El sistema de endomembranas está compuesto por las diferentes membranas ( endomembranas ) que se encuentran suspendidas en el citoplasma dentro de una célula eucariota . Estas membranas dividen la célula en compartimentos u orgánulos funcionales y estructurales . En eucariotas los orgánulos del sistema endomembranoso incluyen: la membrana nuclear , el retículo endoplásmico , el aparato de Golgi , los lisosomas , las vesículas , los endosomas y la membrana plasmática (celular) entre otros. El sistema se define más exactamente como el conjunto de membranas que forman una única unidad funcional y de desarrollo, ya sea estando conectadas directamente, o intercambiando material mediante transporte de vesículas . [1] Es importante destacar que el sistema de endomembranas no incluye las membranas de los plastidios 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 engloba el contenido del núcleo. [2] El retículo endoplasmático (RE) es un orgánulo de síntesis y transporte que se ramifica hacia el citoplasma en células vegetales y animales. [3] El aparato de Golgi es una serie de múltiples compartimentos 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 células vegetales como animales (aunque mucho más grandes en las células vegetales), son responsables de mantener la forma y estructura de la célula, así como de almacenar productos de desecho. [5] Una vesícula es un saco relativamente pequeño rodeado de membranas 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 relacionado 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 capta la luz. [9] Estas membranas que recogen la luz pueden incluso formar estructuras cerradas llamadas clorosomas en las bacterias verdes del azufre . [10] Otro ejemplo es el complejo sistema "pepina" de las especies de Thiomargarita , especialmente T. magnifica . [11]
Los orgánulos del sistema endomembranoso se relacionan mediante contacto directo o mediante la transferencia de segmentos de membrana en forma de 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 ambos lados o atravesándolas. [12]
La mayoría de los lípidos se sintetizan en la levadura, ya sea en el retículo endoplásmico, las partículas lipídicas o la mitocondria, y se produce poca o ninguna síntesis de lípidos en la membrana plasmática o la membrana nuclear. [13] [14] La biosíntesis de esfingolípidos comienza en el retículo endoplásmico, 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 éter-lípidos , 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 se transportan 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 la 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, con 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 era una alternativa a que las diversas membranas fueran 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 endomembrana continuo no son procesos mutuamente excluyentes y ambos pueden ocurrir en las células. [17]
La envoltura nuclear rodea al núcleo , separando su contenido del citoplasma. Tiene dos membranas, cada una de las cuales es una bicapa lipídica con proteínas asociadas. [21] La membrana nuclear externa se continúa con la membrana rugosa del retículo endoplásmico y, al igual que esa estructura, presenta ribosomas adheridos a la superficie. La membrana externa también es continua con la membrana nuclear interna, ya que las dos capas se fusionan en numerosos orificios 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 atraviesen la membrana, pero otras no. [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 la luz 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 llamado lámina nuclear , que se une a la cromatina , a las proteínas integrales de la membrana y a 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 ADN y ARN polimerasas y otras sustancias esenciales para las actividades nucleares deben importarse desde el citoplasma. La envoltura nuclear de una célula de mamífero típica contiene entre 3.000 y 4.000 complejos de poros. Si la célula sintetiza ADN, cada complejo de poros necesita transportar alrededor de 100 moléculas de histonas por minuto. Si la célula crece rápidamente, cada complejo también necesita transportar alrededor de 6 subunidades ribosómicas grandes y pequeñas recién ensambladas por minuto desde el núcleo al citosol, donde se utilizan para sintetizar proteínas. [23]
El retículo endoplásmico (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 corresponde al 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 muy complicado se llama luz del RE y también se conoce como espacio cisternal del RE . La luz ocupa aproximadamente el diez por ciento del volumen celular total. La membrana del retículo endoplásmico permite que las moléculas se transfieran selectivamente entre la luz y el citoplasma y, dado que está conectada a la envoltura nuclear, proporciona un canal entre el núcleo y el citoplasma. [24]
El RE 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 y lípidos transmembrana de la mayoría de los orgánulos de la célula, incluido el propio RE, el aparato de Golgi, los lisosomas, los endosomas , las mitocondrias , los peroxisomas , las vesículas secretoras y la membrana plasmática. Además, casi todas las proteínas que saldrán de la célula, además de las destinadas a la luz del RE, al aparato de Golgi o a los lisosomas, se entregan originalmente a la luz del RE. En consecuencia, muchas de las proteínas que se encuentran en el espacio cisternal de la luz del retículo endoplásmico están allí sólo temporalmente mientras pasan en su camino hacia otras ubicaciones. Otras proteínas, sin embargo, permanecen constantemente en la luz y se conocen como proteínas residentes en el retículo endoplásmico. Estas proteínas especiales contienen una señal de retención especializada formada por una secuencia específica de aminoácidos que permite que el orgánulo las retenga. Un ejemplo de una importante proteína residente 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 RE participa en la clasificación cotraduccional de proteínas. Un polipéptido que contiene una secuencia señal del ER es reconocido por la partícula de reconocimiento de señales que detiene la producción de la proteína. La SRP transporta la proteína naciente a la membrana del RE, donde se libera a través de un canal de membrana y se reanuda la traducción. [26]
