El citoplasma y los orgánulos celulares

Todas las células vivas en organismos multicelulares contienen un compartimento citoplasmático interno y un núcleo dentro del citoplasma. El citosol, la sustancia gelatinosa dentro de la célula, proporciona el medio fluido necesario para las reacciones bioquímicas. Las células eucariotas, incluidas todas las células animales, también contienen varios orgánulos celulares. Un orgánulo ("órgano pequeño") es uno de los diferentes tipos de cuerpos encerrados en la membrana de la célula, y cada uno realiza una función única. Así como los diversos órganos corporales trabajan juntos en armonía para realizar todas las funciones de un ser humano, los muchos orgánulos celulares diferentes trabajan juntos para mantener la célula sana y desempeñar todas sus funciones importantes. Los orgánulos y el citosol, en conjunto, componen el citoplasma de la célula. El núcleo es el orgánulo central de una célula, que contiene el ADN de la célula.

Célula humana prototípica: Si bien esta imagen no es indicativa de ninguna célula humana en particular, es un ejemplo prototípico de una célula que contiene los orgánulos primarios y las estructuras internas.

Organelos del sistema de endomembranas

Un conjunto de tres organelos principales juntos forman un sistema dentro de la célula llamado sistema de endomembrana. Estos orgánulos trabajan juntos para realizar diversos trabajos celulares, incluida la tarea de producir, empaquetar y exportar ciertos productos celulares. Los orgánulos del sistema endomembrana incluyen el retículo endoplásmico, el aparato de Golgi y las vesículas.

Retículo endoplásmico

El retículo endoplásmico (ER) es un sistema de canales que es continuo con la membrana nuclear (o "envoltura") que cubre el núcleo y está compuesto por el mismo material de bicapa lipídica. La sala de emergencias puede considerarse como una serie de vías sinuosas similares a las de los canales de Venecia. La sala de emergencias proporciona pasajes en gran parte de la célula que funcionan en el transporte, la síntesis y el almacenamiento de materiales. La estructura sinuosa del ER da como resultado una gran área de superficie membranosa que soporta sus muchas funciones.

Retículo endoplásmico (ER): (a) El ER es una red sinuosa de sacos membranosos delgados que se encuentran en estrecha asociación con el núcleo celular. Las retículas endoplásmicas lisas y rugosas son muy diferentes en apariencia y función (fuente: tejido de ratón). (b) Rough ER está tachonado con numerosos ribosomas, que son sitios de síntesis de proteínas (fuente: tejido de ratón). EM × 110,000. (c) Smooth ER sintetiza fosfolípidos, hormonas esteroides, regula la concentración de Ca⁺⁺ celular, metaboliza algunos carbohidratos y descompone ciertas toxinas (fuente: tejido de ratón). EM × 110,510.

El retículo endoplásmico puede existir en dos formas: ER rugoso y ER liso. Estos dos tipos de ER realizan algunas funciones muy diferentes y se pueden encontrar en cantidades muy diferentes según el tipo de célula. El ER áspero (RER) se denomina porque su membrana está salpicada de gránulos incrustados, orgánulos llamados ribosomas, que le dan al RER una apariencia irregular. Un ribosoma es un orgánulo que sirve como sitio de síntesis de proteínas. Está compuesto por dos subunidades de ARN ribosómico que se envuelven alrededor del ARNm para comenzar el proceso de traducción, seguido de la síntesis de proteínas. Smooth ER (SER) carece de estos ribosomas.

Una de las funciones principales de la ER suave es la síntesis de lípidos. El ER liso sintetiza fosfolípidos, el componente principal de las membranas biológicas, así como las hormonas esteroides. Por esta razón, las células que producen grandes cantidades de tales hormonas, como las de los ovarios femeninos y los testículos masculinos, contienen grandes cantidades de ER suave. Además de la síntesis de lípidos, el ER liso también secuestra (es decir, almacena) y regula la concentración de Ca⁺⁺ celular, una función extremadamente importante en las células del sistema nervioso donde Ca⁺⁺ es el desencadenante de la liberación de neurotransmisores. El ER suave también metaboliza algunos carbohidratos y realiza una función de desintoxicación, descomponiendo ciertas toxinas.

