Biología universitaria — primer año · Bachelor Year 1

6Organización funcional de la célula eucariota

Una célula del páncreas fabrica cada día alrededor de su propia masa en enzimas digestivas y las vierte a un conducto. Las enzimas son proteínas que digerirían la célula que las fabricó; por eso la célula las construye dentro de una lámina sellada de membrana, las transporta a un segundo compartimento donde se clasifican y se concentran, las almacena en gránulos y solo las libera ante la señal de una comida. Cada etapa ocurre en un espacio distinto delimitado por membranas, y el tráfico entre esos espacios lo llevan vesículas. Este capítulo describe los compartimentos de la célula eucariota, el sistema endomembranoso por el que fluyen las proteínas, los orgánulos que transforman energía, el esqueleto que sostiene la forma de la célula y mueve sus partes, y los rasgos que distinguen una célula vegetal de una animal.

6.1 Compartimentos

Definición 6.1 (Orgánulo, citosol)

Un orgánulo es una estructura del interior de una célula con una composición y una función definidas; los orgánulos delimitados por membrana son compartimentos cuyo interior difiere en composición del citosol, la disolución acuosa del citoplasma que los rodea. Compartimentos delimitados por membrana: el núcleo, el retículo endoplasmático, el aparato de Golgi, los lisosomas, los peroxisomas, las mitocondrias y, en las plantas, los plastos y la vacuola. Orgánulos sin membrana: los ribosomas, el centrosoma y el citoesqueleto.

Una célula animal generalizada, abierta. El núcleo en el centro; a su alrededor, el retículo endoplasmático rugoso continuo con la envoltura nuclear, el retículo liso, la pila del Golgi y sus vesículas, las mitocondrias, los lisosomas y el centrosoma del que irradian los microtúbulos.

Definición 6.2 (El núcleo)

El núcleo contiene los cromosomas en forma de cromatina, ADN enrollado sobre proteínas histonas (Capítulo 17). Lo delimita la envoltura nuclear, dos membranas de las que la externa es continua con el retículo endoplasmático, perforada por poros nucleares por los que el ARN y las proteínas pasan en ambos sentidos de forma controlada. El nucléolo es la región donde se fabrica el ARN ribosómico y se ensamblan los ribosomas. El núcleo separa la transcripción (dentro) de la traducción (fuera), una separación que los procariotas no tienen.

Proposición 6.3 (Los compartimentos de una célula hepática)

En un hepatocito de $5000\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}$ , el citosol ocupa aproximadamente la mitad del volumen, las mitocondrias la quinta parte, el retículo endoplasmático la sexta, el núcleo la dieciseisava, y el Golgi, los lisosomas y los peroxisomas unos pocos por ciento entre todos. Las membranas cuentan otra historia: de los $110\,000\,\text{µ}\mathrm{m}^{2}$ de membrana de la célula, la mitad es retículo endoplasmático, un tercio es la membrana interna de las mitocondrias y solo el $2\,\%$ es la membrana plasmática. Casi toda la membrana de una célula está dentro de ella.

Dónde está la membrana de una célula hepática. La membrana plasmática, la única visible desde fuera, es el dos por ciento del total; el retículo y la membrana mitocondrial interna, plegadas dentro, son cuatro quintas partes.

6.2 El sistema endomembranoso

Definición 6.4 (Retículo endoplasmático, aparato de Golgi, lisosoma)

El retículo endoplasmático (RE) es una red de láminas y tubos de membrana que encierra un espacio continuo, la luz, y que se continúa con la envoltura nuclear. Su parte rugosa está tachonada de ribosomas que inyectan las proteínas que fabrican en la luz o en la membrana; su parte lisa fabrica lípidos, almacena calcio y destoxifica. El aparato de Golgi es una pila de sáculos aplanados (cisternas), con una cara cis de recepción cercana al RE y una cara trans de expedición, en la que las proteínas procedentes del RE se modifican (se recortan y se añaden azúcares), se clasifican y se empaquetan en vesículas con destino. Los lisosomas son vesículas ácidas (pH $\approx 5$ ) llenas de enzimas hidrolíticas que digieren material traído de fuera u orgánulos gastados. Junto con las vesículas que se desplazan entre ellos y la membrana plasmática, todo esto forma el sistema endomembranoso: un conjunto conectado de compartimentos cuyas luces son, topológicamente, el exterior de la célula.