Hay dos regiones distintas, aunque conectadas, del ER que difieren en estructura y función: ER liso y ER rugoso. El retículo endoplásmico rugoso se llama así porque la superficie citoplasmática está cubierta de ribosomas, lo que le da una apariencia abultada cuando se observa a través de un microscopio electrónico . El RE liso parece liso ya que su superficie citoplasmática carece de ribosomas. [27]
En la gran mayoría de las células, las regiones lisas del RE son escasas y a menudo son en parte lisas y en parte rugosas. A veces se les llama RE de transición porque contienen sitios de salida del RE de donde brotan vesículas de transporte que transportan proteínas y lípidos recién sintetizados para su transporte al aparato de Golgi. Sin embargo, en determinadas células especializadas, el RE liso es abundante y tiene funciones adicionales. El RE suave de estas células especializadas funciona en diversos procesos metabólicos, incluida la síntesis de lípidos, el metabolismo de los carbohidratos y la desintoxicación de drogas y venenos. [24] [27]
Las enzimas del RE liso son vitales para la síntesis de lípidos, incluidos aceites , fosfolípidos y esteroides . Las hormonas sexuales de los vertebrados y las hormonas esteroides secretadas por las glándulas suprarrenales se encuentran entre los esteroides producidos por el RE liso en las células animales. Las células que sintetizan estas hormonas son ricas en RE liso. [24] [27]
Las células del hígado son otro ejemplo de células especializadas que contienen una gran cantidad de RE liso. Estas células proporcionan un ejemplo del papel del RE suave en el metabolismo de los carbohidratos. Las células del hígado almacenan carbohidratos en forma de glucógeno . La degradación del glucógeno finalmente conduce a la liberación de glucosa de las células del hígado, que es importante en la regulación de la concentración de azúcar en la sangre. Sin embargo, el principal producto de la degradación del glucógeno es la glucosa-1-fosfato. Esto se convierte en glucosa-6-fosfato y luego una enzima del RE liso de las células del hígado elimina el fosfato de la glucosa, para que luego pueda salir de la célula. [24] [27]
Las enzimas del RE suave también pueden ayudar a desintoxicar drogas y venenos. La desintoxicación generalmente implica la adición de un grupo hidroxilo a un fármaco, lo que hace que el fármaco sea más soluble y, por lo tanto, más fácil de eliminar del cuerpo. Una reacción de desintoxicación ampliamente estudiada la lleva a cabo la familia de enzimas del citocromo P450 , que catalizan reacciones de oxidación en fármacos o metabolitos insolubles en agua que de otro modo se acumularían hasta niveles tóxicos en la membrana celular. [24] [27]
En las células musculares, un RE liso especializado ( retículo sarcoplásmico ) forma un compartimento membranoso (espacio cisternal) hacia el que se bombean iones de calcio . Cuando una célula muscular es estimulada por un impulso nervioso, el calcio regresa a través de esta membrana hacia el citosol y genera la contracción de la célula muscular. [24] [27]
Muchos tipos de células exportan proteínas producidas por ribosomas adheridos al RE rugoso. Los ribosomas ensamblan aminoácidos en unidades proteicas, que se transportan al RE rugoso para realizar más ajustes. Estas proteínas pueden ser proteínas transmembrana , que quedan incrustadas en la membrana del retículo endoplásmico, o proteínas solubles en agua, que pueden atravesar la membrana hacia la luz. Los que llegan al interior del retículo endoplásmico se pliegan en la conformación tridimensional correcta. Se agregan productos químicos, como carbohidratos o azúcares, luego el retículo endoplásmico transporta las proteínas completas, llamadas proteínas secretoras, a áreas de la célula donde son necesarias, o se envían al aparato de Golgi para su posterior procesamiento y modificación. [24] [27]
Una vez que se forman las proteínas secretoras, la membrana del RE las separa de las proteínas que permanecerán en el citosol. Las proteínas secretoras parten 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 estrecha y establemente con las membranas de otros orgánulos, como la membrana plasmática. , Golgi o lisosomas. [28]
Además de producir proteínas secretoras, el RE 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 RE y se mantienen allí mediante sus porciones hidrófobas . El RE rugoso también produce sus propios fosfolípidos de membrana; Las enzimas integradas en la membrana del RE ensamblan fosfolípidos. La membrana del RE se expande y puede transferirse mediante 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 según la función específica de la célula. La célula utiliza el aparato de Golgi para realizar modificaciones adicionales en 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, de aquí es por donde salen los compuestos modificados. La cara trans suele estar orientada hacia la membrana plasmática, que es hacia donde se envían la mayoría de las sustancias que modifica el aparato de Golgi. [29]
Las vesículas enviadas por el RE 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 célula. A las proteínas les pueden suceder varias cosas en 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 los monómeros de azúcar, produciendo una gran variedad de oligosacáridos . Además de modificar proteínas, el Golgi también fabrica macromoléculas. En las células vegetales, el Golgi produce pectinas y otros polisacáridos necesarios para la estructura vegetal. [30]
