Nivel Celular de Organización

EL NIVEL CELULAR DE ORGANIZACION

La célula es la unidad básica funcional y estructural mas pequeña de los organismos vivos. Se compone de partes características, cuyo trabajo esta coordinado de tal manera que cada tipo de célula lleva a cabo una función estructural o bioquímica única. Las células realizan numerosas reacciones químicas para dar origen al proceso vital que se lleva a cabo de manera compartímentalizada; es decir, estructuras especializadas dentro de la célula efectúan reacciones químicas aisladas, las cuales están coordinadas unas con otras para mantener con vida tanto la célula como los tejidos, los órganos, los sistemas y todo el organismo.

En términos muy generales, las células efectúan diversas funciones básicas. Por ejemplo, regulan el flujo de entrada (influjo) y de salida de los materiales a fin de asegurar las condiciones optimas para el proceso vital prevaleciente dentro de ellas. Asimismo, utilizan su información genética (ADN) para guiar la síntesis de la mayoría de sus componentes y dirigir gran parte de sus actividades químicas. Entre esas actividades esta la generación de ATP, por el desdoblamiento de los nutrientes, la síntesis molecular, la transportación de las moléculas dentro y entre las células, la remoción de los desechos y el movimiento parcial o incluso de toda la célula.

Para facilitar el estudio es posible dividir las células en tres partes principales: membrana plasmática, citoplasma y núcleo.

• La membrana plasmática conforma la superficie externa de la célula, que separa su ambiente interno del externo. Constituye una barrera selectiva que organiza el flujo de materiales que entran y salen de la célula a fin de establecer y mantener un ambiente apropiado para las actividades que lleva a cabo. La membrana plasmática también desempeña una funcion clave en la comunicación entre las diferentes celulas, asi como entre estas y su ambiente externo.

• El citoplasma comprende todo el contenido celular entre la membrana plasmatica y el nucleo. Este compartimiento se puede dividir en dos componentes: citosol y organelos.

El citosol consiste en la porcion liquida del citoplasma que esta formada principalmente por agua con particulas disueltas y suspendidas.

Los organelos son estructuras celulares altamente organizadas, cada una de las cuales tiene forma y funcion especificas. Entre los ejemplos podemos citar citoesqueleto, ribosomas, reticulo endoplasmico, complejo de Golgi, lisosomas, peroxisoma y mitocondria.

• El nucleo, si bien desde el punto de vista tecnico es un or-ganelo, se estudia aparte en virtud de sus numerosas y diversas funciones. En su interior se encuentran los genes, que controlan la estructura de la celula y la mayoria de las actividades que realiza.

LA MEMBRANA PLASMÁTICA

La membrana plasmática constituye una barrera flexible y fuerte que envuelve y contiene el citoplasma o matriz de la célula. El modelo de mosaico del liquido describe su estructura. La disposición molecular de la membrana es similar a un mar de lipidos en movimiento constante, que contiene muchas proteínas diferentes, las cuales pueden flotar libremente como icebergs, estar ancladas en ubicaciones especificas o moverse a traves del mar de lipidos. Estos actúan como barreras que permiten la entrada o salida de sustancias polares, mientras que algunas proteínas de la membrana plasmática funcionan como "porteros" de la célula que regulan el trafico hacia dentro y hacia afuera de los iones y las moleculas polarizadas. La membrana plasmatica de las celulas tipicas del cuerpo esta compuesta por una mezcla aproximada de proteinas y lipidos en igual proporción, los cuales se mantienen juntos gracias a fuerzas no covalentes, como los enlaces de hidrogeno. Sin embargo, dado que las proteínas de la membrana son mas grandes y voluminosas que los lipidos, hay aproximadamente 50 moleculas de estos por cada proteina.

 La bicapa Lipidica

El marco estructural basico de la membrana plasmatica es la bicapa de lipidos (o lipidica), dos capas confrontadas que estan constituidas por tres tipos de moleculas de lipidos (fosfolipidos, colesterol y glucolipidos). Los fosfolipidos, que contienen grupos o radicales fosfato, integran 75% de la membrana. En cantidades mas pequeñas se halla el colesterol, un esteroide al que esta unido un radical OH (alcohol), asi como diversos glucolipidos enlazados a grupos de hidratos de carbono (azucares).

La disposición de la bicapa se mantiene porque los lipidos son moléculas anfipaticas, es decir, tienen partes de caracter polar y apolar. En los fosfolipidos la parte polar corresponde al fosfato, que es hidrofilo. Las partes no polares son dos caudas largas de acido graso, formadas por cadenas hidrofobas de hidrocarburos. Debido a que hay afinidad entre iguales, en la bicapa las moleculas fosfolipidas orientan sus cabezas polares hacia afuera, es decir, uno de sus lados se proyecta hacia el entorno acuoso citosol en la cara interna y liquido extracelular hacia la externa.Los acidos grasos hidrofobos extienden sus caudas en ambas mitades de un punto de la bicapa hacia el centro de la membrana, con lo que conforman en la zona interna una region apolar e hidrofoba.

Los glucolipidos constituyen 5% de la membrana lipidica; sus grupos carbohidratos forman una cabeza polar, mientras que sus caudas de acidos grasos carecen de polaridad. Se encuentran solo en la capa de la membrana que comunica con la fase del liquido extracelular y, por ello, se dice que la bicapa es asimetrica; dicho en otras palabras, sus dos lados son diferentes. De la membrana plasmática, 20% restante de los lipidos esta compuesto por moleculas de colesterol debilmente anfipaticas, las cuales se hallan interpuestas entre los otros lípidos de ambas capas.El diminuto grupo unido al radical OH constituye la unica región polar del colesterol y forma enlaces de hidrógeno con las cabezas polares de los fosfolipidos y los glucolipidos. Los anillos de esteroides rigidos y las caudas de hidrocarbono del colesterol, que no son de caracter polar, se hallan fijas entre" las colas de acido graso de los fosfolipidos y los glucolipidos.

De manera característica la membrana plasmática tiene mas colesterol que la membrana de los organelos.

Disposición de las proteínas en la membrana

Estas proteínas se dividen en dos categorías integras y periféricas según se hallen insertas o no en la membrana (figura anterior).
Las proteínas integras se extienden dentro o a través de la bicapa entre las caudas de los acidos grasos y solo se pueden extirpar por métodos que alteran la estructura membranosa. Por otra parte, las proteínas perifericas se relacionan con lipidos o con las proteínas integras que la membrana tiene en sus lados interno o externo, y se pueden extraer por métodos que no alteran su integridad. Al igual que los lipidos, las proteínas de la membrana integral son anfipaticas; sus regiones hidrofilas se proyectan ya sea hacia la fase del liquido extracelular o hacia el citosol, y sus zonas hidrofobas se extienden entre las caudas de acidos grasos. Las proteínas integras que pasan a través de la bicapa entera y sobresalen en ambos lados de la membrana reciben el nombre de proteinas transmembranosas. Con frecuencia la porcion de una proteina que entra en la region apolar de la membrana consiste en una hélice alfa la cual esta formada por aminoacidos que constan principalmente de cadenas laterales hidrofobas apolares. En algunos casos la cadena de aminoacidos de la proteina oscila de un lado y otro de la membrana. Los segmentos de la helice alfa hidrofoba que atraviesan de un lado a otro dicha membrana se alternan con las porciones polares hidrofilas que se proyectan hacia el liquido en ambos lados. Aunque muchas de las proteinas integras pueden flotar lateralmente en la bicapa lipida, cada proteina individual tiene una orientacion con respecto a las caras interna y externa de la membrana y de esta manera contribuye a que esta sea asimetrica.

Muchas proteinas integras son glucoproteinas con grupos de carbohidratos unidos a los extremos que se extienden hasta la fase del liquido extracelular. Los carbohidratos pueden ser cortos, rectos o en cadenas ramificadas compuestas por dos a 60 monosacaridos. Las porciones carbohidrato de los glucolipidos y las glucoproteinas forman una extensa cubierta de azucar denominada glucocalix, que desempeña varias funciones importantes y cuya composición actúa como una forma de identidad molecular que permite que las células se reconozcan unas a otras. Por ejemplo, una de las bases de la respuesta inmunitaria que ayuda al cuerpo a destruir los microorganismos invasores es la capacidad de los leucocitos (celulas blancas) para detectar un glucocalix extraño. Ademas, esta cubierta hace posible que en ciertos tejidos las celulas se adhieran unas a otras con lo que evita que sean digeridas por las enzimas del liquido extracelular. Las propiedades hidrofilas del glucocalix atraen una pelicula de liquido a la superficie de muchas celulas, una propiedad que tiene una funcion doble: hace resbalosos a los eritrocitos mientras fluyen a traves de los vasos sanguineos estrechos y evita que las celulas que revisten las vias respiratorias y el tracto gastrointestinal se sequen.

Funciones de las proteinas de la membrana

En general, los diferentes tipos de lipidos varian solo ligeramente de una membrana a otra. Mas aun, las membranas de las distintas celulas y de los diferentes organelos singularizan notablemente diferentes clases de proteinas, las cuales a su vez determinan muchas de las funciones que pueden realizar las membranas plasmáticas. Algunas proteinas transmembranosas forman canales que tienen un poro o agujero a traves del cual pueden entrar o salir de la celula sustancias especificas como los iones potasio (K ). La mayoria de dichos canales son selectivos, ya que solo permiten el paso de un ion determinado. Otras proteinas de la membrana actuan como traosportadores; es decir se unen a una sustancia polar en un lado de la membrana y luego cambian su forma para llevarla al otro lado donde la liberan. Algunas proteinas integras se denominan receptores los cuales sirven como sitios de reconocimiento celular. Estas proteinas identifican y enlazan una molecula especifica (p. ej., la hormona insulina o un nutriente como la glucosa) que resulta importante para algunas funciones celulares. Se denomina ligando una molecula especifica que se une a un receptor. Algunas proteinas integras y perifericas son enzimas. Las membranas de las glucoproteinas y los glucolipidos con frecuencia se llaman marcadores de identidad celular, los cuales hacen posible que una celula reconozca a otras de la misma clase durante la formacion de un tejido o identifiquen y respondan a celulas extrañas potencialmente peligrosas. Entre los marcadores de identidad celular estan los del tipo sanguineo (ABO). Cuando se transfunde sangre, su tipo debe ser compatible con el de la persona que la recibe. Las proteinas perifericas e integrales pueden servir como ligadores, que fijan las proteinas en la membrana plasmatica de las celulas vecinas, una a otra, o a los filamentos dentro y fuera de la celula.

