Modelos de membrana

Modelos de membrana. La base de la estructura de la membrana es una bicapa lipídica GORTER Y GRENDEL: (Bicapa lipídica).  Las membranas también contienen proteínas DAVSON & DANIELLI, Modelo Sándwich: (Bicapa lipídica con láminas proteicas)

1858. EL uso de colorantes para estudiar los tejidos supuso un avance sin precedentes en la identificación de manera diferencial de estructuras en las células y los tejidos. Primeros colorantes para tejidos. Se atribuye a J. Von Gerlach las primeras pruebas con soluciones de carmín en tejido nervioso. En 1829, P Mayer introduce la distinción de hematoxilina y eosina como una tinción combinada de dos colorantes. En 1904, G. Giemsa introduce la tinción con eosina y azul de metileno que lleva su nombre.

1879. W. Flemming describe la separación de cromosomas e introduce el término de mitosis.

1899. C. E. Overton propone una naturaleza lipídica para la interfaz entre el protoplasma y el medio externo, y sugirió la existencia de una fina capa de lípidos rodeando al protoplasma, basándose en que experimentos de ósmosis y de trasiego de lípidos entre el protoplasma y el medio externo.

5. Modelos de membrana.Siglo XX

1932. Aparece el microscopio electrónico. Fue inventado en Alemania por M. Knoll y E. Ruska, y desarrollado en las décadas de los 30 y los 40 del siglo XX. El microscopio óptico usa el espectro de la luz visible, pero por sus propiedades de longitud de onda no puede discriminar dos puntos que estén a menos de 0.2 micras de distancia. Con el microscopio electrónico se pudieron estudiar estructuras internas de la célula que eran del orden de nanómetros (10^-3 micras) (Figura 5). Un hecho que quedó resuelto con el microscopio electrónico es la existencia de la membrana plasmática rodeando a la célula, era la primera vez que se podía observar, pero también membranas formando parte de estructuras internas. El interior de la célula eucariota se mostró complejo y rico en compartimentos. Hacia 1960 ya se había explorado la célula a nivel ultraestructural.

Se puede ver la capacidad de estos microscopios observando el incremento de resolución de las imágenes de izquierda a derecha. Las líneas negras de la imagen de la derecha corresponden a las membranas celulares.

Modelos de membrana.ORIGEN de los EUCARIOTAS

Las primeras células que aparecieron en la Tierra fueron las células procariotas hace 3500 millones de años. Procariota significa anterior al núcleo, es decir, no tienen el ADN encerrado en un compartimento membranoso. De hecho, estas células tienen una organización relativamente sencilla con una membrana que delimita un espacio interno donde se producen las reacciones químicas. Por fuera de la membrana tienen una cápsula y en ocasiones muestras prolongaciones como son los flagelos que permiten la movilidad, y pilis para el intercambio de material genético. Esta forma celular fue la única en los primeros años de la vida en la Tierra. Se conocen dos grandes grupos de procariotas: las bacterias y las arqueas.

1. Modelos de membrana.¿Cuándo?

La aparición de la célula eucariota fue un evento evolutivo que ocurrió hace unos 1500-2000 millones de años, es decir, unos 1500 millones de años después de que lo hicieran las primeras células procariotas. Su aparición supuso una transición evolutiva, es decir, fue algo nuevo y diferente a lo que había anteriormente y presentó suficientes novedades como para abrir nuevos caminos evolutivos hasta entonces inexplorados. Así, las células eucariotas llegaron a una complejidad morfológica y estructural no conocida hasta entonces (destacan un complejo sistema de compartimentos membranosos internos, incluido el núcleo, y el citoesqueleto), fueron capaces de incorporar genomas completos (que dieron lugar a las mitocondrias y a los cloroplastos), descubrieron la reproducción sexual, y permitieron la aparición de algo desconocido hasta entonces: los organismos pluricelulares (cosa que ha ocurrido varias veces de forma independiente).