Una vez finalizado el proceso de modificación, el aparato de Golgi clasifica los productos de su procesamiento y los envía a diversas partes de la célula. Las enzimas de Golgi agregan etiquetas o etiquetas de identificación molecular para ayudar con esto. Una vez que todo está organizado, el aparato de Golgi expulsa sus productos mediante la formación de vesículas en 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 operaciones de las vacuolas son diferentes para las vacuolas vegetales y 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 de los nutrientes y 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 desciende, los iones H + que ingresan al citosol pueden transferirse a una vacuola para mantener constante el pH del citosol. [33]
En los animales, las vacuolas intervienen en los procesos de exocitosis y endocitosis . La endocitosis se refiere al momento en que las sustancias ingresan a la célula, mientras que en el caso de la exocitosis, las sustancias se mueven desde la célula al espacio extracelular. El material que se va a ingerir está rodeado por la membrana plasmática y luego transferido a una vacuola. Hay dos tipos de endocitosis, fagocitosis (comer células) y pinocitosis (beber células). En la fagocitosis, las células fagocitan partículas grandes, como las 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 rodeadas de membranas que pueden transferir moléculas entre diferentes compartimentos. La mayoría de las vesículas transfieren las membranas ensambladas en el retículo endoplásmico al aparato de Golgi y luego desde el aparato de Golgi a varios lugares. [35]
Hay varios tipos de vesículas, cada una con una configuración proteica diferente. La mayoría se forman a partir de regiones específicas de 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 hacia la membrana. Una vez que la vesícula encuentra la membrana, se fusionan. [36]
Hay tres tipos bien conocidos de vesículas. Son vesículas recubiertas de clatrina , recubiertas de COPI y recubiertas de COPII . Cada uno realiza diferentes funciones en la célula. Por ejemplo, las vesículas recubiertas de clatrina transportan sustancias entre el aparato de Golgi y la membrana plasmática. Las vesículas 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 funciones principales 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 ambiente ácido para un rendimiento óptimo. Los lisosomas proporcionan ese 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 fageína , comer y kytos , vaso, refiriéndose aquí a la célula), fusionándose con una vacuola y liberando 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 envuelve 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 mediante autólisis . [38]
El spitzenkörper es un componente del sistema de endomembrana que se encuentra sólo en los hongos y está asociado con el crecimiento de la punta de las hifas . Es un cuerpo en fase oscura que está compuesto por un agregado de vesículas unidas a membranas que contienen componentes de la pared celular, que sirven 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 las hifas 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 ni rígida, las moléculas que componen la membrana son capaces de realizar movimientos laterales. Este movimiento y los múltiples componentes de la membrana son la razón por la que se le conoce como mosaico fluido. Las moléculas más pequeñas, como el dióxido de carbono, el agua y el oxígeno, pueden atravesar la membrana plasmática libremente por difusión u ósmosis . Las moléculas más grandes que necesita la célula son asistidas por proteínas mediante transporte activo . [39]
La membrana plasmática de una célula tiene múltiples funciones. Estos incluyen transportar nutrientes al interior de la célula, permitir que salgan los desechos, evitar que los materiales entren en la célula, evitar que los 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 para intercambiar metabolitos y formar tejidos. Otras proteínas de la membrana plasmática permiten la unión al citoesqueleto y la matriz extracelular ; una función que mantiene la forma celular y fija la ubicación de las proteínas de la membrana. En la membrana plasmática también se encuentran enzimas que catalizan reacciones. Las proteínas receptoras de la membrana tienen una forma que coincide con la de un mensajero químico, lo que da lugar a diversas respuestas celulares. [40]
El origen del sistema endomembranoso está ligado 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 de endomembranas (revisado en [41] ). El concepto más reciente sugiere que el sistema de endomembrana evolucionó a partir de vesículas de la membrana externa que secretaba la mitocondria endosimbiótica y quedó encerrada dentro de los pliegues del procariota huésped (a su vez, como resultado de la ingestión del endosimbionte). [42] Este modelo basado en OMV (vesículas de membrana externa) para el origen del sistema de endomembrana es actualmente el que requiere menos invenciones novedosas en el origen eucariota y explica las numerosas conexiones de las mitocondrias con otros compartimentos de la célula. [43] Actualmente, esta hipótesis "de adentro hacia afuera" (que afirma que las alfaproteobacterias , las mitocondrias ancestrales, fueron engullidas por las ampollas de un asgardarqueón , y luego las ampollas se fusionaron dejando pliegues que eventualmente se convertirían en el sistema de endomembranas) se favorece más. que el de afuera hacia adentro (lo que sugirió que el sistema de endomembrana surgió debido a pliegues dentro de la membrana arqueal).