Fluidez de la membrana

Las membranas son estructuras liquidas, mas que acei-tosas, ya que asi la mayor parte de sus lipidos y muchas de sus proteinas, pueden girar facilmente y moverse hacia los lados en el interior de la mitad de la bicapa donde se localizan. Las moléculas lipidas vecinas intercambian lugares aproximadamen-te 10 millones de veces por segundo y pueden vagar alrededor de la celula en pocos minutos. La fluidez de la membrana de-pende del numero de enlaces dobles en las caudas de acido graso de los lipidos que constituyen la bicapa y de la cantidad de colesterol presente. Cada enlace doble es un eslabon en la cauda de acido graso (vease la fig. 0.2.18), el cual evita que las moleculas lipidicas formen un empaque rigido en la membrana. La fluidez de los lipidos permite que autosellen esta cubierta si es desgarrada o punzada. Cuando se introduce una aguja a traves de la membrana plasmatica y luego se extrae, el sitio de perforation cierra espontaneamente y la celula no revienta. Esta propiedad hace posible que los genetistas fertilicen un ovulo al inyectar el espermatozoide con una jeringa diminuta o reemplacen el nucleo de una ceiula en experimentos de clonacion, como los realizados para crear la clona de la oveja llamada Dolly.

No obstante la gran movilidad de lipidos y proteinas de la membrana en su mitad de la bicapa, cambian de manera aleatoria de una mitad a otra. Esto se debe a que las parte; hidronlas pasan con gran dificultad a traves del centro hidrófobo de la membrana. Dado que estos cambios son poco frecuentes, las mitades de la membrana de la bicapa permanecen asimetricas —la mitad externa contiene algunos lipidos y proteinas que son estructural y funcionalmente distintos de los que estan en la mitad interna.

En virtud de la manera en que el colesterol forma enlaces o puentes de hidrogeno con las cabezas de fosfolipidos j glucolipidos adjuntos y llena los espacios entre las caudas dobladas de acido graso, confiere mayor fuerza a los lipidos de la bicapa, pero menor fluidez a la temperatura normal del cuerpo. Vale la pena hacer notar que a bajas temperaturas el colesterol tiene efecto opuesto —incrementa la fluidez de la membrana, lo que resulta importante para los animales de sangre fria (mas no para los humanos, que son de sangre caliente). Cuando se acumulan cantidades excesivas de colesterol en las membranas plasmaticas estas se tornan rigidas y menos flexibles. Una consecuencia de lo antes expuesto es la aterosclerosis, comunmente conocida como "endurecimiento de las arterias", o acumulacion de colesterol en las membranas plasmaticas de las celulas que revisten los vasos sanguineos, un problema caracteristico de esta enfermedad.

Permeabilidad de la membrana

Una membrana es permeable para ciertas cosas que pueden pasar a través de ella e impermeable para otras. Aunque las membranas plasmáticas no son completamente impermeables a todas las sustancias, permiten que algunas de ellas las atraviesen más rapidamente que otras. Esta propiedad se denomina permeabilidad selectiva.

La porcion lipidica de la bicapa de la membrana es permeable a la mayoria de las moleculas apolares y sin carga. Como las de oxigeno, dioxido de carbono y esteroides, perc es impermeable a los iones y a las moleculas polares con carga, como la glucosa. Asi mismo tiene permeabilidad al agua. Una propiedad sorprendente, ya que la molecula de H2O es polar. Incluso las membranas fabricadas artificialmente tie-nen permeabilidad al agua, que se cree pasa a traves de la bicapa lipidica de la siguiente manera: cuando las colas de acido graso de la membrana de fosfolipidos y glucolipidos se mueven de manera aleatoria, dejan pequenos espacios poi breves instantes en el ambiente hidrofobo de la membrana. Las moleculas de agua son lo suficientemente pequenas para moverse de un espacio a otro hasta cruzarla.

Las proteinas que funcionan como canales y transportadores hacen que la membrana plasmatica sea permeable a una variedad de pequenas sustancias de tamafios pequeno y mediano polares y cargadas (entre ellas iones) que no pueden cruzar la bicapa lipidica. Esas proteinas son muy selectivas ___cada una ayuda solo a una molecula o ion especifico a cruzar la membrana. Las macromoleculas, como las proteinas, no tie-nen la capacidad de atravesarla membrana excepto por transporte vesicular (que se estudia mas adelante en este capitulo).

Paso por gradientes a través de la membrana plasmatica

En virtud de que la membrana plasmatica de las celulas posee permeabilidad selectiva, admite unas sustancias en el citosol mientras excluye otras. Esta propiedad hace posible que la celula viva mantenga grandes o pequenas concentraciones de ciertas sustancias selectas ya sea en el citosol o en el liquido extracelular. La diferencia en la cantidad de un qui-mico entre un lado y otro de la membrana plasmatica se denomina gradiente de concentration. En el liquido extracelular hay muchos iones y moleculas en mayor cantidad que en el citosol, mientras que con otros sucede lo contrario. Por ejemplo, las moleculas de oxigeno y los iones sodio (Na+) son mas abundantes en el liquido extracelular que en el citosol, en tanto que sucede lo opuesto con las de dioxido de carbono y los iones potasio (K+) (fig. 0.3.4a). La membrana plasmatica tambien da origen a una diferencia en la distribucion de iones con carga positiva y negativa entre sus dos lados; esto es lo que se denomina gradiente electrico, tambien llamado potencial de membrana. De manera caracteristica, la superficie interna de la membrana tiene una carga negativa y la externa es mas positiva (fig. 0.3.4a).

Como se vera un poco mas adelante, tanto el mantenimiento de la concentracion como los gradientes electricos son importantes para la vida de la celula, porque ayudan a movilizar sustancias a traves de la membrana plasmatica. En muchos casos, una molecula cruza la membrana hacia el sitio donde su gradiente de concentracion es mas bajo. Dicho en otras palabras, una sustancia se mueve "colina abajo" desde el punto donde su concentracion es mas alta hasta el lugar donde es mas baia. De manera similar un ion con carga positiva tendera a moverse en direccion del area con carga negativa. Dado que los iones reciben influencia tanto del gradiente de concentration como del gradiente electrico, el efecto com-binado recibe el nombre de gradiente electromecanico.

TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA PLASMÁTICA

OBJETIVO

• Describir elproceso por el cual se lleva a cabo el transporte de sustancias a traves de la membrana plasmatica.

El transporte de materiales a traves de la membrana plasmatica resulta esencial para la vida de la celula. Se requiere que ciertas sustancias entren en ella para que contribuyan a las reacciones metabolicas; otras deben salir, porque son productos elaborados por la celula que deben sei exportados o materiales de desecho. Como se ha expuesto algunas sustancias pueden cruzar la portion lipidica de la bicapa, mientras que otras usan canales o transportadores de las proteinas de la membrana plasmatica.

Las sustancias que cruzan las membranas celulares poi el proceso de transportacion se clasifican conforme a dos criterios: 1) su movimiento es mediado o no; 2) son activas o pasivas. En el transporte mediado, los materiales pasan a traves de la membrana con ayuda de una proteina transportadora; mientras que en el transporte no mediado, no participan lo; transportadores. En el transporte pasivo, una sustancia se mueve cuesta abajo y cruza la membrana gracias a su gradiente de concentracion y solo utiliza su energia cinetica, en tanto que la energia celular de transporte activo, por lo regu¬lar en forma de ATP, se emplea para llevar el material en sentido opuesto a su gradiente de concentracion.

Las celulas vivas utilizan tres procesos de transporte (fig.0.3.5a). Dos de ellos son directos (no mediados): difusion a traves de la bicapa lipidica o por un canal. En un proceso pasivo, la difusion facilitada requiere un mediador. Entre los de transportacion activa, que son mediados, es posible distinguir varios tipos generales de transportadores (fig.0.3.5b).Los unitransportadores trasladan una sola sustancia a traves de la membrana. Los bitransportadores llevan simultaneamente dos; ademas son cotransportadores, es decir, mueven ambas sustancias en la misma direccion o contratransportadores por que movilizan las dos sustancias en direcciones opuestas por la membrana.

Otro proceso por el cual los materiales pueden entrar o salir de la celula es el que involucra la formación de las vesiculas que rodean la membrana. En el transporte vesicular (veanse las figuras 0.3.13 y 0.3.15) se desprenden diminutas vesiculas de la membrana para introducir materiales a la celula, un fenomeno llamado endocitosis, o se fusionan con la membrana plasmatica para liberar los materiales en la celula, lo que se denomina exocitosis. Las particulas grandes como una bacteria entera, los eritrocitos y las macromoleculas, como los polisacaridos y las proteinas, pueden entrar y salir de las celulas por este tipo de transporte.

Fundamentos de la difusión

Para comprender por que se diseminan los materiales a traves de la membrana, es preciso entender como se difunden en un liquido. Se denomina difusion a la mezcla aleatoria de particulas que ocurre en una solution como resultado de la energia cinetica de dichas particulas. Tanto los solutos, las sustancias disueltas, como los solventes, liquidos donde se disuelven, entran en difusion. Si la cantidad de una molecula en particular es alta en una zona de la solution y baja en otra, sera mayor el desplazamiento del sitio donde es mas abundante hacia el lugar donde es menor su cantidad. La diferencia del paso en ambas direcciones recibe el nombre de difusion neta. Las sustancias correspondientes a la difusion neta se mueven de la zona de alta concentracion a la de baja, y por ello se dice que se desplazan hacia abajo o hacia el area donde su gradiente de concentracion es bajo. Se logra el equilibrio cuando las rnoleculas finalmente se distribuyen de manera homogenea en el liquido. Una vez en equilibrio, las moleculas prosiguen su desplazamiento aleatorio en virtud de su energia cinetica, pero ya no modifican su concentracion.

Como ejemplo de lo anterior podemos citar lo que sucede cuando en un recipiente de vidrio lleno de agua se pone un tinte (fig. 0.3.6). Cerca del lugar donde este se vierte, el color es intenso porque ahi es mas alta su concentracion, pero conforme es mayor la distancia el tono se torna mas y mas claro, a medida que es menos concentrado. Tiempo despues, cuando se alcanza el equilibrio, la solucion de agua con el tinte alcanza un color uniforme. Las moleculas del tinte lo-gran su difusion neta al diseminarse desde el punto donde su concentracion es mas alto, hasta que se encuentran mezcladas de manera uniforme.

En el ejemplo anterior, no participa membrana alguna, aunque cuando hay una de por medio, las sustancias a las que es permeable tambien pueden difundirse a traves de ella. La velocidad de difusion de las moleculas por la membrana plasmatica depende de varios factores.

1. Gradiente de concentracion. Mientras mayor sea la diferencia entre ambos lados de la membrana, mayor sera la velocidad de difusion. Cuando las particulas se encuentran diseminadas, los factores que determinan su velocidad de difusion a traves de la membrana son el diferencial de concentracion y los gradientes electricos (el gradiente electroquimico).

2. Temperatura. A mayor temperatura, mas rapida es la velocidad de difusion. En una persona con fiebre, ocurre mas pronto todo el proceso de difusion corporal.

3. Tamano o masa de la sustancia que se difunde. Mientras mas grande resulte el tamano o la masa de la particula es menor su velocidad de difusion. Las moleculas de menor peso molecular se difunden con mayor rapidez que las de mayor peso.

