Fundamentos de Biología Celular: Estructura, Membrana y Transporte Nucleocitoplasmático

Origen de la Vida y Modelos Celulares

1. Origen de las Moléculas y la Protocélula

• Experimento de Miller: Producción de las primeras moléculas de aminoácidos.
• Formación de una molécula de purina y pirimidina que dio origen al ARN.
• Primera Célula: Formada por fosfolípidos que crearon una burbuja (bicapas). La unión de ARN y membrana constituyó la protocélula.

2. Evolución del Metabolismo Energético

Al principio, no existía oxígeno (O₂), por lo que las primeras células obtenían energía (E) mediante:

1. Glucólisis: Transforma moléculas orgánicas en ATP.
2. Fotosíntesis: Utiliza agua (H₂O) y dióxido de carbono (CO₂) para liberar oxígeno.
3. El O₂ liberado permitió el desarrollo de la respiración aeróbica.

3. Dominios de la Vida y Organización Eucariota

Existen tres dominios principales:

• Bacterias
• Arqueas
• Eucariotas (evolucionaron a partir de arqueas).

Características de la Célula Eucariota:

• Citoesqueleto: Mantiene la organización interna celular y está formado por filamentos de proteína.
• Membranas Internas: Aislan zonas para realizar funciones de manera independiente.
• Orgánulos Encerrados: Núcleo, Retículo Endoplásmico y Aparato de Golgi.
• Genoma Eucariota: Combina genes de arqueas (procesos de información) y bacterias (metabolismo).

4. Organismos Modelo en Biología Celular

Estos organismos son fáciles de trabajar y se conoce la secuencia completa de su genoma:

1. Bacteria E. Coli: Procariótico. Tiempo de generación: 20 minutos. Utilizado para estudiar la replicación del ADN, el código genético y la expresión génica.
2. Levaduras (Saccharomyces cerevisiae): Eucariota. Tiempo de generación: 2 horas. Utilizado para estudiar la replicación del ADN y el procesamiento del ARN.
3. C. elegans (Gusano): Modificado genéticamente. Utilizado para estudiar el desarrollo animal y la diferenciación celular.
4. Drosophila melanogaster (Mosca de la fruta): Tiempo de generación: 2 semanas.
5. Pez Cebra (Danio rerio): Tiempo de generación: 3-4 meses. Utilizado para estudiar el sistema cardíaco y el desarrollo.
6. Ratón (Mus musculus): Modificado genéticamente. Utilizado para estudiar la fisiología.
7. Cultivo de Células Animales:
   • Cultivos celulares primarios: Células somáticas diferenciadas.
   • Líneas celulares: Células madre embrionarias o células de tumores.
8. Arabidopsis thaliana (Planta): Tiempo de generación: 6 semanas. Utilizado para estudiar el desarrollo vegetal.

Membrana Plasmática y Transporte Celular

1. Composición de la Membrana Plasmática

La membrana es una bicapa de fosfolípidos con proteínas. Los fosfolípidos tienen una cabeza polar y colas de ácidos grasos.

Lípidos de Membrana:

• Con Glicerol (Fosfoglicéridos): Fosfatidilcolina, Fosfatidiletanolamina, Fosfatidilserina, Fosfatidilinositol.
• Sin Glicerol (Esfingolípidos): Esfingomielina.

Otros Lípidos (Cara Externa):

• Glicolípidos: Dos cadenas de hidrocarburos más un carbohidrato polar.
• Colesterol: Cuatro anillos rígidos hidrófobos más un grupo hidroxilo (OH).

2. Propiedades y Fluidez

• La membrana es impermeable a moléculas solubles en agua y a iones.
• Los ácidos grasos insaturados aumentan la fluidez.
• El colesterol disminuye la fluidez.
• Modelo Mosaico Fluido: Los lípidos y las proteínas se mueven lateralmente.

3. Proteínas de Membrana

Las proteínas de membrana suelen tener más de una cadena polipeptídica.

• Periféricas: Se unen por interacciones proteína-proteína.
• Integrales (Transmembrana): Atraviesan la bicapa, a menudo mediante hélices alfa hidrófobas.
• Ancladas por Lípidos/Glicolípidos:
  • Externa: Anclaje por GPI (Glicosilfosfatidilinositol).
  • Interna: Anclaje por lípidos unidos covalentemente.