Proposición 6.5 (La vía secretora)

Una proteína destinada a la secreción, a la membrana plasmática o a un lisosoma la sintetizan ribosomas unidos al RE rugoso, entra en la luz del RE a medida que se fabrica, se pliega allí, viaja en vesículas hasta la cara cis del Golgi, cruza la pila mientras se modifica y abandona la cara trans en una vesícula dirigida a su destino: un gránulo de secreción que se fusiona con la membrana plasmática ante una señal (exocitosis regulada), una vesícula que se fusiona de forma continua (exocitosis constitutiva, que además aporta membrana nueva) o un lisosoma. Las proteínas citosólicas y nucleares se fabrican en ribosomas libres y nunca entran en el sistema. Lo que decide es una secuencia señal al comienzo de la proteína (Capítulo 19).

Evidencia. Palade (década de 1960) alimentó rodajas de páncreas de cobaya con aminoácidos radiactivos durante tres minutos (el pulso) y después con aminoácidos sin marcar (la caza), y localizó la radiactividad por autorradiografía de micrografías electrónicas a distintos intervalos. A los $3\,\mathrm{min}$ los granos de plata se situaban sobre el RE rugoso; a los $20\,\mathrm{min}$ , sobre el Golgi; a los $40\,\mathrm{min}$ , sobre vacuolas de condensación y gránulos nuevos; a las $2\,\mathrm{h}$ , en la luz del conducto. El fraccionamiento celular dio la misma secuencia por vía química. Blobel (década de 1970) mostró que las proteínas de secreción fabricadas en un tubo de ensayo sin membranas son veinte residuos más largas que la forma secretada y no quedan protegidas de una proteasa añadida, mientras que si se fabrican en presencia de membranas del RE se recortan y quedan protegidas: los residuos de más son la señal que dirige la cadena naciente hacia el RE. ∎

El pulso y caza de Palade en el páncreas: dónde están las proteínas marcadas en función del tiempo. Pasan del RE al Golgi en un cuarto de hora, llegan a los gránulos en menos de una hora y salen de la célula a lo largo de las dos siguientes.

Una célula acinar pancreática al microscopio electrónico de transmisión: RE rugoso apretado en pilas paralelas alrededor del núcleo, en la base; el Golgi por encima; y los densos gránulos de secreción amontonados hacia el ápice y el conducto.

Método 6.6 (Seguir una molécula por la célula)

Márquese una cohorte breve: expóngase las células a un precursor radiactivo o fluorescente durante unos minutos (el pulso) y sustitúyase después por un exceso de precursor sin marcar (la caza), de modo que solo las moléculas fabricadas durante el pulso lleven el marcaje.
Tómense muestras a intervalos, fíjense y localícese el marcaje: por autorradiografía de secciones, por microscopía de fluorescencia o por fraccionamiento y recuento.
El compartimento cuyo marcaje culmina primero está aguas arriba; la secuencia de máximos es la ruta; los intervalos son los tiempos de tránsito.
Bloquéese una etapa (frío, un inhibidor de la energía, un mutante) y obsérvese dónde se acumula el marcaje: en el compartimento anterior al bloqueo.

Definición 6.7 (Endocitosis)

La endocitosis hace entrar material: la membrana plasmática se invagina a su alrededor y estrangula una vesícula, que por lo general se fusiona con un lisosoma. La fagocitosis engulle partículas (una bacteria, una célula muerta); la pinocitosis capta gotitas de líquido; la endocitosis mediada por receptor concentra una molécula concreta (partículas transportadoras de colesterol, transferrina transportadora de hierro) sobre receptores situados en fositas revestidas antes de introducirla. La exocitosis añade membrana a la superficie celular y la endocitosis la retira; en una célula secretora ambas se compensan, de modo que la superficie permanece constante mientras áreas enteras de membrana la recorren cada hora.