A diferencia del ER liso, el trabajo principal del ER rugoso es la síntesis y modificación de proteínas destinadas a la membrana celular o para la exportación desde la célula. Para esta síntesis de proteínas, muchos ribosomas se unen al ER (dándole la apariencia tachonada de ER áspero). Por lo general, una proteína se sintetiza dentro del ribosoma y se libera dentro del canal del ER áspero, donde se le pueden agregar azúcares (mediante un proceso llamado glicosilación) antes de transportarla dentro de una vesícula a la siguiente etapa en el proceso de empaque y envío. : el aparato de Golgi.

El aparato de Golgi

El aparato de Golgi es responsable de clasificar, modificar y enviar los productos que provienen de la sala de emergencias, como una oficina de correos. El aparato de Golgi parece discos apilados apilados, casi como pilas de panqueques de formas extrañas. Al igual que la sala de emergencias, estos discos son membranosos. El aparato de Golgi tiene dos lados distintos, cada uno con un papel diferente. Un lado del aparato recibe productos en vesículas. Estos productos se clasifican a través del aparato, y luego se liberan desde el lado opuesto después de ser reenvasados en nuevas vesículas. Si el producto se va a exportar desde la célula, la vesícula migra a la superficie celular y se fusiona con la membrana celular, y la carga se secreta.

 Aparato de Golgi (a) El aparato de Golgi manipula productos de la sala de emergencias rugosa y también produce nuevos orgánulos llamados lisosomas. Las proteínas y otros productos de la sala de emergencias se envían al aparato de Golgi, que los organiza, modifica, empaqueta y etiqueta. Algunos de estos productos se transportan a otras áreas de la célula y algunos se exportan desde la célula a través de la exocitosis. Las proteínas enzimáticas se empaquetan como nuevos lisosomas (o se empaquetan y se envían para fusión con los lisosomas existentes). (b) Una micrografía electrónica del aparato de Golgi.

Lisosomas

Algunos de los productos proteicos empaquetados por Golgi incluyen enzimas digestivas que están destinadas a permanecer dentro de la célula para su uso en la descomposición de ciertos materiales. Las vesículas que contienen enzimas liberadas por el Golgi pueden formar nuevos lisosomas o fusionarse con los lisosomas existentes. Un lisosoma es un orgánulo que contiene enzimas que descomponen y digieren componentes celulares innecesarios, como un orgánulo dañado. (Un lisosoma es similar a un equipo de demolición que derriba edificios viejos y poco sólidos en un vecindario). La autofagia ("autocomida") es el proceso de una célula que digiere sus propias estructuras. Los lisosomas también son importantes para descomponer material extraño. Por ejemplo, cuando ciertas células de defensa inmunitaria (glóbulos blancos) fagocitan las bacterias, la célula bacteriana es transportada a un lisosoma y es digerida por las enzimas en su interior. Como uno podría imaginar, tales células de defensa fagocíticas contienen grandes cantidades de lisosomas.

Bajo ciertas circunstancias, los lisosomas realizan una función más grandiosa y grave. En el caso de células dañadas o no saludables, los lisosomas pueden activarse para abrirse y liberar sus enzimas digestivas en el citoplasma de la célula, matando la célula. Este mecanismo de "autodestrucción" se llama autólisis y controla el proceso de muerte celular (un mecanismo llamado "apoptosis").

Organelos para producción de energía y desintoxicación

Además de los trabajos realizados por el sistema de endomembranas, la célula tiene muchas otras funciones importantes. Del mismo modo que debe consumir nutrientes para obtener energía, cada una de sus células debe ingerir nutrientes, algunos de los cuales se convierten en energía química que puede utilizarse para impulsar reacciones bioquímicas. Otra función importante de la célula es la desintoxicación. Los humanos absorben todo tipo de toxinas del medio ambiente y también producen productos químicos nocivos como subproductos de los procesos celulares. Las células llamadas hepatocitos en el hígado desintoxican muchas de estas toxinas.