2. Modelos de membrana.¿De quién?

Esta cuestión no está resuelta todavía, pero se acepta que fue la consecuencia de la colaboración entre los dos tipos celulares que existían entonces: las arqueas y las bacterias. Se propone que los eucariotas son monofiléticos, es decir, todas las células eucariotas, incluyendo plantas, animales, hongos, algas y las eucariotas unicelulares, descienden de un único ancestro denominado LECA (last eukaryotic common ancestor). Por tanto, y mientras no se demuestre lo contrario, la célula eucariota sólo se inventó una sola vez por la evolución. Mediante el estudio comparado de genes se ha llegado a la conclusión que LECA tenía un genoma tan complejo como los eucariotas actuales y probablemente era morfológica y estructuralmente parecida a los eucariotas actuales.

No cabe duda que LECA se formó a partir de células procariotas, pero ¿a partir de cual se formó, de las bacterias o de las arqueas? Hay un gran problema en esta elección (ver Figura 1). Las células eucariotas actuales parecen ser quimeras, en las que coexisten genes heredados de los dos tipos de procariotas. Unos genes trabajan en la traducción, transcripción y replicación de los genes (denominados genes informacionales) y están estrechamente relacionados con los de arqueas, mientras los que están implicados en el metabolismo energético e intermediario, en la síntesis de componentes celulares como aminoácidos, lípidos y nucleótidos (denominados genes operacionales) son más parecidos a los genes bacterianos. Para complicar más la cosa, incluso aquellos genes de origen arqueano, no proceden de un solo grupo de arqueas, sino que son el legado de varios grupos.

LECA (last eukaryote common ancestor). Este es el modelo 3D. En la imagen B se propone que LECA se formó directamente por la fusión de una arquea y de una bacteria, sin formas anteriores protoeucariotas. Es decir, sería la fusión de los dos tipos celulares los que dispararían la eucariogénesis. LUCA (last universal common ancestor) es la célula de la que descienden todas las células actuales. Este es el modelo 2D

Atendiendo a los estudios filogenéticos (comparación de secuencias los nucleótidos de algunos genes) se tiende a colocar a las eucariotas como descendientes de un grupo de arqueas. Actualmente se ha descubierto un grupo de arqueas denominada grupo Asgard, entre las que están las lokiarqueas, que son las procariotas más próximas evolutivamente a las eucariotas cuando se comparan secuencias de ciertos genes. Hay que tener cuidado con estas clasificaciones porque para ellas se utilizan los genes denominados informacionales (aquellos encargados de procesar el ADN y que se supone que han cambiado menos). Los que defienden este origen consideran que estos genes son los que se transmiten de “padres” a “hijos” directamente y no entre células no relacionadas, y por tanto los importantes a la hora de establecer relaciones evolutivas. Las lokiarqueas también tienen otros genes relacionados con el citoesqueleto y con la organización de las membranas internas homólogas a los de eucariotas. Curiosamente, todavía no se ha visto una lokiarquea, sino que su existencia se ha deducido por un estudio metagenómico, es decir, se cogió agua cerca de una fumarola y se asiló todo el ADN que contenía y posteriormente se estudió qué organismos había estudiado sólo el ADN. se han encontrado en lugares anóxicos, lo hace presuponer que las células vivían en ambientes sin oxígeno y que sólo la adquisición de las bacterias tolerantes al oxígeno (las futuras mitocondrias) pudieron colonizar ambientes más oxigenados. Al no saber cómo son morfológicamente no se pueden establecer similitudes con las células eucariotas en cuanto a tamaño o complejidad estructural.