4. Area superficial. Cuanto mas grande es el area superficial de la membrana disponible para la difusion, mayor sera la velocidad de este proceso. Por ejemplo, las celulas de los pulmones tienen un area mas grande para la propagation del oxigeno del aire en la sangre. En algunas enfermedades, como el enfisema, se reduce el area superficial, lo que hace mas lenta la velocidad de difusion y reduce el ritmo respiratorio.

5. Distancia de difusion. Mientras mas grande sea la distancia en que ocurre, mas tiempo se requerira para la difusion. Este fenomeno a traves de la membrana plasmatica solo toma una fraction de segundo porque es muy delgada.

A continuation se estudia la forma en que se lleva a cabo el transporte en la membrana al considerar como la cruza un solvente acuoso; posteriormente se analizan las distintas cate-gorias de solutos.

Osmosis

La osmosis es el paso de un. solvente a traves de una membrana con permeabilidad selectiva. En los sistemas vivos, el agua constituye el solvente que cruza por osmosis la membrana plasmatica desde un area de mayor concentracion a otra donde esta resulta menor. Otra manera de entender esta idea consiste en considerar la concentracion de solutos o sustancias disueltas: en la osmosis el agua se mueve a traves de la membrana con permeabilidad selectiva desde el area con menor concentracion de solutos a una con mayor. Las moleculas de este liquido penetran esta barrera de dos maneras -por difusion a traves de la bicapa lipidica, como antes se menciono, y a traves de acuaporinas, proteinas transmembranas que funcionan como canales de agua.

La osmosis ocurre solo cuando una membrana es permeable al agua, pero no a ciertos solutos. Es factible entender el fenomeno de la osmosis mediante un experimento sen-cillo. Considerese un tubo de vidrio en forma de "U", en el cual una membrana con permeabilidad selectiva separa los brazos izquierdo y derecho (fig. 0.3.7a). Se vierte cierto volumen de agua pura en la parte izquierda y, en la derecha, una cantidad igual de solucion, que contiene un soluto al cual es impermeable la membrana. Dado que la concentracion de agua es mas alta en el brazo izquierdo que en el derecho, el movimiento neto de las moleculas de agua –osmosis- ocurre en sentido de mayor a menor. A la vez la membrana evita la difusion de los solutos del lado derecho al izquierdo.

Como resultado, disminuye el volumen de agua del lado derecho y aumenta la solucion en el opuesto (fig. 0.3.7b).

El estudiante puede suponer que el proceso de osmosis seguira hasta que no quede agua en el brazo izquierdo, pero no sucede asi. En este experimento, cuanto mas alta sea la columna de solucion en el lado derecho, mayor presion ejercera sobre la cara correspondiente de la membrana; este fenomeno recibe el nombre de presion hidrostatica, la cual fuerza a las moleculas de agua a moverse de regreso al brazo izquierdo. El equilibrio se alcanza cuando la cantidad de moleculas de H2O que se mueve de derecha a izquierda, en virtud de la presion hidrostatica, es igual a la impulsada en sentido opuesto por la osmosis (fig 0.3.7b). Una solucion con particulas disueltas que no pueden cruzar la membrana ejerce una fuerza denominada presion osmotica, la cual es proporcional a la concentracion de particulas disueltas que no pueden atravesar la membrana (mientras mayor sea la concentracion de solutos, mas alta sera la presion osmotica).

Considere el lector lo que sucederia si se usara un piston para aplicar mas presion sobre el liquido del brazo derecho. Con suficiente presion, seria factible restaurar el volumen inicial, y la concentracion de solutos en este lado seria la misma que al empezar el experimento (fig. 0.3.7c). La presion necesaria para reestablecer el estado inicial debe ser igual a la presion osmotica, por lo cual cabe definir este concepto de otra mane-ra: es la presion que se requiere para detener el movimiento del agua hacia una solucion que contiene solutos cuando los dos se encuentran separados por una membrana que solo es permeable al agua. Adviertase que la presion osmotica de una solucion no produce movimiento de H2O durante la osmosis. En vez de ello, constituye la presion que evita dicho movimiento.

La tonicidad de una solucion influye en el volumen y la forma de las celulas corporales al ocasionar la osmosis del agua que entra y sale de ellas. Normalmente, la presion os-motica del citosol es igual a la de la fase intersticial entre las celulas. Como dicha presion es igual en ambos lados de la membrana plasmatica (que tiene permeabilidad selectiva), el volumen celular permanece relativamente constante.

Cualquier solucion en la cual una celula (por ejemplo, los eritrocitos [RBC]) mantiene su forma y volumen normales se denomina isotonica (fig. 0.3.8a). Es decir, se trata de un liquido en el cual la concentracion de solutos que no pueden cruzar la membrana plasmatica es la misma en ambos lados. En circunstancias normales, una solucion al 0.9% de NaCl (cloruro de sodio o sal de mesa comun) llamada solucion salina normal es isotonica para los eritrocitos. Si bien la membrana plasmatica de la celulas rojas permite el transito del agua en ambos sentidos se comporta como si fuera impermeable a los solutos de Na y CT. Cualquier ion de estos elementos que entra en la celula por medio de los canales o de transportadores es devuelto de inmediato, por el transporte activo y otros medios. Por ende, se considera que estos iones se comportan como si no pudieran penetrar la membrana. Cuando se bafla un eritrocito en solucion salina al 9% las moleculas de agua entran y salen a la misma velocidad, lo que hace posible que estas celulas mantengan su forma y volumen inalterados.

El resultado es diferente si el eritrocito se pone en una solucion que tiene menor concentracion de solutos que el citosol intracelular. Este liquido se denomina solucion hpotonica. (fig. 0.3.8b). En este caso las moleculas de agua entran en la celula mas rapido de lo que salen y ocasionan que esta se hinche y fmalmente estalle. La ruptura de un eritrocito por esta causa recibe el nombre de hemolisis. El agua pura es fuertemente hipotonica.

Una solucion hipertonica posee una concentracion mas elevada de solutos que el citosol dentro de un eritrocito (fig. 0.3.8c). Una solucion de NaCl al 2% constituye un ejemplo de un liquido hipertonico. Lo cual significa que las moleculas de agua se salen de la celula con mayor rapidez de la que entran, lo que ocasiona que esta se contraiga. Este fenomeno se denomina crenacion. Los eritrocitos y otras celulas del cuerpo pueden ser danadas o destruidas si se exponen a liquidos hipotonicos e hipertonicos. Por esta razon la mayoria de las soluciones intravenosos (SI) que se infunden en la sangre de pacientes son isotonicas.

Difusion a traves de la bicapa lipidica

Las moleculas hidrofobas apolares se difunden a traves de la bicapa de la membrana plasmatica dentro y fuera de la celula. Dichas moleculas comprenden oxigeno, dioxido de carbono, gases de nitrogeno, acidos grasos, esteroides y vitaminas liposolubles (A, E, D y K); alcoholes y amoniacos. En virtud de que la membrana plasmatica es muy permeable a todas estas sustancias, ellas no contribuyen a la presion os-motica ni a la tonicidad de los liquidos corporales.La difusion a traves de la bicapa lipidica es importante para el movimiento del oxigeno y el dioxido de carbono entre la sangre y las celulas corporales y entre la sangre y el aire dentro de los pulmones durante la respiracion. Tambien constituye una ruta para la absorcion de algunos nutrientes y la excrecion de los desechos de las celulas, actividades que contribuyen a la homeostasis.

Difusion a traves de los canales de la membrana

La mayor parte de los conductos de la membrana son canales ionicos, que permiten el paso de pequenos iones inorganicos, los cuales son demasiado hidrofilos para penetrar el interior apolar de la membrana plasmatica. Cada ion solo puede atravesar la membrana por los sitios donde hay canales espedficos que permiten su paso. En las membranas plasmati-cas tipicas, el mayor numero de canales ionicos corresponde a los que son selectivos para K+ (iones potasio) o Cl- (de cloro); hay menos disponibles para Na+ (de sodio) o Ca2+ (de calcio). La difusion de solutos a traves de los canales generalmente es mas lenta que la que se efectua por la bicapa lipidica, porque los canales ocupan un area superficial total menor en la membrana. No obstante, la difusion a traves de los canales es un proceso muy rapido: mas de un millon de iones potasio pueden pasar a traves de los canales de K+ ¡en un segundo!

Muchos canales ionicos estan abiertos de manera permanente, sin embargo otros tienen compuertas --una parte del canal de proteina actiia como "puerta", al cambiar su forma de una manera que abre el poro y otra que lo cierra (fig. 0.3.9). Algunas compuertas alternan de manera aleatoria las posiciones abierta y cerrada, en tanto que otras se encuentran reguladas por cambios electricos o quimicos dentro y fuera de la celula. Cuando las puertas se abren los iones salen o entran en direction del sitio donde es menor su gradiente electroquimico.

Las membranas plasmaticas de los diversos tipos de celulas pueden poseer menos o mas canales ionicos y, por lo tanto, tener diferentes permeabilidades a los distintos iones. El numero total de estos conductos, que hay para un soluto especifico, tambien se encuentra regulado por senales dentro y fuera de la celula.

Difusion facilitada

Varios solutos, demasiado polares o que poseen cargas muy elevadas para atravesar la bicapa y que tambien resultan muy grandes para cruzar la membrana por los canales, pasan esta barrera por difusion facilitada. Originalmente se penso que este proceso se llevaba a cabo por medio de una proteina portadora que se unia a un soluto y atravesaba con el la membrana. No obstante, el nombre es poco adecuado porque el proceso no corresponde al de difusion en el sentido estricto del término. En vez de ello, un soluto se une a un transportador especifico en un lado de la membrana y es liberado en el lado opuesto; despues el transportador cambia su forma. Por este motivo algunos investigadores abogan porque se cambie el nombre del proceso por el de transporte facilitado. Sin embargo, al igual que en la difusion, el resultado neto consiste en el movimiento de la zona de mayor concentracion a donde esta es menor. Lo anterior ocurre porque con mayor frecuencia el soluto se une al transportador en el lado de la membrana con mayor concentracion antes de ser trasladado al sitio donde es menor. Una vez que se llega al equilibrio entre ambos lados, las moleculas disueltas se unen al transportador en el citosol y se desplazan hacia el liquido extracelular con la misma rapidez con que se enlazan al transportador en la fase fuera de la celula para entrar al citosol. Por ende, la velocidad de la difusion facilitada se halla determinada por el gradiente de concentracion en sentido descendente entre los dos lados de la membrana.La cantidad de transportadores disponibles para la difusion facilitada en la membrana plasmatica tiene un limite superior llamado transporte mdximo, que es la mayor velocidad a la cual puede ocurrir la difusion facilitada. Una vez que todos los transportadores se encuentran ocupados se llega al transporte maximo, y el mayor incremento en el gradiente de concentracion no ocasiona que la difusion facilitada se lleve a cabo con mayor rapidez. Por lo tanto este proceso muestra saturacion.

