Organelos

Definición de Organelo

El término organelo deriva de la palabra ‘órgano’ y se refiere a compartimentos dentro de la célula que realizan una función específica. Estos compartimentos suelen estar aislados del resto del citoplasma a través de membranas intracelulares. Estas membranas pueden ser similares a la membrana plasmática o estar formadas por un complemento diferente de lípidos y proteínas. Las propiedades de una membrana se deben a su origen, como en el caso de las mitocondrias o los plastos, o a su función específica, como en el caso de la membrana nuclear. Unos pocos orgánulos no están unidos a una membrana y están presentes como grandes complejos formados por ARN y proteínas, como los ribosomas.

Las siguientes imágenes son representaciones de células vegetales, animales y bacterianas que muestran orgánulos comunes.

Estructura de la célula vegetal

Estructura de la célula animal

Diagrama simple de una bacteria

Las células tienen tres grandes retos a la hora de crear orgánulos. El primero es la formación y maduración de los bloques de construcción básicos del orgánulo. Esto incluye la membrana, sus macromoléculas unidas a la membrana y la maquinaria citoesquelética que da forma al orgánulo. Además, el orgánulo debe contener las sustancias químicas adecuadas: proteínas, aminoácidos, lípidos, carbohidratos o sus monómeros, junto con cofactores, enzimas y moléculas de señalización. Estas moléculas tienen que ser transportadas específicamente, y a menudo activamente, a estos compartimentos subcelulares. Por último, los orgánulos deben mantenerse a lo largo de la vida de la célula y segregarse con precisión durante la división celular. Las células de todo el mundo utilizan diferentes estrategias para llevar a cabo estas tareas.

Diferentes tipos de células suelen tener un predominio de un determinado orgánulo dependiendo de su función principal en el cuerpo. Por ejemplo, las células del parénquima de las hojas están llenas de cloroplastos, mientras que las células que forman la raíz suelen carecer de este orgánulo. Un organismo unicelular activo, como un paramecio, podría tener una vacuola que cambia rápidamente. Las células que participan en la secreción de proteínas suelen tener una red de Golgi bien desarrollada y un retículo endoplásmico rugoso prominente.

Ejemplos de orgánulos

En los organismos eucariotas, casi todas las células tienen un núcleo (las excepciones son los glóbulos rojos de los mamíferos). Los otros orgánulos comunes que se ven son las mitocondrias, los plastos (entre los autótrofos), la retícula endoplásmica, el aparato de Golgi, los lisosomas y las vacuolas. Algunas células especiales, como las neuronas, también contienen vesículas sinápticas. Todas estas estructuras están unidas a la membrana. Los complejos macromoleculares como los ribosomas, los espliceosomas, los centriolos y los centrosomas no están rodeados por una membrana, pero son orgánulos importantes en la mayoría de las células, realizando funciones vitales como la organización del citoesqueleto, la síntesis de proteínas y el procesamiento del ARN.

Las bacterias contienen orgánulos unidos a proteínas y a lípidos. Estos pueden estar formados por una simple membrana monocapa (ejemplo: carboxisomas) o por una bicapa (magnetosomas). Los orgánulos en procariotas se están estudiando más ampliamente ahora, especialmente con la llegada de mejores herramientas experimentales.

Tipos de orgánulos

Los orgánulos se pueden clasificar de varias maneras. La clasificación más sencilla se basa en su origen: si están presentes en procariotas o en eucariotas. Aunque muchas vías bioquímicas importantes entre estos dos linajes celulares comparten una ascendencia común, un plan celular complejo diferencia a la mayoría de las células eucariotas. El origen de este tipo particular de complejidad no se conoce bien. Los eucariotas son capaces de llevar a cabo cadenas de reacciones bioquímicas finamente reguladas debido principalmente a su capacidad de especialización subcelular. Además, la presencia de orgánulos que pueden generar ATP también proporciona la energía para impulsar estas reacciones metabólicas y sostener una célula más grande. Por otro lado, el material genético procariota se localiza en regiones semiorganizadas denominadas nucleoides que generalmente se ven como una parte del citoplasma que contiene la mayor parte del material genético de la célula. Los magnetosomas son otro tipo de orgánulos procariotas, prácticamente únicos por estar unidos por una bicapa lipídica. Estas estructuras están formadas por estructuras citoesqueléticas parecidas a la actina que participan en la conformación y localización del orgánulo dentro de la célula.

Sin embargo, esta clasificación simplista tropieza ocasionalmente con dificultades, especialmente con estructuras como las mitocondrias o los cloroplastos que se consideran antiguos endosimbiontes. Sin embargo, por regla general, los orgánulos procariotas suelen ser más sencillos, con una menor complejidad en cuanto a la composición química, y la estructura de la membrana.