Pero en realidad en el núcleo de una eucariota hay 2 0 3 veces más genes de origen bacteriano que de arqueas. Hay otro problema adicional, las membranas de las eucariotas no tienen cadenas de isoprenoides en sus ácidos grasos ni enlaces tipo éter, ambos típicos de las membranas de las arqueas, y por tanto se puede decir que tienen una membrana más bacteriana. Por otra parte, hay quien aún sostiene que en realidad las eucariotas surgieron por una fusión directa entre una arquea y una bacteria y que los genes encargados de manipular el ADN fueron los de la arquea, mientras que los bacterianos se encargaron del metabolismo, incluida la síntesis de moléculas de membrana. Es decir, no hay una rama que parte de arqueas sino una rama completamente nueva creada a partir de dos ramas distantes.

3. Modelos de membrana. ¿Cómo?

Hay un hecho clave en la aparición de LECA y es qué importancia tuvo la incorporación del antepasado de las mitocondrias. Hay autores que sugieren que esta incorporación fue la desencadenante y motor de la evolución hasta LECA, mientras que otros autores sugieren que la célula que engulló al antecesor bacteriano de las mitocondrias ya era muy compleja, tanto genómicamente como estructuralmente, y por tanto la endosimbiosis sólo fue un paso más en la evolución hasta LECA (ver Figura 2). Hay multitud de modelos que intentan explicar cómo ocurrió el proceso evolutivo que desembocó en LECA, pero hay dos líneas principales:

Modelo simbionte (o modelo 2D). Propone una fusión directa entre una arquea y una bacteria, y no existiría un protoeucariota como tal. Aquí habría sólo dos ramas principales de células iniciales, arqueas y bacterias. Las eucariotas serían una tercera rama surgida de la fusión de estas dos ramas. Hoy en día se han encontrado bacterias con endosimbiontes. Este evento de fusión dispararía el proceso de incremento de complejidad celular, y la bacteria terminaría siendo una mitocondria. En esta simbiosis las dos células se repartirían el funcionamiento celular: arqueas el ADN y bacteria el metabolismo. Hay una variante de este modelo en el que la asociación entre bacterias y arqueas no tuvo por qué ser una incorporación de una célula dentro de otra en un momento determinado, sino que la asociación ocurrió a lo largo de mucho tiempo. Habría ocurrido transferencia lateral de genes de la bacteria a la arquea debido a que las condiciones ambientales favorecieron la proximidad física entre ambas. Se propone la teoría del hidrógeno en el que la bacteria produciría hidrógeno para el metabolismo de la arquea y la arquea produciría sustancias carbonadas que usaría la bacteria. Finalmente hubo una incorporación física de la bacteria dentro de la arquea, la cual ya tenía muchos bacterianos. Cómo se produjo esta inclusión no está claro. Casi se ha asumido que fue por fagocitosis, pero en realidad no hay ninguna evidencia experimental que apoye esta idea.

Modelo autógeno o endógeno (o modelo 3D). Existiría una célula protoeucariota que procedería de un ancestro común compartido con las arqueas que habría evolucionado de manera independiente adquiriendo la mayoría de las complejidades que aparecen en una célula eucariota actual, incluyendo endomembranas y citoesqueleto, pero aún no tendría a las mitocondrias. Tendría la capacidad fagocitar y en una de esas engulló a una alfaproteobacteria, que no fue digerida y pasó a vivir dentro de la proteucariota. Con el tiempo los genes de la bacteria endosimbionte tomarían el control del metabolismo general, pero no de la manipulación del ADN. Sin embargo, no se han encontrado formas intermedias entre eucariotas y procariotas, y, sobre todo, no se han encontrado células eucariotas sin mitocondrias (aquellas células que no tienen mitocondrias tienen otros orgánulos derivados de éstas). Este modelo tiene además un gran hándicap, y es que para formar todo este sistema funcional de membranas se requieren muchas proteínas, y por tanto mucha energía, cosa que no parece que tal célula pudiera ser capaz de generar.