Entre los solutos que pasan a traves de la membrana por difusion facilitada estan la glucosa, la galactosa, la urea, la fructosa y algunas vitaminas. La glucosa entra en muchas celulas corporales de la siguiente manera (fig. 0. 3.10):

1-.La molecula de glucosa se une a una proteina transportadora denominada GluT en la superficie extracelular de la membrana.

2-.GluT inicia el proceso por el cual modifica su conformacion.

3-.GluT libera la glucosa en el otro lado de la membrana.

Una vez que la glucosa entra en la celula por difusion facilitada, una enzima llamada cinasa se enlaza a un grupo fosfato para producir un molecula distinta (conocida como glucosa-6-fosfato). Esta reaccion hace que la glucosa se man-tenga en niveles bajos de concentracion. intracelular, por lo que su gradiente siempre favorece la difusi6n facilitada de esta molecula hacia dentro, y no hacia afuera de las celulas.

Con frecuencia se.regula la permeabilidad selectiva de la membrana plasmatica para lograr la homeostasis. Por ejemplo, la hormona insulina promueve la insercion de muchas copias de un tipo determinado de transportador de glucosa dentro de la membrana plasmatica de ciertas celulas. Asi el efecto de la hormona insulina consiste en incrementar el transporte maximo por difusion facilitada de la glucosa. Al haber mas transportadores disponibles las celulas del cuerpo pue¬den tomar con mayor rapidez la glucosa de la sangre.

Transporte activo

Algunos solutos cargados o polares que deben entrar o salir de las celulas no pueden cruzar la membrana plasmatica por ninguna de las formas de transporte pasivo, porque ne-cesitan moverse en sentido ascendente en contra de su gra¬diente de concentracion. Dichas sustancias solo pueden cruzar la membrana por transporte activo, el cual es mediado por un proceso en el que las proteinas transportadoras requieren energfa para realizar su movimiento "cuesta arriba". Para ello se utilizan dos fuentes de energia: 1) la que proviene de la hidrolisis del ATP, considerada lafuente de transporte activo primario, y 2) la energia almacenada en un gradiente de concentracion ionica constituye la fuente de transporte activo secundario. Al igual que la difusion facilitada, el proceso de transporte activo tiene capacidad maxima y un punto de sa-turacion. Los solutos que se transportan de manera selectiva a traves de la membrana plasmatica comprenden diversos iones como Na+, K+, Ca2+, I-, y Cl-; aminoacidos y monosa-caridos. (Debe recordarse que algunas de estas sustancias tambien cruzan la membrana por difusion o difusion facilitada cuando la celula dispone de canales y transportadores adecuados.)

Transporte activo primario

En el transporte activo primario, la energia derivada de la hidrolisis del ATP cambia la forma de la proteina transportadora, la cual bombea una sustancia a traves de la membrana plasmatica en contra de su gradiente de concentracion. Mas aun, las proteinas transportadoras que realizan este traslado con frecuencia son llamadas bombas. Una celula tipica gasta 40% del ATP que genera en el transporte activo primario.Los medicamentos que interrumpen la produccion de ATP —por ejemplo el veneno cianuro son letales porque detienen el transporte activo de las celulas a traves del cuerpo.

El mecanismo de transporte activo primario de mayor prevalencia expulsa los iones sodio (Na+) de la celula e introduce los de potasio (K+). Este transportador se denomina bomba de Na+/K+ o, de manera mas sencilla, bomba de sodio, en virtud de los iones especificos que mueve. Todas las celulas poseen cientos de estas bombas en su membrana plasmatica. Dado que una porcion de la bomba de Na+ /K+ actúa como una enzima que hidroliza el ATP (un ATPasa), tambien se le llama bomba de Na+/K+ ATPasa. Una de sus funciones consiste en mantener baja la concentracion de iones sodio en el citosol al bombearlos al liquido extracelular en contra del gradiente de concentracion de Na+. De manera coincidente la bomba de sodio moviliza los iones potasio contra el gradiente de concentracion de este elemento. Como K+ y Na+ se filtran lentamente de regreso a traves de la membrana plasmatica hacia el sitio donde sus gradientes electromecanicos son meno-res por transporte pasivo o transporte activo secundario la bomba de sodio debe actuar ininterrumpidamente a fin de mantener baja la concentracion de los iones Na y altos los niveles de los iones potasio en el citosol. En la figura 0-3.11 se expone graficamente esta explicadon sobre la bomba de sodio.

1-En el citosol tres iones sodio (Na+) se unen a la proteina bomba.

2-Una vez que se produce el enlace de Na desencadena la hidrolisis del ATP en ADP, una reaccion que tambien une un grupo fosfato a la proteina bomba, la cual modifica su forma a fin de liberar los tres Na en el liquido extracelular. Ahora la forma de la proteina bomba propicia el enlace de los iones potasio en este liquido.

3-La union de los iones potasio hace que la bomba libere el grupo fosfato, lo cual de nueva cuenta hace que cambie su forma.

4-Conforme la bomba recupera su forma original dos K+ son liberados en el citosol. En este punto, la bomba se encuentra lista, una vez más, para enlazarse a Na y repetir el ciclo.

Ademas de mantener bajo el nivel extracelular de Na+ y alto el de K+, se requiere la operacion continua de la bomba para mantener el volumen normal de la celula. Es necesario recordar que la presion osmotica de una solucion es proporcional a la concentracion de sus particulas de solutos que no pueden penetrar la membrana. Dado que los iones sodio se difunden en la celula o entran por medio del transporte activo secundario, de inmediato son bombeadas hacia afuera, y es como si nunca hubieran entrado. En efecto, los iones sodio se comportan como si no penetraran la membrana. Por lo tanto, contribuyen de manera importante a la presion osmotica del liquido extracelular. Una condicion similar tiene vigencia para los iones potasio, que aportan la mitad de la presion osmotica en el citosol. Al ayudar a mantener la presion osmotica en ambos lados de la membrana plasmatica, la bomba de sodio asegura que la celula nunca se contraiga ni hinche por el movimiento del agua que sale o entra por osmosis.

Transporte activo secundario

En el transporte activo secnitdario la energia almacenada del gradiente de concentracion del ion sodio o de hidrogeno se usa para conducir otra sustancia a traves de la membrana en contra de su propio gradiente de concentracion. Dado que el transporte activo primario establece el gradiente de Na+ o H+ , el secundario utiliza de manera indirecta la energia obtenida de la hidrolisis del adenosintrifosfato.

La bomba de sodio mantiene alto el gradiente de concentracion de Na+ a traves de la membrana plasmatica. Como resultado de ello, los iones sodio tienen almacenada energia potencial, como sucede con el agua contenida por un dique. De conformidad con esto, si existe una ruta para que los Na+ se filtren de regreso, parte de la energia almacenada puede ser convertida en energia cinetica (energia de movimiento) y ser usada para el transporte de otras sustancias en contra de su gradiente de concentradon. En esencia, las proteinas del transporte activo secundario aprovechan la energia del gradiente de concentracion de Na+ al proporcionar vias de acceso faci-les para que los iones sodio se filtren en las celulas. La proteina funciona como un transportador doble al unirse simultanea-mente a Na y otra sustancia, entonces cambia su forma para que ambas sustancias atraviesen la membrana al mismo tiempo.

Las membranas plasmaticas contienen varios contratrans-portadores y contra transportadores que son energizados por el gradiente de Na+ (fig. 0.3.12a). En casi todas las celulas del cuerpo, la concentracion de iones calcio (Ca2+ ) es baja en el citosol porque los contratransportadores de Na+ /Ca2+ permiten que los iones sodio entren en la celula en tanto expulsan los de calcio. Del mismo modo, los contratransportadores de Na+/H+ ayudan a regular el pH del citosol (concentracion de H ) al aprovechar el gradiente de Na para expeler el exceso del ion hidrogeno. Por otra parte, la glucosa y los aminoacidos de la dieta son introducidos dentro de las celulas que recubren el intestino delgado por los cotransportadores de Na+-glucosa y Na -aminoacido (fig. 0.3.12b). En cada caso los iones sodio se mueven hacia el lado menor del gradiente de concentracion, mientras que los solutos acoplados se desplazan en sentido ascendente contra su gradiente de concentracion. Debe recor-darse que todos esos cotransportadores y contratransportadores pueden realizar su trabajo porque las bombas de sodio mantienen baja la concentracion de Na+ en el citosol.

APLICACION CLINICA

Digitalis

Debido a que refuerza los latidos cardiacos, a me-nudo se administra digitalis a los padentes con insu-ficiencia cardiaca, un trastorno en el que se debilita el bombeo del corazon. El digitalis ejerce su efecto al reducir el bombeo del sodio, lo que permite que se acumulen mas Na+ dentro del musculo cardiaco. Como resultado de lo anterior, una pequena concentracion de Na+ cruza la membrana, con lo cual disminuyen los contratransportadores de Na+/Ca2+. De esta manera per-manecen mas iones calcio dentro de la celula del musculo cardiaco. El ligero incremento en el nivel de Ca2+ en el citosol de estas celulas incrementa la fuerza de sus contracciones y por ende refuerza los latidos del corazon. Como ilustra este ejemplo, el equilibrio entre las concentraciones de Na+ y Ca2+ en el citosol y en el liquido extracelular es crucial para el funcionamiento normal de las celulas musculares.

Transporte vesicular

Una vesicula es un pequeno saco esferico que brota en la membrana y luego se desprende de ella. La permeabilidad de la cubierta vesicular es selectiva y contiene pequenas cantidades de liquido mas particulas disueltas o suspendidas. Las vesiculas transportan sustancias de una estructura u otra dentro de las celulas, las toman del liquido extracelular y las liberan en el intracelular. Mas adelante en este capitulo se explica como se lleva a cabo el transporte entre las estructuras de la celula, una vez que el estudiante comprenda mejor la anatomia de esta unidad vital. Por el momenta concentraremos nuestra atencion en los dos principales tipos de transporte vesicular entre una celula y el liquido extracelular: 1) endocitosis, en el cual los materiales se mueven dentro de la celula en una vesicula formada a partir de la membrana plasmatica, y 2) exocitosis en el que los materiales se mueven fuera de la celula por fusion de las vesiculas con la membrana plasmatica. Tanto la endocitosis como la exocitosis requieren la energia propor-cionada por ATP.

Endocitosis

En la endocitosis el material que se introduce en la celula esta rodeado por un area de la membrana plasmatica, que se desprende dentro de la celula para formar una vesicula, la cual contiene los materiales ingeridos. En esta section se consideran tres tipos de endocitosis: mediada por receptores, pinocitosis y fagocitosis.

Endocitosis mediada por receptores. Se trata de un proceso altamente selectivo por el cual la celula se une a ciertos ligandos. La vesicula se forma luego de que una proteina receptora de la membrana plasmatica reconoce y se enlaza a un ligando especifico en el liquido extracelular. Mediante este mecanismo las celulas captan transferrina (una proteina que transporta hierro en la sangre), algunas vitaminas, lipoproteinas de baja densidad (LBD), anticuerpos, ciertas hormonas y otras macromoleculas o particulas especificas. La endocitosis mediada por receptores se efectiia de la siguiente manera (fig.0.3.13).