Estructuras Asociadas a la Membrana:

• Glicocálix: Capa de carbohidratos en la cara externa que protege del estrés iónico y mecánico.
• Movilidad de Proteínas Limitada por: Citoesqueleto, interacciones con células vecinas o la matriz, y dominios lipídicos especializados.
• Balsas Lipídicas (Lipid Rafts): Ricas en esfingomielina, glicolípidos y colesterol. Funciones: señalización, endocitosis y movimiento celular.
• Caveolas: Invaginaciones de la membrana formadas por la proteína caveolina. Funciones: endocitosis, transporte de lípidos y protección mecánica.

4. Transporte a Través de la Membrana

Potencial de Reposo

La bomba Na⁺/K⁺ bombea 3 iones Na⁺ hacia afuera y 2 iones K⁺ hacia adentro. El K⁺ sale por canales de fuga, dejando el interior celular con carga negativa (-).

Mecanismos de Transporte

• Difusión Facilitada: Proteínas de canal o portadoras crean poros para moléculas de cualquier carga y tamaño.
• Transporte Activo: Mueve moléculas contra su gradiente de concentración, utilizando ATP o el gradiente de otra molécula.

Tipos de Transportadores

Canales Iónicos (Rápidos y Selectivos):

• Dependientes de Voltaje: Se abren por cambios en el potencial de membrana (ej. canal de K⁺).
• Dependientes de Ligando: Se abren por la unión de moléculas (ej. receptor nicotínico de acetilcolina).

Proteínas Portadoras:

• Transportador de Glucosa: Proteína portadora con 12 hélices alfa. Mecanismo: se abre, se une a la glucosa, gira y la expulsa dentro de la célula.
• Bomba Na⁺/K⁺: Expulsa 3 Na⁺ y capta 2 K⁺, requiere ATP para mantener el equilibrio iónico.
• Transportadores ABC: Usan ATP para mover moléculas dentro o fuera. Mecanismo: se abre, se une, hidrólisis de ATP a ADP, gira y expulsa.
• Transportadores Acoplados a Gradiente Iónico (Cotransporte): Por ejemplo, 2 Na⁺ + 1 glucosa entran juntos. La glucosa entra usando el gradiente de Na⁺ sin gasto extra de energía (E).

5. Endocitosis

• Fagocitosis: Captación de partículas grandes. Forma un fagosoma, que se fusiona con el lisosoma (fagolisosoma) para la digestión.
• Macropinocitosis: Captación de líquidos extracelulares en vesículas grandes, mediada por movimientos basados en actina.
• Endocitosis por Clatrina: Captura selectiva de moléculas. La dinamina forma anillos que cortan la invaginación para liberar la vesícula interna, la cual se fusiona para el proceso de Sorting (clasificación).
• Vías Independientes de Clatrina: Captación de moléculas específicas en caveolas, mediada por lípidos de caveolas y caveolina.

6. Exocitosis

• Exocitosis Normal (Constitutiva): Vesículas exocíticas provenientes del Golgi, endosomas o lisosomas se mueven a la superficie, se fusionan con la membrana plasmática, liberan su contenido y añaden membrana.
• “Besar y Correr” (Kiss-and-Run): Contacto breve y liberación rápida de neurotransmisores; la vesícula se retira rápidamente.
• Exosomas: Endosomas que forman vesículas internas que son liberadas. Importantes en la presentación de antígenos (células dendríticas y B).

Matriz Extracelular y Adhesión Celular

1. Paredes Celulares

• Pared Celular de Bacterias: Compuesta por Peptidoglicano (polisacáridos N-acetilglucosamina (NAG) y ácido N-acetilmurámico (NAM)). Es una capa covalente fuerte. Los antibióticos inhiben la formación de enlaces cruzados en el peptidoglicano, bloqueando el crecimiento bacteriano.
• Pared Celular de Eucariotas (Polisacáridos):
  • Hongos: Quitina (NAG).
  • Algas/Plantas: Celulosa (glucosa).
• Matriz Celular de Plantas Superiores: Microfibrillas de celulosa y polisacáridos. Contiene hemicelulosa, pectinas (cargadas negativamente -) y glicoproteínas.

2. Matriz Extracelular (MEC) Animal

Tipos de MEC:

• Láminas Basales: Se encuentran debajo de células epiteliales y musculares.
• Tejido Conectivo: Proporciona estructura y función.

Componentes de la MEC:

• Proteínas Estructurales: Colágeno y fibras elásticas.
• Polisacáridos: Glucosaminoglicanos (GAGs).
• Proteínas de Adhesión: Unen los componentes.