6.3 Mitocondrias y plastos

Definición 6.8 (Mitocondria)

Una mitocondria es un orgánulo de $0.5\text{ to }1\,\text{µ}\mathrm{m}$ de ancho y unos micrómetros de largo, delimitado por dos membranas: una membrana externa lisa, permeable a las moléculas pequeñas, y una membrana interna plegada en crestas, impermeable a los iones, que alberga la cadena respiratoria y la ATP sintasa (Capítulo 15). Dentro está la matriz, que contiene las enzimas del ciclo de Krebs, ribosomas de tipo bacteriano y varias copias de un pequeño ADN circular. Las mitocondrias se dividen por fisión, se desplazan a lo largo del citoesqueleto y son de unos cientos a unos miles por célula.

Definición 6.9 (Plastos)

Los plastos son los orgánulos de doble membrana de las células vegetales: los cloroplastos, en los que un tercer sistema de membranas, los tilacoides, apilados en granas y bañados por el estroma, lleva a cabo la fotosíntesis (Capítulo 14); los amiloplastos, que almacenan almidón; los cromoplastos, que contienen los pigmentos de frutos y pétalos. Todos derivan de proplastos y, como las mitocondrias, contienen su propio ADN circular y ribosomas de tipo bacteriano, y se dividen por fisión.

Una mitocondria (izquierda) y un cloroplasto (derecha) en sección al microscopio electrónico. Dos membranas de envoltura cada uno; dentro, la membrana interna plegada de la mitocondria y los tilacoides apilados del cloroplasto: las membranas sobre las que se transduce la energía.

Proposición 6.10 (Origen endosimbiótico)

Las mitocondrias y los plastos descienden de bacterias de vida libre engullidas por una célula eucariota ancestral y conservadas como simbiontes: las mitocondrias, de una bacteria aerobia; los plastos, de una cianobacteria.

Evidencia. Ambos orgánulos tienen dos membranas, la interna de composición bacteriana y la externa parecida a la del hospedador; un cromosoma circular sin histonas; ribosomas del tamaño bacteriano y con su misma sensibilidad a los antibióticos; un código genético con variantes bacterianas; división por fisión binaria independiente de la de la célula; y sus genes, al secuenciarlos, se agrupan con los de linajes bacterianos concretos (alfaproteobacterias, cianobacterias) y no con los genes nucleares de la célula que los aloja. La mayoría de sus genes originales se han trasladado desde entonces al núcleo, y los orgánulos ya no pueden vivir solos. ∎

Definición 6.11 (Peroxisoma)

Un peroxisoma es un orgánulo pequeño de una sola membrana que contiene enzimas oxidativas que transfieren hidrógeno desde distintos sustratos (ácidos grasos, alcohol) al oxígeno, con lo que producen peróxido de hidrógeno, y catalasa, que destruye el peróxido en el acto. Confina una química peligrosa.

6.4 El citoesqueleto

Definición 6.12 (Citoesqueleto)

El citoesqueleto es una red de filamentos proteicos que da a la célula su forma, ancla sus orgánulos y los mueve, a ellos y a la propia célula. Hay tres clases: los microfilamentos de actina ( $7\,\mathrm{nm}$ , dos hebras trenzadas de subunidades globulares), concentrados bajo la membrana plasmática y responsables de la forma celular, la reptación, el anillo contráctil de la división y la contracción muscular junto con la miosina; los microtúbulos (tubos huecos de $25\,\mathrm{nm}$ de tubulina), que irradian del centrosoma, vías por las que las proteínas motoras (la cinesina hacia fuera, la dineína hacia dentro) transportan vesículas y orgánulos, el huso de la división y el eje de cilios y flagelos; y los filamentos intermedios ( $10\,\mathrm{nm}$ , en forma de cuerda, de queratinas y proteínas afines), las fibras mecánicamente resistentes que rigidizan las células y se anclan en los desmosomas. Los microfilamentos y los microtúbulos se ensamblan y se desensamblan sin cesar a partir de sus reservas de subunidades.

Los tres filamentos del citoesqueleto, dibujados a la misma escala. La actina y la tubulina polimerizan de forma reversible a partir de subunidades globulares; los filamentos intermedios son cuerdas estables.