Incluso dentro de las células eucariotas, la presencia y la naturaleza de la membrana que rodea un compartimento subcelular es un método común de clasificación. Mientras que los principales compartimentos, como los lisosomas y el retículo endoplásmico, están unidos por una bicapa lipídica, muchos orgánulos importantes, pero más pequeños, interactúan libremente con el entorno citoplasmático. Estos orgánulos no están llenos de líquido, sino que son masas sólidas de proteínas, ARN o ambos. Los ribosomas y los espliceosomas son ejemplos comunes de orgánulos que no están unidos a una membrana. Algunas personas clasifican las paredes celulares de las plantas y las bacterias también en esta categoría, ya que se crean principalmente a partir de la celulosa. Sin embargo, se encuentra fuera de la membrana celular y, por tanto, no puede considerarse realmente una estructura intracelular.

Por último, algunos orgánulos pueden reproducirse independientemente del ciclo celular, porque contienen su propio material genético. En este caso, los plástidos y las mitocondrias son especialmente importantes. Sin embargo, aunque se reproducen incluso cuando la célula está en reposo en la fase G0, necesitan importar la mayor parte de la maquinaria de duplicación del citoplasma, lo que las hace estar íntimamente ligadas a las necesidades de la célula. Las mitocondrias y los cloroplastos contienen material genético único, independiente del resto del núcleo, y en muchos casos, su número dentro de la célula puede cambiar. Por ejemplo, las fibras musculares que se enfrentan a un aumento de su necesidad de ATP, suelen responder aumentando el número de mitocondrias en la célula. Las plantas y otros autótrofos pueden mostrar adaptaciones similares con los cloroplastos.

Funciones de los orgánulos

Las actividades de una sola célula reflejan las de un organismo. La célula ingiere nutrientes, los digiere y transforma, los metaboliza para formar moléculas más grandes, respira y libera desechos. La mayoría de las células contribuyen incluso al mantenimiento del entorno extracelular, algo que no se diferencia de la existencia de muchas especies dentro de las estructuras sociales.

Nutrición

Los organismos unicelulares ingieren los alimentos en forma de grandes partículas procedentes del entorno y los someten a una digestión intracelular. Esto necesita la presencia de orgánulos como las vacuolas alimentarias o fagosomas y lisosomas para transportar las enzimas digestivas. En el caso de los organismos pluricelulares, algunas estructuras especializadas entregan los nutrientes a la célula, que los toma a granel o a través de transportadores especiales. En la mayoría de los animales grandes, el sistema digestivo se encarga de la ingestión y la descomposición de los alimentos en unidades monoméricas como la glucosa y los aminoácidos. Las enzimas necesarias para este proceso se sintetizan en el retículo endoplásmico rugoso y se secretan a través de la red de Golgi. Los alimentos digeridos se entregan a cada célula a través del sistema circulatorio, que luego permite el transporte pasivo o utiliza la energía para tomar activamente los nutrientes.

Transporte

El transporte intracelular se gestiona a menudo a través de filamentos citoesqueléticos entrecruzados que actúan como corredores. Estos filamentos forman una serie de vías que posicionan los orgánulos y transportan materiales. En esta actividad, cuentan con la ayuda de proteínas motoras que suelen contener dos dominios: uno para interactuar con la carga y otro para navegar por el filamento citoesquelético. Por ejemplo, la mayoría de las neuronas contienen un largo axón que conduce impulsos eléctricos a lo largo de su longitud. Las vesículas sinápticas que contienen neurotransmisores suelen poblar el extremo del axón y son necesarias para la transmisión de la señal eléctrica de una neurona a la siguiente en la sinapsis. Los componentes de estas vesículas se desplazan hacia la sinapsis por el camino creado por los microtúbulos. Las proteínas motoras llamadas quinesinas impulsan su movimiento. Otros materiales, como las enzimas o las hormonas peptídicas, se transportan a través de la red de Trans Golgi para ser utilizados por la célula o para ser liberados a través de la exocitosis.

Los acontecimientos más espectaculares del transporte intracelular se producen durante la división celular. Los cromosomas se segregan con precisión y se transportan a los polos opuestos de la célula a través de una maquinaria celular compleja y estrechamente regulada. Esto implica centrosomas, disposiciones dinámicas de microtúbulos y múltiples cambios en la estructura cromosómica.