Mitocondrias

Una mitocondria (plural = mitocondrias) es un orgánulo membranoso en forma de frijol que es el "transformador de energía" de la célula. Las mitocondrias consisten en una membrana de bicapa lipídica externa, así como una membrana de bicapa lipídica interna adicional. La membrana interna está muy plegada en estructuras sinuosas con una gran superficie, llamada cristae. Es a lo largo de esta membrana interna que una serie de proteínas, enzimas y otras moléculas realizan las reacciones bioquímicas de la respiración celular. Estas reacciones convierten la energía almacenada en las moléculas de nutrientes (como la glucosa) en trifosfato de adenosina (ATP), que proporciona energía celular utilizable a la célula. Las células usan ATP constantemente, por lo que las mitocondrias trabajan constantemente. Se requieren moléculas de oxígeno durante la respiración celular, por lo que debe inhalarla constantemente. Uno de los sistemas de órganos del cuerpo que usa grandes cantidades de ATP es el sistema muscular porque se requiere ATP para mantener la contracción muscular. Como resultado, las células musculares están llenas de mitocondrias. Las células nerviosas también necesitan grandes cantidades de ATP para hacer funcionar sus bombas de sodio-potasio. Por lo tanto, una neurona individual se cargará con más de mil mitocondrias. Por otro lado, una célula ósea, que no es tan metabólicamente activa, podría tener solo un par de cientos de mitocondrias.

Mitocondria: Las mitocondrias son las fábricas de conversión de energía de la célula. (a) Una mitocondria se compone de dos membranas de bicapa lipídica separadas. A lo largo de la membrana interna hay varias moléculas que trabajan juntas para producir ATP, la principal moneda de energía de la célula. (b) Una micrografía electrónica de mitocondrias. EM × 236,000.

Peroxisomas

Al igual que los lisosomas, un peroxisoma es un orgánulo celular unido a la membrana que contiene principalmente enzimas. Los peroxisomas realizan un par de funciones diferentes, incluido el metabolismo de los lípidos y la desintoxicación química. A diferencia de las enzimas digestivas que se encuentran en los lisosomas, las enzimas dentro de los peroxisomas sirven para transferir átomos de hidrógeno de varias moléculas al oxígeno, produciendo peróxido de hidrógeno (H2 O2). De esta manera, los peroxisomas neutralizan los venenos como el alcohol. Para apreciar la importancia de los peroxisomas, es necesario comprender el concepto de especies reactivas de oxígeno.

Peroxisoma: Son orgánulos unidos a la membrana que contienen una gran cantidad de enzimas para desintoxicar sustancias nocivas y el metabolismo de los lípidos.

Las especies reactivas de oxígeno (ROS) como los peróxidos y los radicales libres son los productos altamente reactivos de muchos procesos celulares normales, incluidas las reacciones mitocondriales que producen ATP y el metabolismo del oxígeno. Los ejemplos de ROS incluyen el radical hidroxilo OH, H₂O₂ y superóxido (O₂⁻). Algunos ROS son importantes para ciertas funciones celulares, como los procesos de señalización celular y las respuestas inmunes contra sustancias extrañas. Los radicales libres son reactivos porque contienen electrones libres no apareados; pueden oxidar fácilmente otras moléculas en toda la célula, causando daño celular e incluso la muerte celular. Se cree que los radicales libres desempeñan un papel en muchos procesos destructivos en el cuerpo, desde el cáncer hasta la enfermedad de las arterias coronarias.

Los peroxisomas, por otro lado, supervisan las reacciones que neutralizan los radicales libres. Los peroxisomas producen grandes cantidades de H₂O₂ tóxico en el proceso, pero los peroxisomas contienen enzimas que convierten el H₂O₂ en agua y oxígeno. Estos subproductos se liberan de forma segura en el citoplasma. Al igual que las plantas de tratamiento de aguas residuales en miniatura, los peroxisomas neutralizan las toxinas dañinas para que no causen estragos en las células. El hígado es el principal responsable de desintoxicar la sangre antes de que viaje por todo el cuerpo, y las células del hígado contienen un número excepcionalmente alto de peroxisomas.