Ejemplo 6.13 (Mover una vesícula)

Una vesícula de secreción que sale del Golgi la recoge la cinesina, un motor que camina por un microtúbulo hacia la periferia celular a unos $1\,\text{µ}\mathrm{m}/\mathrm{s}$ y gasta un ATP por cada paso de $8\,\mathrm{nm}$ ; en una neurona ese mismo motor lleva vesículas a lo largo de un axón de un metro, un viaje de diez días. Cerca de la superficie, la vesícula pasa al córtex de actina y a la miosina para el último micrómetro. La difusión tardaría cerca de un minuto en llevar una vesícula de $100\,\mathrm{nm}$ a través de una célula de $20\,\text{µ}\mathrm{m}$ , y años en recorrer un metro: los orgánulos se transportan, no se dejan vagar.

6.5 Células vegetales y animales

Definición 6.14 (Pared celular, vacuola, plasmodesmos)

Una célula vegetal añade tres estructuras al plan común. La pared celular, por fuera de la membrana plasmática, es un compuesto de microfibrillas de celulosa en una matriz de otros polisacáridos (Capítulo 10); fija la forma de la célula, resiste la presión interior y cementa entre sí las células vecinas mediante una lámina media compartida. La vacuola, un compartimento de una sola membrana que ocupa hasta el $90\,\%$ del volumen de la célula, almacena agua, iones, azúcares, pigmentos y desechos; su presión osmótica empuja la membrana contra la pared, y esa turgencia es lo que mantiene erguida una hoja. Los plasmodesmos son canales que atraviesan las paredes, revestidos de membrana plasmática, por los que los citosoles de células vecinas quedan en continuidad, de modo que un tejido vegetal es en parte un solo citoplasma conectado (el simplasto).

Una célula vegetal: la pared por fuera de la membrana, la vacuola ocupando casi todo el volumen, y cloroplastos y mitocondrias en la delgada capa de citoplasma que queda entre ambas.

Proposición 6.15 (Célula vegetal y célula animal comparadas)

Ambas tienen núcleo, RE, Golgi, mitocondrias, peroxisomas, ribosomas y citoesqueleto. La célula vegetal tiene una pared de celulosa, una vacuola grande, plastos y plasmodesmos, y carece de centriolos y de lisosomas (la vacuola digiere); no repta ni engulle, y se divide construyendo una pared nueva por el medio. La célula animal no tiene pared (y por eso puede cambiar de forma, reptar y fagocitar), tiene lisosomas y un centrosoma con centriolos, y se comunica por uniones en vez de por plasmodesmos; se divide estrangulándose en dos.

Ejemplo 6.16 (Turgencia)

Una célula foliar cuya vacuola contiene $0.3\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ de solutos absorbe agua hasta que la pared devuelve una presión de unos $0.7\,\mathrm{MPa}$ , siete atmósferas; la célula está entonces turgente y la hoja, firme. Privada de agua, la vacuola pierde volumen, la presión cae a cero y la hoja se marchita — la pared intacta, la presión desaparecida (Capítulo 7). Una célula animal en la misma disolución, al no tener pared, simplemente reventaría.

6.6 Ejercicios

Ejercicio 6.1 ★

Enumérense los orgánulos delimitados por membrana de una célula animal y dese en pocas palabras la función principal de cada uno.

Solución

Solución de Ejercicio 6.1.

Núcleo (cromosomas, transcripción); RE rugoso (proteínas de secreción y de membrana); RE liso (lípidos, calcio, destoxificación); Golgi (clasificación, modificación, empaquetado); lisosomas (digestión); peroxisomas (oxidaciones, catalasa); mitocondrias (respiración, ATP).

Ejercicio 6.2 ★

Trácese el camino de una enzima digestiva desde su síntesis hasta el conducto, nombrando cada compartimento y el modo en que la proteína pasa de uno a otro.

Solución

Solución de Ejercicio 6.2.

