sin embargo, si se filtraran numerosos lisosomas, la célula podría destruirse por autodigestión.
Los lisosomas llevan a cabo la digestión intracelular, en un proceso llamado fagocitosis (del griego phagein , comer y kytos , vaso, refiriéndose aquí a la célula), al fusionarse con una vacuola y liberar sus enzimas en la vacuola. A través de este proceso, los azúcares, aminoácidos y otros monómeros pasan al citosol y se convierten en nutrientes para la célula. Los lisosomas también utilizan sus enzimas hidrolíticas para reciclar los orgánulos obsoletos de la célula en un proceso llamado autofagia . El lisosoma engulle otro orgánulo y utiliza sus enzimas para descomponer el material ingerido. Los monómeros orgánicos resultantes luego se devuelven al citosol para su reutilización. La última función de un lisosoma es digerir la propia célula a través de la autólisis . [38]
El spitzenkörper es un componente del sistema de endomembranas que se encuentra solo en hongos y está asociado con el crecimiento de la punta de la hifa . Es un cuerpo oscuro en fase que está compuesto por una agregación de vesículas unidas a la membrana que contienen componentes de la pared celular, y que sirve como punto de ensamblaje y liberación de dichos componentes intermedio entre el Golgi y la membrana celular. El spitzenkörper es móvil y genera un nuevo crecimiento de la punta de la hifa a medida que avanza. [8]
La membrana plasmática es una membrana bicapa de fosfolípidos que separa la célula de su entorno y regula el transporte de moléculas y señales dentro y fuera de la célula. Incrustadas en la membrana hay proteínas que realizan las funciones de la membrana plasmática. La membrana plasmática no es una estructura fija o rígida, las moléculas que componen la membrana son capaces de movimiento lateral. Este movimiento y los múltiples componentes de la membrana son la razón por la que se la conoce como un mosaico fluido. Las moléculas más pequeñas, como el dióxido de carbono, el agua y el oxígeno, pueden pasar a través de la membrana plasmática libremente por difusión u ósmosis . Las moléculas más grandes que necesita la célula son asistidas por proteínas a través del transporte activo . [39]
La membrana plasmática de una célula tiene múltiples funciones, entre ellas transportar nutrientes a la célula, permitir la salida de desechos, impedir que materiales entren en la célula, evitar que materiales necesarios salgan de la célula, mantener el pH del citosol y preservar la presión osmótica del citosol. Para estas funciones se utilizan proteínas de transporte que permiten el paso de algunos materiales pero no de otros. Estas proteínas utilizan la hidrólisis de ATP para bombear materiales en contra de sus gradientes de concentración. [39]
Además de estas funciones universales, la membrana plasmática tiene un papel más específico en los organismos multicelulares. Las glicoproteínas de la membrana ayudan a la célula a reconocer otras células, con el fin de intercambiar metabolitos y formar tejidos. Otras proteínas de la membrana plasmática permiten la unión al citoesqueleto y a la matriz extracelular ; una función que mantiene la forma celular y fija la ubicación de las proteínas de membrana. Las enzimas que catalizan reacciones también se encuentran en la membrana plasmática. Las proteínas receptoras de la membrana tienen una forma que coincide con un mensajero químico, lo que da lugar a diversas respuestas celulares. [40]
El origen del sistema endomembrana está vinculado al origen de los propios eucariotas y el origen de los eucariotas al origen endosimbiótico de las mitocondrias . Se han propuesto muchos modelos para explicar el origen del sistema endomembrana (revisados en [41] ). El concepto más reciente sugiere que el sistema endomembrana evolucionó a partir de vesículas de membrana externa secretadas por la mitocondria endosimbiótica y quedó encerrado dentro de pliegues del procariota huésped (a su vez, un resultado de la ingestión del endosimbionte). [42] Este modelo basado en OMV (vesículas de membrana externa) para el origen del sistema endomembrana es actualmente el que requiere menos invenciones novedosas en el origen eucariota y explica las muchas conexiones de las mitocondrias con otros compartimentos de la célula. [43] Actualmente, esta hipótesis "de adentro hacia afuera" (que establece que las alfaproteobacterias , las mitocondrias ancestrales, fueron engullidas por las ampollas de un asgardarchaeon , y luego las ampollas se fusionaron dejando pliegues que eventualmente se convertirían en el sistema de endomembranas) es más favorecida que la de afuera hacia adentro (que sugiere que el sistema de endomembranas surgió debido a pliegues dentro de la membrana arqueal).