Los mecanismos de defensa como la desintoxicación dentro del peroxisoma y ciertos antioxidantes celulares sirven para neutralizar muchas de estas moléculas. Algunas vitaminas y otras sustancias, que se encuentran principalmente en frutas y verduras, tienen propiedades antioxidantes. Los antioxidantes funcionan al oxidarse ellos mismos, deteniendo las cascadas de reacción destructivas iniciadas por los radicales libres. A veces, sin embargo, ROS se acumula más allá de la capacidad de tales defensas.

El estrés oxidativo es el término utilizado para describir el daño a los componentes celulares causado por ROS. Debido a sus electrones no apareados característicos, ROS puede desencadenar reacciones en cadena donde eliminan electrones de otras moléculas, que luego se oxidan y reaccionan, y hacen lo mismo con otras moléculas, causando una reacción en cadena. ROS puede causar daño permanente a los lípidos celulares, proteínas, carbohidratos y ácidos nucleicos. El ADN dañado puede conducir a mutaciones genéticas e incluso cáncer. Una mutación es un cambio en la secuencia de nucleótidos en un gen dentro del ADN de una célula, que potencialmente altera la proteína codificada por ese gen. Otras enfermedades que se cree que son desencadenadas o exacerbadas por ROS incluyen la enfermedad de Alzheimer, enfermedades cardiovasculares, diabetes, enfermedad de Parkinson, artritis, enfermedad de Huntington y esquizofrenia, entre muchas otras. Es de destacar que estas enfermedades están en gran medida relacionadas con la edad. Muchos científicos creen que el estrés oxidativo es uno de los principales contribuyentes al proceso de envejecimiento.

Célula: la teoría de los radicales libres

La teoría de los radicales libres sobre el envejecimiento se propuso originalmente en la década de 1950 y aún permanece en debate. En términos generales, la teoría del envejecimiento por radicales libres sugiere que el daño celular acumulado por el estrés oxidativo contribuye a los efectos fisiológicos y anatómicos del envejecimiento. Hay dos versiones significativamente diferentes de esta teoría: una afirma que el proceso de envejecimiento en sí es el resultado del daño oxidativo, y la otra afirma que el daño oxidativo causa enfermedades y trastornos relacionados con la edad. La última versión de la teoría es más ampliamente aceptada que la primera. Sin embargo, muchas líneas de evidencia sugieren que el daño oxidativo contribuye al proceso de envejecimiento. La investigación ha demostrado que la reducción del daño oxidativo puede resultar en una vida útil más larga en ciertos organismos como la levadura, gusanos y moscas de la fruta. Por el contrario, aumentar el daño oxidativo puede acortar la vida útil de ratones y gusanos. Curiosamente, se ha demostrado que una manipulación llamada restricción calórica (restricción moderada de la ingesta calórica) aumenta la vida útil en algunos animales de laboratorio. Se cree que este aumento se debe al menos en parte a una reducción del estrés oxidativo. Sin embargo, un estudio a largo plazo de primates con restricción calórica no mostró un aumento en su esperanza de vida. Se requerirá una gran cantidad de investigación adicional para comprender mejor el vínculo entre las especies reactivas de oxígeno y el envejecimiento.

El citoesqueleto

Al igual que el esqueleto óseo sostiene estructuralmente al cuerpo humano, el citoesqueleto ayuda a las células a mantener su integridad estructural. El citoesqueleto es un grupo de proteínas fibrosas que proporcionan soporte estructural para las células, pero esta es solo una de las funciones del citoesqueleto. Los componentes del citoesqueleto también son críticos para la motilidad celular, la reproducción celular y el transporte de sustancias dentro de la célula.