La sintetizan ribosomas unidos al RE rugoso y se enhebra en su luz (secuencia señal); del RE brotan vesículas que se fusionan con el Golgi cis; la proteína cruza la pila, se modifica y se clasifica; abandona la cara trans en una vacuola de condensación que madura hasta gránulo de secreción; el gránulo se fusiona con la membrana apical ante una señal y se vacía en el conducto.

Ejercicio 6.3 ★

A partir de la figura del reparto de membrana, ¿qué fracción de la membrana de la célula es mitocondrial (externa más interna)? ¿Por qué la membrana interna es tanto mayor que la externa?

Solución

Solución de Ejercicio 6.3.

$7 + 32 = 39\,\%$ . La membrana interna está plegada en crestas porque alberga la cadena respiratoria y la ATP sintasa, cuyo rendimiento es proporcional a su área; la externa es una simple envoltura.

Ejercicio 6.4 ★

Dense tres estructuras que tenga una célula vegetal y le falten a una animal, y dos que tenga la animal y le falten a la vegetal.

Solución

Solución de Ejercicio 6.4.

Vegetal: pared de celulosa, vacuola grande, plastos (y también plasmodesmos). Animal: lisosomas, centriolos (y la capacidad de reptar y fagocitar).

Ejercicio 6.5 ★★

A partir de la figura del pulso y caza, ¿en qué momento culmina el marcaje en el RE, en el Golgi y en los gránulos? Estímense el tiempo de tránsito del RE al gránulo y el tiempo que pasa hasta que se ha secretado la mitad del marcaje.

Solución

Solución de Ejercicio 6.5.

El RE a los $3\,\mathrm{min}$ (ya en descenso), el Golgi hacia los $15\,\mathrm{min}$ y los gránulos hacia los $60\,\mathrm{min}$ . Tránsito del RE al gránulo, unos $45\,\mathrm{min}$ ; la mitad secretada hacia los $110\,\mathrm{min}$ .

Ejercicio 6.6 ★★

Se trata una célula con un fármaco que despolimeriza los microtúbulos. Predíganse los efectos sobre la posición del Golgi, sobre el tráfico de vesículas, sobre la división celular y sobre el batido de los cilios.

Solución

Solución de Ejercicio 6.6.

El Golgi, mantenido cerca del centrosoma por la dineína sobre los microtúbulos, se fragmenta y se dispersa; el tráfico de vesículas se reduce a la difusión y el transporte a la periferia se detiene; el huso no puede formarse y las células se detienen en mitosis; los cilios, cuyo eje son microtúbulos, se paran (los ya existentes son estables, pero no se renuevan).

Ejercicio 6.7 ★★

Dense cuatro pruebas del origen bacteriano de las mitocondrias y explíquese por qué, pese a ello, una mitocondria no puede vivir fuera de una célula.

Solución

Solución de Ejercicio 6.7.

Dos membranas, la interna de tipo bacteriano; ADN circular sin histonas; ribosomas de tamaño bacteriano y sensibles a los antibióticos; división por fisión; secuencias génicas que se agrupan con las alfaproteobacterias. No puede vivir sola porque la mayoría de sus genes se han trasladado al núcleo: importa del citosol casi todas sus proteínas.

Ejercicio 6.8 ★★

La luz del RE está “topológicamente fuera de la célula”. Explíquese la expresión siguiendo una proteína de membrana cuyas cadenas de azúcares miran a la luz desde el RE hasta la membrana plasmática: ¿hacia qué lado miran los azúcares al final?

Solución

Solución de Ejercicio 6.8.

Los azúcares se añaden en la cara luminal en el RE y en el Golgi. Cada fusión de vesículas conserva la orientación: la cara luminal de una vesícula pasa a ser la cara luminal del compartimento siguiente, y cuando la vesícula se fusiona con la membrana plasmática su luz se abre al exterior, de modo que los azúcares miran hacia fuera. Lo que es luminal está, topológicamente, fuera.

Ejercicio 6.9 ★★

Una célula secretora libera $2000\,$ gránulos de $1\,\text{µ}\mathrm{m}$ de diámetro al día por una superficie apical de $40\,\text{µ}\mathrm{m}^{2}$ . Calcúlense la membrana añadida por día y cuántas veces debe reciclarse la superficie apical. ¿Qué implica esto?