1 Fijacion. En el lado extracelular de la membrana plasmatica, un ligando se une a un receptor especifico para formar un complejo ligando-receptor. Los receptores son proteinas integras de la membrana que se encuentran concentradas en regiones particulares de esta, denominadas poros recubiertos de datrina, en virtud de que la membrana esta recubierta en su lado citoplasmatico por esta proteina periferica. La interaction de la clatrina con el complejo ligando-receptor ocasiona que la membrana se invagine (se pliegue hacia dentro).

2 Formación de la vesicula. Los bordes de la membrana alrededor de la zona de revestimiento de clatrina se fusionan y cierran una portion de la primera, de lo que re-sulta la vesicula recubierta de clatrina que contiene el complejo ligando-receptor.

3 Elimination de la cubierta. Casi inmediatamente despues de que se ha formado, la vesicula pierde su cubierta de clatrina y queda sin recubrimiento (vesicula no recubierta).

4 Fusion con el endosoma primario. Varias vesiculas no recubiertas se fusionan con un endosoma primario, una vesicula que hace las veces de compartimiento. Dentro de cada endosoma primario, los ligandos se separan de sus receptores. Finalmente, el contenido de este endosoma se recicla en el plasma o se transporta a un lisosoma, que es un organelo donde ocurre la descomposicion.

5 Reciclado de receptores. Muchos receptores dentro del endosoma primario entran en una vesicula transportadora, la cual se desprende del endosoma primario y devuelve los receptores a la membrana plasmatica. Tambien se reintegra la clatrina a la superfice interna de dicha membrana.

6 Descomposicion en los lisosomas. Los ligandos (y sus receptores) destinados a su descomposicion en los lisosomas, son transportados por una o mas vesiculas transportadoras desde el endosoma primario al endosoma secundario. Este ultimo forma otras vesiculas transportadoras que se fusionan con los lisosomas. Dentro de estos se encuen-tran las enzimas digestivas que desdoblan una variedad de moleculas grandes, como las proteinas, los polisacari-dos, los lipidos y los acidos nucleicos.

7 Transcitosis. En algunos casos, los ligandos y los receptores entran en transcitosis, un proceso por el cual son trasladados a traves de la celula dentro de las vesiculas transportadoras que realizan la exocitosis en el lado opuesto. Conforme las vesiculas transportadoras se fusionan con la membrana plasmatica vierten su contenido en el liquido extracelular. La transcitosis se lleva a cabo con mayor frecuencia a traves de las celulas endoteliales que recubren los vasos sanguineos y constituye un medio para movilizar los materiales entre el plasma sanguineo y el liquido intersticial.

APLICACION CLINICA

Virus y endocitosis mediada por receptores

La endocitosis mediada por receptores normalmente permite importar los materiales necesarios, sin embargo algunos virus aprovechan este mecanismo para entrar e infectar las celulas. Por ejemplo, el virus de la inmunodeficien-cia humana (VIH), causante delsindrome de inmunodeficiencia adquirida (sida), entra en las celulas al unirse a un receptor, llamado CD4, de la membrana plasmatica. Este receptor forma parte de la superficie de algunas celulas, como los leucocitos denominados celulas T cooperadoras. Despues de que se enlaza a CD4, el VIH entra en la celula mediante la endocitosis mediada por un receptor.

Fagocitosis. La fagocitosis es una forma de endocitosis por la cual grandes particulas solidas como bacterias enteras c virus son captados por la celula (fig. 0.3.14). Comienza cuando la particula se une a un receptor de la membrana plasmatica lo que provoca que la celula extienda proyecciones de su membrana y citoplasma denominadas seudopodes. Los seudopodos rodean la particula fuera de la celula y la mem¬brana se fusiona para formar una vesicula llamada fagosoma que entra en el citoplasma. El fagosoma se une con uno c mas lisosomas y el material ingerido es desdoblado por la; enzimas lisosomales. En la mayoria de los casos cualquiei material no digerido que entra en el fagosoma, el cual ahore recibe el nombre de cuerpo residual, es llevado de regreso poj exocitosis al liquido extracelular donde es liberado.

La fagocitosis solo ocurre en ciertas celulas del cuerpo denominadas fagocitos, que son una clase de celulas que engullen y destruyen bacterias y otras sustancias extrañas. Los fagocitos comprenden ciertas clases de leucocitos y macrofagos, que se hallan presentes en la mayoria de los tejidos. El proceso de fagocitosis es un mecanismo vital de defensa que ayuda a proteger al cuerpo de las enfermedades.

Pinocitosis. Este término designa una forma de endocitosis que consiste en la captacion no selectiva de diminutas gotas de liquido extracelular (fig. 0.3.15). No participan proteinas receptoras; todos los solutos disueltos en el liquido extracelular son Uevados dentro de la celula. En la pinocitosis la membrana plasmatica forma una vesicula pinodta que contiene una gota de liquido extracelular; luego esta se desprende de la membrana y entra en el citosol. Una vez en el interior de la celula se fusiona con uno o mas lisosomas, donde las enzimas desdoblan los materiales engullidos. Al igual que en la fagocitosis, los materiales no digeridos se acumulan en un cuerpo residual. En la mayoria de los casos este se fusiona con la membrana plasmatica y expele su contenido fuera de la celula por exocitosis; la mayoria de las celulas del cuerpo realizan la pinocitosis.

Exocitosis

Segun se ilustra en las figuras 0.3.13 a 0.3.15, la exocitosis comprende el movimiento de los materiales fuera de la celula, en vesiculas que se fusionan con la membrana plasmatica. El material expulsado puede ser algun producto de desecho o material util secretado. Todas las celulas llevan a cabo el proceso de exocitosis, pero resulta especialmente importante en dos tipos de celulas: las nerviosas, que liberan sustancias llamadas neurotransmisores, y las secretoras, que producen o secretan enzimas digestivas u hormonas. Durante la exocitosis en las celulas secretoras, las vesiculas en-vueltas por la membrana, denominadas vesiculas secretoras, se forman dentro de la celula, se fusionan con la membrana plasmatica y liberan su contenido en el liquido extracelular.

Las partes de la membrana plasmatica que se pierden du-rante la endocitosis son recuperadas y recicladas por la exocitosis. El equilibrio entre ambos procesos mantiene el area superficial de la membrana plasmatica relativamente constante. El intercambio membranoso resulta muy extenso en ciertas celulas. Por ejemplo, las secretoras del pancreas reci-clan una cantidad de membrana plasmatica igual a la super-ficie entera de la celula cada 90 minutos.

En el cuadro 0.3.1 se resumen los procesos mediante los cuales son transportados los materiales dentro y fuera de las celulas.

CITOPLASMA

OBJETIVO

• Describir la estructura y funcion del citoplasma, citosol y organelos.

El citoplasma se puede dividir en dos componentes: 1) citosol y 2) organelos.

Citosol

El citosol es la parte liquida que circunda a los organelos (vease la fig. 0.3.1) y constituye aproximadamente el 55% del volumen total de la celula. Si bien varia en su composicion y consistencia de una parte a otra de la celula, contiene de 75 a 90% de agua mas componentes disueltos y suspendidos. Entre ellos hay varios iones, glucosa, aminoacidos, acidos grasos, proteinas y lipidos, ATP y productos de desecho. Tambien estan presentes varias moleculas organicas que se agregan en masas y son almacenadas. Dichas moleculas pueden aparecer y desaparecer varias veces a lo largo de la vida de las celulas. Entre los ejemplos es posible mencionar gotitas de lipidos, que contienen trigliceiidos y cumulos de moleculas de glucogeno, denominadas grdnulos de glucogeno (vease la fig.0. 3.1).

El citosol es el sitio donde se efectuan mucfias reacciones quimicas que son necesarias para la vida celular. Poi ejemplo, las enzimas en el citosol catalizan numerosas reacciones quimicas; como resultado de ellas, se produce energia que es capturada y aprovechada para las actividades de las celulas. Mas aun, esas reacciones proporcionan los bloques de construction para mantener la estructura, funcion y crecimiento celulares.

Organelos

Como se expuso previamente, los organelos son estruc-turas especializadas que tienen formas caracteristicas y realizan funciones especificas en el crecimiento, mantenimiento y reproduction de las celulas. Muchas reacciones quimicas ocurren en una celula simultaneamente, sin embargo hay poca interferencia entre los distintos tipos de reacciones porque ocurren en diferentes organelos. Cada tipo de estos tiene un conjunto de enzimas caracteristicas propias que de-sempenan reacciones especificas, y cada uno se encuentra en un compartimento funcional, donde ocurren procesos fisiologicos particulares. No obstante, los organelos con frecuencia colaboran entre ellos para mantener la homeostasis.

Los diversos tipos de organelos difieren en las distintas celulas, segun la funcion que esta tenga encomendada. Los organelos no membranosos carecen de esta cubierta por lo que se hallan en contacto directo con el citosol. Entre los ejemplos de ellos podemos citar el citoesqueleto, centrosomas, cilios, flagelos y ribosomas. Por otra parte, los organelos membranosos estan envueltos por una o dos bicapas lipidicas (semejantes a la membrana plasmatica) que separan su interior del citosol. Ejemplos de los organelos membranosos son el reticulo endoplasmico, el complejo de Golgi, la mitocondria, los lisosomas y peroxisomas. Aunque el nucleo es un organelo membranoso se estudia aparte, dado que tiene es¬pecial importancia en el control de la vida celular.

El citoesqueleto

El citoesqueleto constituye una red de distintas clases de filamentos proteinicos que se extienden por el citosol (fig. 0.3.16). El citoesqueleto proporciona el marco estructural de la celula y sirve como un andamio que ayuda a determinar la forma de una celula y a organizar su contenido. Tambien controla los movimientos celulares, entre ellos el transporte interno de organelos y algunas sustancias quimicas, el movimiento de los cromosomas durante la division celular y el de toda la unidad como fagocito. Aunque su nombre conlleva la nocion de rigidez, constantemente se reorganiza conforme la celula se mueve y cambia de forma, como en la division celular. El citoesqueleto se halla integrado por tres filamentos. En orden creciente, segun su diametro, estas estructuras son mi-crofilamentos, filamentos intermedios y microtubulos.

Microfilamentos. Son los elementos mas delgados del citoesqueleto. La mayor parte de ellos estan formados por la proteina actina y se encuentran concentrados en la periferia de la celula {vease fig. 0.3.16a y b). Desempenan dos funciones generales: movimiento y apoyo mecanico. En lo que atane al movimiento, los microfilamentos participan en la contraccion muscular, division y locomocion de la celula, como sueede durante la migradon de las celulas embrionicas durante el desarrollo, la invasion de tejidos por los leucocitos que combaten las infecciones o la migracion de las celulas cutaneas en la curacion espontanea de una herida.