4. Modelos de membrana.Endomembranas

Una de las características que distingue a las células eucariotas de las procariotas es su sistema de endomembranas, cuyo origen evolutivo todavía permanece sin aclarar. La idea tradicional es que se tales compartimentos internos se produjeron por invaginación de la membrana plasmática de la procariota arquea, de modo que el interior del retículo o del aparato de Golgi es como si fuera homólogo al exterior celular. En relación con esto, y aceptando que la célula hospedadora fue un ancestro arqueano y el huésped fue un ancestro bacteriano, permanece la cuestión de cómo se cambiaron los lípidos de la membrana plasmática de origen arqueano (cadenas de isoprenoides y enlaces éter en los lípidos) por otra de origen bacteriano actuales (lípidos sin isoprenos y enlaces tipo éster).

Los procariotas actuales no generan vesículas internas, es decir, no son capaces de hacer endocitosis, aunque sí pueden invaginar su membrana y crear cisternas membranosas internas que permanecen conectadas con la membrana plasmática. Sin embargo, tanto arqueas como bacterias pueden generar vesículas hacia el exterior, es decir, vesículas extracelulares. Es muy interesante que esta capacidad se mantiene en las mitocondrias actuales, las cuales son capaces de generar vesículas denominadas «vesículas derivadas de mitocondrias», las cuales quedan en el citosol.

Gould et al., (2016) proponen una aproximación nueva a cómo se pudo generar el sistema de endomembranas en las células eucariotas: sería el resultado de la fusión de vesículas liberadas por los ancestros de las mitocondrias que quedaron como endosimbiontes en el interior de una arquea. La generación y fusión de vesículas intracelulares explicaría el retículo endoplasmático/Golgi, y también el cambio de composición de la membrana por fusión de tales vesículas con la membrana arqueana. Todo este proceso no requeriría una gran innovación evolutiva. En este modelo el interior del retículo endoplasmático no es homólogo al espacio extracelular si no a la región intermembranosa de la mitocondria.

Hay algunas evidencias que apoyan esta propuesta. los contactos entre membranas del retículo endoplasmático y las mitocondriales son frecuentes, la N-glicosilación que acontece en el retículo endoplasmático también ocurre frecuentemente en bacterias, hay indicios de que las mitocondrias fueron las responsables de los peroxisomas antes que esa función pasara al retículo endoplasmático, en el espacio intermembranoso se almacena calcio, al igual que el interior del retículo. Curiosamente, la envuelta nuclear, y por tanto el núcleo, sería más probable que se hubiese formado una vez que el retículo endoplasmático estuviese desarrollado, y no por fusión de las vesículas del endosimbionte.

La idea general es que la incorporación del ancestro bacteriano fue por fagocitosis, pero en este modelo el tráfico vesicular y por tanto la fagocitosis se desarrollaron después de la incorporación del ancestro de la mitocondria. La incorporación un procariota dentro de otro procariota no es un gran problema porque hoy en día hay ejemplos de procariotas endosimbiontes de otras procariotas, que han ocurrido por mecanismos diferentes a la fagocitosis. Además, algunas proteínas necesarias para la formación de compartimentos de endocitosis o fagocitosis, como la dinamina, tienen homólogos en las bacterias, pero no en las arqueas.

Generar una célula con tal complejidad de membranas, con citoesqueleto, flagelos, etcétera, requeriría mucha energía. Por eso la teoría protoeucariota por aqueozoa de la generación autógena del sistema de endomembranas podría haber sido muy difícil sin tal fuente de energía. Tal complejidad requiere una cantidad enorme de proteínas y aproximadamente el 75 % del gasto energético de una célula eucariota se consume en la síntesis de proteínas. Un dato curioso es qué paso con el sistema de producción de ATP de la arquea. Las células procariotas son capaces de producir ATP en su membrana plasmática gracias a unas proteínas ATPasa. Pero una vez incorporada una bacteria en su interior, con su propia ATPasa y con una capacidad de producción energética mucho mayor, la ATPasa arqueana pasó de la membrana plasmática al sistema de endomembranas y se estableció en el compartimento endosomal/lisosomal/vacuolar para funcionar de manera contraria: gastar ATP para transportar protones y acidificar tales compartimentos, permitiendo así la digestión intracelular.