Solución

Solución de Ejercicio 6.9.

Cada gránulo, $\pi d^2 = 3.14\,\text{µ}\mathrm{m}^{2}$ ; al día, $6280\,\text{µ}\mathrm{m}^{2}$ , es decir, $157\,$ veces la cara apical. La célula debe recuperar membrana por endocitosis al mismo ritmo, de modo que la membrana apical se renueva cada nueve minutos y la membrana recuperada vuelve al Golgi para reutilizarse.

Ejercicio 6.10 ★★★

En un tubo de ensayo con ribosomas, ARNm de una proteína de secreción y aminoácidos, el producto es una cadena de $320\,$ residuos; al añadir vesículas del RE, aparece dentro de las vesículas una cadena de $300\,$ residuos que una proteasa añadida después no digiere. Interprétese cada observación, y dígase qué haría un mutante que careciera de los veinte primeros residuos.

Solución

Solución de Ejercicio 6.10.

La cadena de $320\,$ residuos es el precursor con su secuencia señal de $20\,$ residuos, que normalmente se corta al entrar en el RE. Con vesículas, la cadena entra en la luz durante la síntesis, la señal se corta y la membrana protege al producto de la proteasa. El mutante sin la señal no lo reconoce la maquinaria del RE: se fabrica en ribosomas libres y se queda en el citosol, con la longitud completa, sin secretarse nunca.

Ejercicio 6.11 ★★★

Las células de un paciente carecen de una enzima lisosómica que degrada un lípido; el lípido se acumula en lisosomas hinchados y las células mueren. Explíquese la biología celular, dígase por qué la enfermedad es más grave en las células que renuevan más deprisa sus membranas, y propóngase cómo podría una enzima inyectada en la sangre llegar a los lisosomas.

Solución

Solución de Ejercicio 6.11.

Las membranas internalizadas por endocitosis y los orgánulos gastados se llevan a los lisosomas para digerirlos; sin la enzima, el lípido que contienen no puede degradarse y llena los lisosomas, que se hinchan hasta que la célula falla. Las células con el recambio de membrana más rápido (las neuronas, que reciclan sin cesar vesículas sinápticas; los macrófagos) lo acumulan antes. Una enzima inyectada que lleve la señal de azúcar propia de las enzimas lisosómicas puede unirse a receptores de la superficie celular y ser captada por endocitosis mediada por receptor hasta los lisosomas: es el principio de la terapia de sustitución enzimática.

Ejercicio 6.12 ★★★

“La célula eucariota es una federación de antiguas bacterias mantenida unida por un sistema de membranas.” Discútase en un párrafo, sopesando lo que la teoría endosimbiótica explica frente a lo que no explica (núcleo, RE, citoesqueleto).

Solución

Solución de Ejercicio 6.12.

La endosimbiosis da buena cuenta de las mitocondrias y los plastos (dos membranas, genoma y ribosomas propios, fisión, parientes bacterianos) y, por tanto, del metabolismo energético del eucariota. No explica el núcleo, el RE y el Golgi, ni el citoesqueleto, que no tienen equivalentes bacterianos y parecen invenciones del linaje hospedador: repliegues de su membrana y proteínas nuevas. “Federación” es acertado para los orgánulos; “mantenida unida por un sistema de membranas” apunta a la parte mayor y sin explicar: una célula hospedadora que ya era eucariota en su arquitectura antes de acoger a las bacterias.

6.7 Problema: la célula acinar del páncreas

Problema 6.1

Problema de fin de semana — una célula que secreta cada día su propia masa de proteína: el reloj de Palade, la membrana que debe reciclar, la señal que dirige la proteína, hasta llegar al tiempo de tránsito de una enzima digestiva

Una célula acinar pancreática es un cubo de $12\,\text{µ}\mathrm{m}$ de lado, con su cara apical ( $144\,\text{µ}\mathrm{m}^{2}$ , sobre el conducto) y su cara basal sobre la sangre. Un páncreas humano de $80\,\mathrm{g}$ contiene unos $8 \times 10^{10}$ células de este tipo y secreta $10\,\mathrm{g}$ de proteína enzimática al día. Un gránulo de secreción es una esfera de $1\,\text{µ}\mathrm{m}$ de diámetro que contiene proteína a $200\,\mathrm{mg}/\mathrm{mL}$ . Los ribosomas añaden $5\,$ aminoácidos por segundo; una enzima típica tiene $250\,$ residuos de masa media $110\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ .

Parte I — El reloj de Palade. La figura del pulso y caza del capítulo da la localización del marcaje con el tiempo.

¿Por qué debe ser corto el pulso y contener la caza un gran exceso de aminoácido sin marcar?
Léase el momento en que el marcaje culmina en el RE, en el Golgi y en los gránulos.
Estímense el tiempo de tránsito del RE al Golgi y el del Golgi al gránulo.
¿Dónde está el marcaje a los $60\,\mathrm{min}$ , y por qué una parte ha salido ya de la célula mientras la mayor parte sigue en gránulos?
Se hace un segundo experimento a $15\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : el marcaje permanece en el RE más de una hora. Interprétese.

Parte II — La masa de proteína.

Calcúlese la proteína secretada por célula y día, en picogramos.
Calcúlense el volumen de un gránulo y la masa de proteína que contiene.
Calcúlese el número de gránulos liberados por célula y día, y por minuto.
Calcúlense el volumen de la célula y, con una densidad de $1.05\,\mathrm{g}/\mathrm{cm}^{3}$ , su masa. ¿Qué fracción de su propia masa secreta cada día?
Calcúlese el número de moléculas de enzima de un gránulo (número de Avogadro $6.0 \times 10^{23}$ ).
Calcúlese el tiempo que necesita un ribosoma para fabricar una molécula de enzima.
¿Cuántos ribosomas deben trabajar sin parar para producir la cantidad diaria? Compárese con los $4 \times 10^{6}$ ribosomas que contiene una célula así.

Parte III — Membrana.

Calcúlese el área de membrana de un gránulo.
Calcúlese la membrana entregada a la cara apical al día por la exocitosis de los gránulos de la pregunta 8.
¿Cuántas veces al día se añade el área de la cara apical? ¿Qué debe hacer la célula con ella, y mediante qué proceso?
La membrana del gránulo llega del Golgi, que la recibe del RE. Si el RE de la célula tiene $20\,000\,\text{µ}\mathrm{m}^{2}$ de membrana, ¿a cuántos días de membrana de gránulos equivale? ¿Qué dice esto sobre el reciclaje dentro del sistema endomembranoso?
La cara apical lleva $2000\,$ microvellosidades de $0.1\,\text{µ}\mathrm{m}$ de diámetro y $1\,\text{µ}\mathrm{m}$ de longitud. ¿En qué factor agrandan la cara de $144\,\text{µ}\mathrm{m}^{2}$ ?

Parte IV — La dirección escrita en la proteína.

El ARNm de una enzima traducido en un tubo de ensayo sin membranas da una cadena $20\,$ residuos más larga que la enzima hallada en los gránulos. ¿Dónde están los residuos de más y qué son?
En presencia de vesículas del RE, el producto tiene la longitud correcta, está dentro de las vesículas y queda protegido de una proteasa. Interprétese.
El mismo experimento con el ARNm de una enzima citosólica da un producto fuera de las vesículas y sin protección. Conclúyase.
Una mutación elimina los veinte residuos. Predígase dónde acaba la enzima y qué le ocurre a la célula.
Otra enzima aparece en los lisosomas y no en los gránulos. Lleva la misma clase de secuencia señal. ¿En qué punto de la vía debe tomarse la segunda decisión, y mediante qué mecanismo, a grandes rasgos?
Se trata una célula con un fármaco que bloquea la síntesis de ATP. Predígase dónde se acumula el marcaje de un pulso y caza y por qué (dos razones).
Combínense las preguntas 3 y 8: en estado estacionario, ¿cuántos gránulos hay “en tránsito” entre el RE y el gránulo en cada momento?
Resúmase el resultado: el tiempo de tránsito de la síntesis al gránulo, el tiempo hasta la secreción, los gránulos liberados por minuto y la fracción de su propia masa que secreta la célula cada día.