Digestión

Los lisosomas son las principales estructuras implicadas en la digestión intracelular. Contienen una serie de enzimas hidrolíticas que se activan por el pH ácido de estos orgánulos. Estas enzimas se sintetizan en sus formas inactivas en el citoplasma antes de ser transportadas al interior del orgánulo a través de canales transmembrana. Los lisosomas pueden fusionarse con otros orgánulos, como los fagosomas, para la digestión en masa. Esto desempeña un papel importante también en la inmunidad, cuando los microorganismos patógenos son ingeridos por las células del sistema inmunitario y destruidos mediante la acción de potentes enzimas hidrolíticas.

Generación de ATP

Los heterótrofos a menudo dependen de las mitocondrias para la respiración aeróbica y la generación de ATP. Los autótrofos canalizan la energía de la radiación solar u otros procesos químicos para forjar los enlaces de alta energía del ATP. Las estructuras membranosas de estos dos orgánulos son importantes en la generación de ATP.

Control y regulación

Los organismos grandes y complejos necesitan utilizar un sistema nervioso y un sistema endocrino para mantener la homeostasis. Dentro de una célula, el orgánulo más importante para el control y la regulación es el núcleo. Las células reciben información sobre el entorno externo a través de complejas cascadas de señalización que a menudo dan lugar a cambios en su contenido de ARN o proteínas. Por tanto, el entorno nuclear está estrechamente regulado y la importación y exportación de materiales a través de la envoltura nuclear es un proceso importante para la célula. La membrana nuclear tiene una serie de estructuras especiales llamadas poros nucleares y las proteínas transportadoras llamadas importinas y exportinas median la entrada y salida de macromoléculas. Estas macromoléculas pueden inducir la regulación de un determinado gen, influir en el empalme del ARN, señalar el comienzo de la división celular o incluso iniciar el proceso de apoptosis.

  • Apoptosis – Muerte celular programada que se produce en los organismos multicelulares, precedida de distintos cambios en la morfología y la bioquímica de la célula. Es común durante el desarrollo y también se utiliza para prevenir enfermedades.
  • Endosimbiontes – Organismos que viven dentro de otros organismos.
  • Proteínas motoras – Proteínas que funcionan como motores moleculares, convirtiendo la energía química en energía mecánica, mientras se mueven a lo largo de una superficie adecuada.
  • UPREGULACIÓN – En genética, se refiere a un aumento en el número de transcripciones de ARN producidas de un gen. También puede referirse al aumento del número de receptores que se encuentran en la superficie de una célula.

Cuestionario

1. ¿Cuál de estas es una función de las mitocondrias?
A. Generación de ATP y GTP
B. División celular
C. Transmisión del material genético nuclear
D. Todas las anteriores

Respuesta a la pregunta nº 1
La A es correcta. Tanto el ATP como el GTP pueden generarse durante el ciclo de Kreb dentro de las mitocondrias. Aunque las mitocondrias pueden duplicarse dentro de la célula, su función principal no es participar en el proceso de división celular. Del mismo modo, aunque la transmisión del material genético nuclear es un proceso que requiere mucha energía, no es razonable implicar a las mitocondrias en ese proceso.

2. ¿Cuál de estas afirmaciones es cierta sobre el transporte intracelular?
A. Las proteínas motoras llamadas quinesinas transportan las vesículas sinápticas a lo largo de una vía basada en la actina
B. Los centrosomas son importantes en la segregación de los cromosomas durante la división celular
C. El retículo endoplásmico liso participa en la síntesis y secreción de proteínas
D. Todas las anteriores

Respuesta a la pregunta nº 2
La B es correcta. La segregación de los cromosomas durante la división celular implica una serie de proteínas y estructuras multiproteicas y orgánicas, y el centrosoma juega un papel importante en este proceso. Las proteínas motoras que transportan vesículas sinápticas suelen viajar a lo largo de microtúbulos, no de filamentos de actina. El retículo endoplásmico liso participa principalmente en el metabolismo y la síntesis de lípidos. El retículo endoplásmico rugoso y el aparato de Golgi son las estructuras cruciales en la síntesis de proteínas que necesitan ser secretadas mediante exocitosis.

3. ¿Por qué la importación y exportación nuclear debe estar estrechamente regulada?
A. Puede influir en la expresión génica
B. Puede inducir la división celular o la apoptosis
C. Puede cambiar el contenido proteico de la célula
D. Todas las anteriores

Respuesta a la pregunta nº 3
La D es correcta. El núcleo es el centro de control de la homeostasis dentro de la célula y dirige su crecimiento, metabolismo y eventual muerte. La presencia de moléculas específicas -especialmente enzimas, o moléculas de señalización- puede cambiar la expresión de los genes, aumentando o disminuyendo la tasa de transcripción. El procesamiento y la exportación de este ARN determinan el contenido proteico de la célula. El transporte nuclear también es importante tanto en la división como en la muerte celular.

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