Los microfilamentos proporcionan mucho del apoyo mecanico que le confiere fuerza y forma a las celulas. Anclan el citoesqueleto a las proteinas integras en la membrana plasmatica. Asimismo proporcionan apoyo mecanico para las extensiones celulares denominadas microvellosidades, que son proyecciones microscopicas de la membrana plasmatica. Dentro de las microvellosidades se encuentra un conjunto de microfilamentos paralelos que sirven de apoyo y las adhieren al citoesqueleto {vease fig. 0.3.16a y b).

Dichas microvellosidades son abundantes en las superficies de las celulas que participan en la absorcion, como las epiteliales que revisten el intestino delgado. Algunas de ellas se extienden hasta la membrana plasmatica y ayudan a que las celulas se mantengan unidas entre si o al material extracelular.

Filamentos intermedios. Como su nombre lo sugiere, los filamentos intermedios son un poco mas gruesos que los microfilamentos, pero mas linos que los microtubulos (vease fig. 0.3.16a y b). Pueden estar formados por distintas clases de proteinas; que son excepcionalmente resistentes. Se encuentran en partes de la celula sujetas a tension mecanica y tambien pueden anclai organelos, entre ellos al nucleo {vease fig. 0.3.16a y b).

Microtubulos. Son los componentes mas grandes del citoesqueleto, constituyen tubos largos huecos y sin ramificaciones, formados principalmente por una proteina denomi-nada tubulina. Un organelo llamado centrosoma (que se describe en el siguiente parrafo) sirve como sitio de inicio para el ensamble de los microtubulos, los cuales crecen desde el centromero hasta la periferia de la celula (vease la fig. 0.3.16a y b). Los microtubulos ayudan a determinar la forma y funcion de la celula en el transporte intracelular de los organelos, como las vesiculas secretoras y la migracion de los cromosomas durante la division celular. Tambien participan en el movimiento de las proyecciones celulares especializadas como son los cuerpos ciliares y flagelares. Las proteinas motoras denominadas cinesinas y dineinas se encargan de energizar los movimientos en los cuales participan los microtubulos. Estas proteinas actuan como motores en miniatura que impulsan sustancias y organelos a lo largo de los microtubulos, como una locomotora tira o empuja los carros de ferrocarril.

Centrosoma

El centrosoma, que se ubica cerca del nucleo, consta de dos componentes: el area pericentriolar y los centriolos (fig.0. 3.17a). El area pericentriolar constituye una region del citosol compuesta por una densa red de pequefias fibras de proteina. Esta zona es un centro de organizacion para el huso mitotico, que desempena un papel basico en la division celular y en la formacion de microtubulos en las celulas indivisibles. Dentro del area pericentriolar hay un par de estructuras cilindricas llamada centriolos, cada una de las cuales esta compuesta por nueve racimos o haces de tres microtubulos (tripletes) dispuestos en forma circular, una distribucion denominada disposicion 9+0 (fig. 0.3.17b). El 9 alude a los nueve haces de microtubulos y el 0 a la falta de microtubu¬los en el centro. El eje largo de un centriolo se halla en un . angulo recto con respecto al mismo eje del otro (fig. 0.3.17c). Los centriolos participan en la formacion o regeneracion de cilios y flagelos.

Cilios y flagelos

Los microtubulos son los componentes funcionales y estructurales dominantes en cilios y flagelos; constituyen proyecciones moviles de la superficie celular. En el cuerpo humano las celulas que se hallan firmemente ancladas en su lugar usan los cilios para mover los liquidos por su superficie; las celulas moviles, como los espermatozoides, usan los flagelos para impulsarse en un medio liquido.

Los cilios son numerosos filamentos cortos que se ex-tienden desde la superficie celular (vease fig. 0.3.1). Cada uno (de forma singular) contiene un centro de microtubulos en-vueltos por la membrana plasmatica (fig.0. 3.18a). Los microtubulos estan dispuestos de tal manera que un par en el centro se encuentra rodeado por nueve haces de dos microtubulos (dobletes), una disposicion denominada 9+2. Cada cilio se halla fijo a un cuerpo basal justo debajo de la membrana plasmatica. Un cuerpo basal es similar en estructura a un centriolo. En efecto, se considera que los cuerpos basales y los centriolos constituyen dos diferentes manifestaciones funcionales de la misma estructura. La funcion de estos cuerpos consiste en iniciar el ensamblaje de cilios y flagelos. Un cilio despliega un patron semejante a un remo, el cual es re-lativamente rigido durante el golpe de impulso, pero relativamente flexible en el de recuperacion (fig. 0. 3.18c).El movimiento coordinado de numerosos cilios en la superficie de una celula asegura el movimiento constante del liquido a lo largo de la superficie celular. Por ejemplo, muchas celulas del tracto respiratorio poseen cientos de cilios que les ayudan a barrer lejos de los pulmones las particulas extranas atrapadas en el moco. La nicotina de los cigarrillos tiende a paralizar este movimiento. Por esta razon, la tos de los fumadores con frecuencia remueve las particulas extranas de los conductos respiratorios. Las celulas que revisten las trompas uterinas (falopianas) tambien son cilios que barren los ovulos hacia el utero.

Los flagelos son similares en estructura a los cilios pero mucho mas largos. Con frecuencia mueven una celula entera. Un flagelo genera movimiento hacia adelante a lo largo de su eje mediante un culebreo rapido conforme a un patron os-cilante (fig. 0.3.18c). El linico ejemplo de un flagelo en el cuerpo humano son los espermatozoides caudados, que impulsan al esperma hacia su encuentro con el ovulo.

Ribosomas

Son sitios donde se sintetizan proteinas. Estos diminutos organelos constituyen haces de cadenas ARN ribosomico (ARNr) y muchas proteinas tambien ribosomicas. Los ribosomas reciben este nombre porque tienen un alto contenido de dcido ribonudeico. Desde el punto de vista estructural, constan de dos subunidades, una aproximadamente de la mitad del tamano de la otra (fig. 0.3.19). Ambas subunidades estan separadas del nucleolo, un cuerpo esferico dentro del nucleo. Una vez que son producidas salen del nucleo y se unen al citosol.

Algunos ribosomas llamados libres no se hallan unidos a ninguna estructura en el citoplasma. Ante todo, sintetizan las proteinas que se usan en el interior de la celula. Otros, denomimados ribosomas unidos a la membrana, estan adheridos a la membrana nuclear y a una membrana con muchos pliegues llamada reticulo endoplasmico. Los ribosomas sintetizan proteinas destinadas a su insercion en la membrana plas-matica o para su exportacion fuera de la celula. Asimismo, los ribosomas se encuentran dentro de la mitocondria donde se encargan de sintetizar las proteinas mitocondriales. En ocasiones de 10 a 20 ribosomas se conjuntan para formar una estructura semejante a una soga llamada polirribosoma.

Reticuto endoplasmico

El reticulo endoplasmico o RE es una red de membranas que forman sacos aplanados o tubulos denominados cisternas (cavidades) (fig. 0.3.20). Se extiende de la membrana que envuelve al nucleo (cubierta nuclear), a la cual esta conecta-do, por todo el citoplasma. El RE es tan extenso que consti-tuye mas de la mitad de las superficies membranosas dentro del citoplasma de la mayoria de las celulas.

Las celulas contienen dos distintas formas de RE (inter-relacionadas), que difieren en estructura y funcion. La membrana del reticulo endoplasmico rugoso es una conti¬nuation de la membrana nuclear y habitualmente se pliega en una serie de sacos aplanados. La superfcie externa de la membrana rugosa del RE esta unida a los ribosomas, los sitios donde se sintetizan las proteinas, las cuales al ser sintetizadas entran en las cisternas para su procesamiento y distribucion. En algunos casos las enzimas dentro de las cisternas fijan las proteinas a los carbohidratos para formar glucoproteinas. En otros, unen proteinas con fosfolipidos tambien sintetizados por el reticulo endoplasmico rugoso. Estas moleculas pueden ser incorporadas a las membranas de los organelos o a la membrana plasmatica. Por ende, puede afirmarse que el RE es la fabrica donde se sintetizan las proteinas secretadas y las moleculas de la membrana.

El reticulo endoplasmico liso se extiende desde la membrana rugosa del RE para formar una red de tubulos membra-nosos (vease fig. 0.3.20). A diferencia del reticulo endoplasmico rugoso, el liso no tiene ribosomas en la superfcie externa de su membrana. Sin embargo contiene enzimas unicas que le confieren mayor diversidad funcional que la del RE liso.Aunque no sintetiza proteinas si lo hace con los fosfolipidos, como el RE rugoso. Ademas, sintetiza grasas y esteroides, como estrogenos y testosterona. En las celulas hepaticas, las enzimas del RE liso contribuyen a la liberation de glucosa en el torrente sanguineo e inactiva o desintoxica medicamentos y otras sustancias potencialmente peligrosas, por ejemplo el alcohol (etilo). En las celulas musculares, los iones calcio liberados del reticulo sarcoplasmico, una forma de RE liso, activan los procesos de contraccion.

Complejo de Golgi

La mayoria de las proteinas sintetizadas por los ribosomas que se unen al RE rugoso finalmente son transportadas a otras regiones de la celula. El primer paso en la via de transporte es un organelo llamado complejo de Golgi, que esta formado por tres a 20 sacos membranosos aplanados con bor-des prominentes denominados cisternas (fig.0. 3.21). Estas con frecuencia son curvadas, lo que les confiere la forma de una copa. La mayor parte de las celulas solo tienen un complejo de Golgi, aunque algunas poseen muchos. Dicho complejo es mas extenso en las celulas que secretan proteinas en el liquido extracelular. Este hecho es clave para la funcion del organelo en la celula.

Las cisternas en los extremos opuestos del complejo de Golgi difieren entre si de tamano, forma, contenido, actividad enzimatica y cantidad de vesiculas (como se describe en los parrafos siguientes). La entrada convexa o cara cis se forma por cisternas que se encuentran pegadas a la membrana rugosa. La salida concava o cara trans esta integrada por cisternas contiguas a la membrana plasmatica. Las cisternas entre las caras de entrada y de salida reciben el nom-bre de cisternas intermedias.

La entrada o cara cis, las cisternas intermedias y la cara de salida del complejo de Golgi contienen enzimas diferentes que les permiten a cada una modificar, ordenar y empacar las proteinas para que puedan ser transportadas a su destine Por ejemplo, la cara de entrada recibe y modifica las protei¬nas que produce el reticulo endoplasmico rugoso. Las cisternas intermedias afiaden azucares a las proteinas y lipidos para formar glucoproteinas. La cara de salida modifica adicional-mente las moleculas y luego las clasifica y empaca para que sean transportadas a sus destinos finales.

Las proteinas llegan y pasan a traves del complejo de Golgi mediante una serie de intercambios entre las vesículas (fig. 0. 3.22).

1-Las proteinas sintetizadas por los ribosomas del reticulo endoplasmico rugoso (RE) se encuentran rodeadas por una porcion de membrana RE, que tarde o temprano brota de la superficie membranosa para formar una vesicula de transporte.

2-Las vesiculas de transporte se desplazan hacia el cis de entrada del complejo de Golgi.