El citoesqueleto forma una red compleja en forma de hilo en toda la célula que consta de tres tipos diferentes de filamentos basados ​​en proteínas: microfilamentos, filamentos intermedios y microtúbulos. El más grueso de los tres es el microtúbulo, un filamento estructural compuesto de subunidades de una proteína llamada tubulina. Los microtúbulos mantienen la forma y estructura de la célula, ayudan a resistir la compresión de la célula y juegan un papel en el posicionamiento de los orgánulos dentro de la célula. Los microtúbulos también forman dos tipos de apéndices celulares importantes para el movimiento: cilios y flagelos. Los cilios se encuentran en muchas células del cuerpo, incluidas las células epiteliales que recubren las vías respiratorias del sistema respiratorio. Los cilios se mueven rítmicamente; golpean constantemente, moviendo materiales de desecho como polvo, moco y bacterias hacia arriba a través de las vías respiratorias, lejos de los pulmones y hacia la boca. Golpear los cilios en las células de las trompas de Falopio femeninas mueve los óvulos desde el ovario hacia el útero. Un flagelo (plural = flagelos) es un apéndice más grande que un cilio y especializado para la locomoción celular. La única célula flagelada en humanos es la célula de esperma que debe impulsarse hacia los óvulos femeninos.

 Los tres componentes del citoesqueleto: El citoesqueleto consta de (a) microtúbulos, (b) microfilamentos y (c) filamentos intermedios. El citoesqueleto juega un papel importante en el mantenimiento de la forma y estructura celular, promoviendo el movimiento celular y ayudando a la división celular.

Una función muy importante de los microtúbulos es establecer los caminos (algo así como las vías del ferrocarril) a lo largo de los cuales se puede extraer el material genético (un proceso que requiere ATP) durante la división celular, para que cada nueva célula hija reciba el conjunto apropiado de cromosomas. Dos estructuras de microtúbulos cortas e idénticas llamadas centriolos se encuentran cerca del núcleo de las células. Un centriolo puede servir como punto de origen celular para microtúbulos que se extienden hacia afuera como cilios o flagelos o puede ayudar con la separación del ADN durante la división celular. Los microtúbulos crecen a partir de los centriolos al agregar más subunidades de tubulina, como agregar enlaces adicionales a una cadena.

A diferencia de los microtúbulos, el microfilamento es un tipo más delgado de filamento citoesquelético (ver b). La actina, una proteína que forma cadenas, es el componente principal de estos microfilamentos. Las fibras de actina, cadenas retorcidas de filamentos de actina, constituyen un gran componente del tejido muscular y, junto con la proteína miosina, son responsables de la contracción muscular. Al igual que los microtúbulos, los filamentos de actina son cadenas largas de subunidades individuales (llamadas subunidades de actina). En las células musculares, estos largos filamentos de actina, llamados filamentos delgados, son "arrastrados" por filamentos gruesos de la proteína miosina para contraer la célula.

La actina también tiene un papel importante durante la división celular. Cuando una célula está a punto de partirse por la mitad durante la división celular, los filamentos de actina trabajan con la miosina para crear un surco de escisión que eventualmente divide la célula por la mitad, formando dos células nuevas a partir de la célula original.

El filamento citoesquelético final es el filamento intermedio. Como su nombre lo sugiere, un filamento intermedio es un filamento de grosor intermedio entre los microtúbulos y los microfilamentos (ver c). Los filamentos intermedios están formados por largas subunidades fibrosas de una proteína llamada queratina que se enrollan juntas como los hilos que componen una cuerda. Los filamentos intermedios, en concierto con los microtúbulos, son importantes para mantener la forma y estructura celular. A diferencia de los microtúbulos, que resisten la compresión, los filamentos intermedios resisten la tensión, las fuerzas que separan las células. Hay muchos casos en los que las células son propensas a la tensión, como cuando las células epiteliales de la piel se comprimen, tirando de ellas en diferentes direcciones. Los filamentos intermedios ayudan a anclar orgánulos juntos dentro de una célula y también a unir células a otras células formando uniones especiales de célula a célula.

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