2.1. Proteínas Estructurales

• Colágeno: Es la proteína más abundante. Rica en Glicina, Prolina e Hidroxiprolina.
  • Tipo I: El más abundante; forma fibrillas de colágeno. Presenta enlaces cruzados covalentes entre lisina e hidroxilisina.
  • Tipo IV: Se encuentra en las láminas basales y es más flexible.
• Fibras Elásticas: Compuestas por elastina (núcleo) y fibrilina (cubierta).

2.2. Polisacáridos de la Matriz (GAGs)

Compuestos por N-acetilglucosamina y N-acetilgalactosamina. Están cargados negativamente (-).

• Hialuronano: Es el único GAG que existe como una sola cadena.

2.3. Proteínas de Adhesión de la MEC

• Fibronectina: Posee sitios de unión para colágeno y proteoglicanos.
• Lamininas: Posee sitios de unión para integrinas y proteoglicanos. Es el componente principal de las láminas basales.
• Metaloproteasas (MMPs): Enzimas que digieren las proteínas de la matriz.

2.4. Uniones Célula-Matriz por Integrinas

• Adhesiones Focales: La integrina ancla el citoesqueleto de actina.
• Hemidesmosomas: La integrina α6β4 se une a los filamentos intermedios de queratina.

3. Moléculas de Adhesión Celular (CAMs)

• Integrinas: Se unen a componentes de la MEC.
• Selectinas: Se encuentran en la superficie de glóbulos blancos, plaquetas y células endoteliales (tipos E, P, L).
• Superfamilia de Inmunoglobulinas (Ig): Incluye NCAM, PECAM e ICAMs. Pueden realizar interacciones homófilas (misma molécula) o heterófilas.
• Cadherinas: Importantes para la adhesión selectiva en células embrionarias y sinapsis (tipos E, P, N). Realizan interacciones homófilas.

4. Interacciones Célula-Célula (Uniones Estables)

• Uniones de Adhesión:
  • Uniones Adherentes: Anclan el citoesqueleto de actina mediante cadherinas.
  • Desmosomas: Formados por desmogleína, desmocolina y cadherina. Se unen a filamentos de queratina.
• Uniones Estrechas (Tight Junctions): Sellan el espacio extracelular. Formadas por hebras de proteínas.
• Uniones Gap (Comunicantes): Abren canales de comunicación formados por proteínas conexinas.

Núcleo y Transporte Nucleocitoplasmático

1. Estructura Nuclear

• Envoltura Nuclear: Separa el genoma del citoplasma. El espacio perinuclear está conectado con el Retículo Endoplásmico.
• Lámina Nuclear: Red de láminas debajo de la membrana interna que proporciona soporte estructural.
• Complejo del Poro Nuclear (NPC): Formado por 8 radios alrededor de un canal central, revestido por Nucleoporinas FG (ricas en fenilalanina y glicina).

2. Importación Nuclear

Se importan histonas, ADN y ARN polimerasas. Las proteínas destinadas al núcleo poseen una Señal de Localización Nuclear (NLS), rica en lisina y arginina.

Ciclo de Importación:

1. La Importina se une a la NLS de una proteína en el citoplasma.
2. El complejo Importina-Proteína pasa a través del NPC.
3. En el núcleo, Ran/GTP se une a la Importina y libera la proteína.
4. El complejo Importina-Ran/GTP regresa al citoplasma.
5. En el citoplasma, el GTP se hidroliza a GDP, liberando la Importina.
6. Ran/GDP regresa al núcleo.

3. Exportación Nuclear

Las moléculas a exportar poseen una Señal de Exportación Nuclear (NES).

Ciclo de Exportación:

1. La Exportina se une a Ran/GTP y a la proteína en el núcleo.
2. El complejo Ran/GTP-Exportina-Proteína viaja al citoplasma.
3. En el citoplasma, el GTP se hidroliza a GDP, liberando la proteína y la Exportina.
4. La Exportina y Ran/GDP se reciclan al núcleo.

4. Transporte de ARN

• ARNt y miARN: Transportados por exportinas específicas.
• ARNr: Se asocian a proteínas ribosómicas y se transportan por separado al citoplasma.
• ARNsn: Se asocian con ribonucleoproteínas nucleares pequeñas (snRNPs) y vuelven al núcleo por la snurportina.
• ARNm: Transportado por carioferinas y mediante un mecanismo independiente de Ran.