3-Tales vesiculas se fusionan con la cara de entrada del complejo de Golgi y liberan las proteinas dentro de la cisterna.

4-Las proteinas son modificadas y se desplazan de la cis de entrada a una de las cisternas intermedias por rnedio de las vesiculas de transferencia que brotan en los bordes de la cisterna. Las enzimas de las cisternas intermedias modifican las proteinas para formar glucoproteinas, glucolipidos y lipoproteinas.

5-Los productos de las cisternas intermedias se mueven por medio de las vesiculas de transferencia hacia el interior de la cara de salida.

6-Dentro de la cara de salida, se modifican aun mas los productos y luego son clasificados y empacados.

7- Algunas de las proteinas procesadas dejan la cara de salida en las vesiculas secretoras, las cuales las llevan a la membrana plasmatica para que se incorporen a ella, donde son descargadas por exocitosis en el liquido extracelular.

8-Otras proteinas procesadas dejan la cara de salida en vesiculas que vierten su contenido en la membrana plasmatica para que se incorporen a esta. Al hacer esto, el complejo de Golgi anade nuevos segmentos de membrana plasmatica conforme se pierden los segmentos existentes y modifica el numero y distribucion de las moleculas de dicha membrana.

9-Finalmente, algunas de las proteinas procesadas dejan la cara de salida dentro de vesiculas que reciben el nombre de vesiculas de almacenaje. La principal vesicula de almacenaje es un lisosoma, cuya estructura y funciones se describen mas adelante.

APLICACION CLINICA

Fibrosis quistica J En algunas ocasiones la defidencia en la trayectoria

de una molecula ocasiona trastornos, como en el caso de la fibrosis quistica, una enfermedad mortal hereditaria que afecta varios sistemas corporales. La proteina defectuosa producida por el gen mutado de la fibrosis quistica no logra llegar a la membrana plasmatica donde deberia insertarse para ayudar a bombear iones cloro (CT) fuera de las celulas. Evidente-mente las proteinas que deberian ser bombeadas se fijan en el reticulo endoplasmico o en el complejo de Golgi y nunca llegan a su destino correcto. El resultado es un desequilibrio en el transporte de liquido y iones a traves de la membrana plasmatica, lo que causaLa formacion de moco fuera de ciertos tipos de celulas. El moco acumulado obstaculiza las vias respiratorias de los pulmones, lo que a su vez ocasiona dificultad para respi-rar y evita que el pancreas secrete de manera adecuada enzimas digestivas, lo que causa trastornos digestivos. ■

Lisosomas

Los lisosomas son membranas envueltas en vesiculas que se forman en el complejo de Golgi (fig. 0.3.23). Dentro de ellas hay hasta 40 clases de poderosas enzimas digestivas o hidroliticas que tienen la capacidad de descomponer una amplia variedad de moleculas. Las enzimas lisosomicas tra-bajan mejor en pH acido y la unica membrana lisosomica incluye bombas de transporte activo que mueven iones hidrogeno (H ) en los lisosomas. Por ende, el interior de estos tiene un pH de 5, que es 100 veces mas acido que el pH del citosolico el cual es de 7. La membrana lisosomica tam-bien permite que los productos finales de la digestion, como los azucares y aminoacidos sean transportados dentro del citosol.

Asi mismo, las enzimas lisosomicas son recicladas por la propia estructura de la celula. Un lisosoma puede engullir otro organelo, digerirlo y regresar sus componentes al citosol para que vuelvan a ser usados. De esta manera hay un reemplazo continuo de los organelos viejos. El proceso por el cual los organelos desechados son digeridos recibe el nombre de autofagia. Por ejemplo, una celula del higado humano recicla aproximadamente la mitad de su contenido citoplasmico cada semana. En el proceso de autofagia, los organelos que seran digeridos son envueltos por una membrana derivada de reticulo endoplasmico denominada autofagosoma; entonces la vesicula se fusiona con un lisosoma. Asimismo las enzimas lisosomicas pueden destruir a su propia celula mediante un proceso llamado autolisis, que ocurre en algunos trastornos patologicos; ellas tambien son responsables del deterioro de los tejidos que ocurre inmediatamente despues de la muerte.

Aunque la mayoria de los procesos digestivos en los que participan los lisosomas ocurren en el interior de la celula, hay algunos casos en que las enzimas operan en la digestion extracelular. Un ejemplo es la liberacion de las enzimas lisosomicas durante la fertilizacion. La cabeza de la celula esper-matica suelta enzimas lisosomicas que ayudan al esperma a penetrar el ovulo.

APLICACION CLINICA

Enfermedad de Tay Sachs

Algunos trastornos son causados por fa lias lisosomicas. Por ejemplo, la enfermedad de Tay Sachs, que por lo comun afecta a ninos de Europa oriental descendientes de Ashkenazis, se trata de un trastorno hereditario que se ca-racteriza por la falta de una sola enzima Lisosomica, que nor-malmente desdobia o descompone una membrana glucoLipida Llamada gangliosido GM2, que tiene especial prevalencia en las celulas nerviosas. Conforme los gangliosidos GM2 se acumulan, la funcion de Las celulas nerviosas se hace menos eficiente. Los ninos con este problema de manera caracteristica experimentan convulsiones y rigidez muscular. Gradualmente se quedan rie-gos, dementes, pierden La coordinacion y finalmente mueren antes de los cinco afios de edad. Se ha logrado identificar el gen de La enfermedad de Tay Sachs y una prueba cromosomica puede detectar si un adulto es portador del gen defectuoso.

Peroxisomas

Otro grupo de organelos similares en estructura a los lisosomas, pero mas pequenos, son los llamados peroxisomas [ver fig. 0.3.1). Aunque alguna vez se penso que estos se formaban por brotes del reticulo endoplasmico, en la actua-lidad por lo regular existe acuerdo en que se forman por la division de peroxisomas preexistentes.

Los peroxisomas contienen una o mas enzimas que pue-den oxidar (remover los atomos de hidrogeno) varias sustan-cias organicas. Por ejemplo, sustancias como los aminoacidos y acidos grasos son oxidados en los peroxisomas como parte del metabolismo normal. Ademas, las enzimas de los peroxisomas oxidan las sustancias toxicas como el alcohol. Un producto intermedio de la oxidation es el peroxido de hidrogeno (H2O2), un compuesto potencialmente toxico. Sin embargo, los peroxisomas tambien contienen una enzima llamada catalasa, que descompone el H2O2 En virtud de que la generacion y degradation del peroxido de hidrogeno ocurre dentro del propio organelo, los peroxisomas protegen otras partes de la celula de los efectos nocivos del H2O2.

Mitocondria

En virtud de las actividades que realizan en la production de ATP, las mitocondrias constituyen la "central energetica" de la celula. Una celula puede tener unos pocos cientos o miles de mitocondrias. Las celulas con actividad fisiologica, como las de los musculos, higado y rifiones tienen un gran numero de mitocondrias porque usan ATP en grandes cantidades. Las mitocondrias por lo regular se localizan en la parte de la celula que tiene mayores requerimientos de energia, como entre las proteinas contractiles del tejido muscular. Una mitocondria esta limitada por dos membranas, cada una de las cuales es similar en estructura a la membrana plasmatica (fig. 0.3.24). La membrana metocondrial externa es lisa., pero la membrana metocondrial interna tiene una serie de pliegues o dobleces denominados crestas. La cavidad central Uena de liquido de una mitocondria delimitada por la membrana interna y las crestas es la matriz. Los pliegues complejos de las crestas proporcionan un area enorme para las reacciones quimicas que son parte de la fase aerobica de la respiration celular. Esas reacciones producen la mayor parte de ATP celular. Las enzimas que catalizan la respiracion celular se localizan en la matriz y sobre las crestas.

Al igual que los peroxisomas, las mitocondrias se autorreplican, un proceso que ocurre cuando se incrementa la demanda de energia o antes de la division celular. Cada mitocondria tiene multiples copias identicas de una molecula circular de ADN que contiene 37 genes. Estos, junto con los genes del nucleo celular, controlan la production de proteinas que forman los componentes mitocondricos. Dado que los ribosomas tambien se hallan presentes en la matriz de las mitocondrias, algunas sintesis de proteinas tienen lugar dentro de estas.

Aunque el nucleo de cada celula somatica contiene genes tanto de la madre como del padre, los genes mitocondricos por lo general son heredados de la madre. La cabeza de un es-perma (la parte que penetra y fertiliza al ovulo) normalmente carece de la mayoria de los organelos, como las mitocondrias, ribosomas, reticulo endoplasmico y complejo de Golgi.

NUCLEO

OBJETIVO

• Describir la estructura yfuncion del nucleo.

El nucleo es una estructura de forma esferica u ovalada que comunmente es la caracteristica mas prominente de la celula (fig. 0.3.25). La mayoria de los cuerpos celulares tiene un solo nucleo, aunque algunos, como los eritrocitos maduro, no tienen ninguno. En contraste, las celulas del musculo esqueletico y otras pocas celulas poseen varios micleos. Una membrana de doble capa, denominada membrana nucleai separa el nucleo del citoplasma. Ambas capas son lipidicas similares a la membrana plasmatica. La membrana externa del nucleo es una continuation del RE rugoso y resulta similar en su estructura. La cubierta nuclear esta perforada por numerosos canales llamados poros nucleares (fig. 0.5.25c). Cada uno de ellos consta de una disposition de proteinas que circunda un canal central, el cual es unas 10 veces mas grande que el poro de un canal proteico en la membrana plasmatica.

Los poros nucleares controlan el movimiento de las sus-tancias entre el nucleo y el citoplasma. Las moleculas peque-nas y los iones se difunden de manera pasiva a traves de los canales acuosos abiertos en los poros.

No obstante, las moleculas mas grandes como el ARN (acido ribonucleico) y las proteinas no pueden pasar a traves de los poros nucleares por difusion. En vez de ello, lo hacen por medio de un proceso de transporte activo en el cual hay reconocimiento y traslado selectivo de las moleculas en una sola direction. A medida que se lleva a cabo esta identificacion y movimiento a traves de los canales regulados, los poros nucleares se abren para acomodarlas. Esto permite que se lleve a cabo el transporte selectivo de proteinas al citosol dentro del nucleo, y del ARNs del nucleo dentro del citosol.

Dentro del nucleo hay uno o mas cuerpos esfericos llamados nudeolos. Estos son ciimulos de proteinas, ADN y ARN que no estan envueltos por una membrana; consti-tuyen sitios de ensamblaje de ribosomas, que desempenan una funcion clave en la sintesis de las proteinas. Los nucleo-los son muy prominentes en las celulas que sintetizan enormes cantidades de proteinas, como las del higado y las musculares. Durante la division celular los nucleolos se dispersan, desaparecen y reorganizan una vez que se han formado las celulas nuevas.

Dentro del nucleo se encuentran la mayoria de las unida-des hereditarias de las celulas, que reciben el nombre de genes (gen en singular), que controlan las estructuras celulares y dirigen la mayoria de las actividades celulares. Los genes estan dispuestos en una sola fila a lo largo de los cromosomas. Las celulas somaticas humanas tienen 46 cromosomas, 23 heredados de la madre y 23 del padre. Cada cromosoma es una molecula larga de ADN que se halla estrechamente arrollada con varias proteinas (fig. 0.3.26). En una celula no dividida, los 46 cromosomas tienen la apariencia de una masa granular difusa, que recibe el nombre de cromatina. La micrografia electronica muestra que la cromatina tiene una estructura como de cuentas ensartadas en un nlamento. Cada cuenta o esfera corresponde a un nucleosoma que consta de una doble helice (o espiral) en torno a un centro de ocho proteinas llamado histona que ayuda a la organization helicoidal del ADN. El "filamento" entre las "cuentas" se denomina vinculo de ADN, cuya funcion consiste en mantener juntos los nucleosomas adyacentes. Otras histonas promueven el arrollamiento de los nucleosomas dentro del diametro mas grande formado por las fibras de cromatina, que en-tonces se pliegan para formar grandes rizos. El ADN se organiza de esta manera en las celulas que no se hallan divididas. Sin embargo, justo antes de que se lleve a cabo la partition celular, el ADN se replica (duplica) y las espirales se condensan aun mas para formar pares de cromatides hermanas, que se pueden apreciar facilmente en el microscopio optico como estructuras con forma de baston.

SINTESIS DE PROTEINAS

OBJETIVO

• Describir la secuencia de los procesos que conlleva la sintesis de las proteinas.

Si bien las celulas sintetizan muchas sustancias quimicas para mantener la homeostasis, muchos de los componentescelulares tienen como funcion sintetizar grandes cantidades de diversas proteinas, las cuales, a su vez, determinan las caracterlsticas fisicas y quimicas de las celulas y, por consiguiente, de los organismos. Algunas proteinas se utilizan para unir o ensamblar estructuras celulares como la membrana plasmatica, el citoesqueleto y otros organelos. Otras proteinas sirven como hormonas, anticuerpos y elementos contractiles del tejido muscular. Mas aun, otras son enzimas que regulan el niimero de reacciones quimicas que se llevan a cabo en las celulas.

Las instrucciones para procesar las proteinas se encuen-tran principaknente en el ADN dentro del nucleo. Para sintetizar las proteinas, primero se transcribe (copia) la information codificada en una region del ADN, con el fin de producir una molecula especifica de ARN (fig. 0.3.27). Despues la informacion contenida en este acido se traduce en la secuencia co-rrespondiente de aminoacidos que forman una molecula de proteina.

El ADN tiene la capacidad de codificar la production de miles de diferentes proteinas. Como se vio en el capitulo 2, solo 20 aminoacidos estan formados por bloques de todas las proteinas. Para que estas sean sintetizadas por las celulas, los ribosomas deben conjuntar los aminoacidos apropiados en una secuencia determinada por un segmento del ARN, el cual se produce de acuerdo con las instrucciones codificadas en la parte correspondiente del acido desoxirribonucleico.

La informacion se almacena en el ADN (y tambien en el ARN) en conjuntos de tres bases nitrogenadas o nucleotidos. Una secuencia de tres nucleotidos en ese acido recibe el nombre de triplete de bases. Cada uno de estos es transcrito (copiado) como una secuencia complementaria de tres nu¬cleotidos de ARN, denominados codones. Un codon dado especifica un aminoacido. El codigo geiietico constituye un conjunto de reglas que se relacionan con la secuencia del triplete de bases del ADN con respecto a los codones corres-pondientes del ARN y los aminoacidos que especifican.

El primer paso en la sintesis de las proteinas es la trans¬cripcion, que se analiza en el siguiente parrafo.

Transcripcion

Durante este proceso, que ocurre dentro del nucleo, la informacion genetica representada por la secuencia de tri-pletes de bases en el ADN sirve como molde o plantilla para copiar los datos en una secuencia complementaria de codones en un filamento de ARN. Las tres clases de ARN se originan a partor del molde de ADN: ARN mensajero (ARNm), el cual dirige las síntesis de una proteína; el ARN ribosómico (ARNr) que se una a las proteínas ribosómicas para producir ribosomas; y el ARN de transferencia (ARNt), que se enlaza a un aminoácido y lo mantiene en su lugar sobre un ribosoma hasta que es incorporado a una proteina durante el translado.existen mas de 20 distintas clases de ARNt, pero cada una se une solo a uno de los 20 diferentes tipos de aminoácidos. Por lo tanto, cada gen en un segmento de ADN es transcrito en un ARNm, ARNr, o ARNt especifico.

Una enzima ARN polimerasa cataliza la transcripcion del ADN. No obstante, es necesario que se den instrucciones a la enzima sobre el sitio donde debe iniciar este proceso y el lu¬gar donde ha de terminarlo. El segmento de ADN en el cual se inicia la transcripcion es una secuencia nucleotida especial denominada promotora, que se localiza cerca del origen de un gen (fig. 3.28). Es aqui donde el ARN polimerasa se une al ADN. Durante la transcripcion, las bases se complementan y forman pares (pareamiento). Las moldes o plantillas de bases de citosina (C), guanina (G) y timina (T) del ADN determinan como ha de ser la secuencia de estas bases en la cadena de ARN (fig. 3.28b). Sin embargo la plantilla de adenina en el ADN impone el uracilo (U) en vez de la timina en el ARN:

A U

T A

G C

C G

A U

T A

Molde de secuencia Secuencia de bases de bases en el ADN complementarias en el ARN

Solo uno de los dos filamentos de ADN sirve como plantilla para la sintesis de ARN, el cual es conocido como filamento con sentido. El otro (que no es transcrito) recibe el nombre de filamento en contrasentido.

La transcripcion del filamento con sentido del ADN termina en otra secuencia nucleotida especial denominada de terrainacion, la cual especifica el fin del gen (fig. 0.28a). Cuando el ARN polimerasa alcanza este punto, la enzima se aparta de la molecula ARN transcrita y del filamento de ADN con sentido.

Dentro de un gen hay regiones llamadas intrones que no codifican ciertas partes de las proteinas, localizadas entre regiones denominadas extrones que codifican segmentos de una proteina. Inmediatamente despues de la transcripcion el ARNm incluye informacion de intrones y exones, por lo que recibe el nombre de ARNpre-m. Pequeiias ribonucleoprotetnas (enzimas que recortan los intrones y los unen a los exones) del nucleo separan los intrones del ARNpre-m (fig. 0.3.28b). El resultado es una molecula ARNm funcional que pasa a traves del poro de la membrana del nucleo hasta llegar al citoplasma, donde se realiza el transporte.

Traducción

Recibe el nombre de traduccion el proceso mediante el cual la secuencia nucleotida en una molecula de ARNm determina el orden de los aminoacidos de una proteina. Los ribosomas del citoplasma llevan a cabo este proceso. La subunidad pequena de un ribosoma tiene un sitio de enlace para el ARN; la subunidad grande posee dos de estos sitios (fig.0. 3.29). El primer lugar de union de las moleculas de ARNt es el sitio P, donde la primera molecula ARNt, que lleva su animoacido especifico, se une al ARNm. El segundo es el sitio A, que sostiene la siguiente molecula ARNt que lleva sus aminoacidos. El transporte se realiza en la siguiente secuencia (fig.0. 3.30):

1 Una molecula de ARNm se enlaza a una pequena subunidad ribosomica en su sitio de union. Un ARNt especial, denominado iniciador, se une al codon de inicio (AUG) en el ARNm donde empieza el transporte.

2 La unidad ribosomica grande se adhiere a la subunidad pequena, con lo que da origen a un ribosoma funcional. El ARNt iniciador se acopla al sitio P del ribosoma. Un extremo de un ARNt tiene un aminoacido especifico y el extremo opuesto consta de un triplete de nucleotidos llamado anticodon. Por medio del apareamiento de bases, el anticodon ARNt se une al codon ARNm com-plementario. Por ejemplo, si el codon ARNm esta en el codon de inicio, entonces el ARNt con el anticodon UAC se unira a el.

3 El anticodon de otro ARNt con su aminoacido se une al codon ARNm complementario en el sitio A del ribosoma.

4 El polipeptido en crecimiento se separa de ARNt en el sitio P y forma un enlace peptidico con el aminoacido transportado por el ARNt en el sitio A. Una enzima en la subunidad ribosomica grande cataliza la formacion de un enlace peptidico.

5 Luego de la formacion del enlace peptidico, el ARNt del sitio P se separa del ribosoma, y este cambia el filamento ARNm por un codon. El ARNt en el sitio A, que lleva la proteina recien formada, se desplaza al sitio P y permite que otro ARNt con sus aminoacidos se enlace a un codon recientemente expuesto en el sitio A. Se repiten de nuevo los pasos cuatro y cinco una y otra vez con-forme la proteina se alarga de manera progresiva.

6 La sintesis de las proteinas se detiene cuando el ribosoma alcanza un codon de alto (stop) en el sitio A, en el mo-mento en que la proteina completa se separa del ARNt final. Entonces el ARNt deja vacante el sitio A y el ribosoma se divide en sus unidades constitutivas.

La sintesis de proteinas se lleva a cabo a una velocidad de 15 aminoacidos por segundo. Conforme el ribosoma se mue-ve a lo largo del ARNm y antes de que termine la sintesis de la proteina completa, otro ribosoma puede unirse a la parte posterior de esta e iniciar la traduccion del mismo filamento de ARNm. De esta manera varios ribosomas forman un polirri-bosoma que puede estar unido a este mismo acido mensajero. El movimiento simultaneo de varios ribosomas a lo largo de la misma molecula de ARNm permite que se realice su traduccion en varias proteinas identicas en un lapso breve.

APLICACION CLINICA ADN recombinante

A partir de 1973, los cientificos idearon tecnicas para insertar genes de otros organismos dentro de diversas celulas huespedes. Esta manipulation hace que el organismo huesped produzca proteinas que normalmente no sintetizaria. Los organismos alterados de esta manera son denominados re-combinantes y su ADN —una combination de ADN de difer-entes fuentes— recibe el nombre de ADN recombinante. Cuando este funciona en forma adecuada, el huesped sintetiza la proteina determinada por el gen que se le ha insertado. La nueva tecnologia que ha surgido de la manipulation de los mteriales geneticos se denomina ingenieria genetica.

Las aplicaciones practicas de la tecnologia del ADN re¬combinante son enormes. En la actualidad se producen cepas de bacterias recombinantes que generan grandes cantidades de sustancias terapeuticas (para tratamiento). Entre ellas esta la hormona del crecimiento humano (hHG), la cual se requiere para el desarrollo durante la nifiez y es importante para el me-tabolismo de los adultos; la insulina, una hormona que ayuda a regular los niveles de glucosa en la sangre, se usa para contro-lar la diabetes; el interferon (IFN), una sustancia antiviral (y posiblemente anticancerigena), y la eritropoyetina, una hor¬mona que estimula la production de eritrocitos.