Solución

Solución de Problema 6.1.

1. Un pulso corto marca una cohorte estrecha de moléculas, de modo que su posición señala un instante; el exceso de aminoácido frío detiene la incorporación posterior, así que la cohorte no se difumina por síntesis posterior. 2. RE: $3\,\mathrm{min}$ (el punto más temprano); Golgi y vacuolas de condensación: hacia los $15\,\mathrm{min}$ ; gránulos: hacia los $60\,\mathrm{min}$ . 3. Del RE al Golgi, unos $10\,\mathrm{min}$ ; del Golgi al gránulo, unos $45\,\mathrm{min}$ . 4. Sobre todo en gránulos ( $70\,\%$ ), una décima parte en el Golgi y otra décima ya secretada: la vía constitutiva y los primeros gránulos formados liberan algo, mientras que la mayor parte espera un estímulo. 5. La gemación y el transporte de vesículas exigen energía y membranas fluidas; con frío se detiene la etapa del RE al Golgi y la proteína se acumula aguas arriba del bloqueo. 6. $10\,\mathrm{g}/8 \times 10^{10} = 1.25 \times 10^{-10}\,\mathrm{g} = 125\,\mathrm{pg}$ por célula y día. 7. $V = \frac{\pi}{6}(1)^3 = 0.52\,\text{µ}\mathrm{m}^{3} = 5.2 \times 10^{-13}\,\mathrm{mL}$ ; proteína, $1.05 \times 10^{-13}\,\mathrm{g} = 0.1\,\mathrm{pg}$ . 8. $125/0.1 = 1250$ gránulos al día, $0.87$ por minuto. 9. $V = 12^3 = 1728\,\text{µ}\mathrm{m}^{3} = 1.73 \times 10^{-9}\,\mathrm{cm}^{3}$ ; masa $1.8 \times 10^{-9}\,\mathrm{g}$ = $1800\,\mathrm{pg}$ . Secreta $125/1800 = 7\%$ de su masa al día (la célula entera es solo $20\,\%$ de proteína, así que un tercio de su contenido proteico). 10. Masa molar $250\times 110 = 27\,500\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ; $1.05 \times 10^{-13}\,\mathrm{g}/27500\times6 \times 10^{23} = 2.3 \times 10^{6}$ moléculas. 11. $250/5 = 50\,\mathrm{s}$ . 12. Moléculas al día, $1250\times2.3 \times 10^{6} = 2.9 \times 10^{9}$ ; un ribosoma fabrica $86\,400/50 = 1728$ al día; hacen falta $1.7 \times 10^{6}$ ribosomas, alrededor del $40\,\%$ de los de la célula. 13. $\pi d^2 = 3.14\,\text{µ}\mathrm{m}^{2}$ . 14. $1250\times 3.14 = 3900\,\text{µ}\mathrm{m}^{2}$ . 15. $3900/144 = 27$ veces: la célula recupera esa misma área por endocitosis y la devuelve al Golgi. 16. $20\,000/3900 = 5$ días: el RE solo podría abastecer cinco días de membrana de gránulos si no volviera nada; la membrana debe reciclarse sin cesar. 17. Cada microvellosidad, $\pi\times 0.1\times 1 = 0.31\,\text{µ}\mathrm{m}^{2}$ ; $630\,\text{µ}\mathrm{m}^{2}$ para 2000; factor $5.4$ . 18. Al principio de la cadena: la secuencia señal, veinte residuos en su mayoría hidrófobos. 19. La señal dirigió la cadena naciente al interior de las vesículas, donde una peptidasa señal la eliminó; la membrana protege a la proteína de la proteasa. 20. Solo entran en el RE las proteínas con señal; una proteína citosólica carece de ella y se queda fuera. 21. La enzima se fabrica en ribosomas libres y se queda en el citosol; al ser una enzima digestiva (como precursor inactivo hace poco daño, pero si se activara) digeriría la célula desde dentro. 22. En el Golgi trans: la enzima lisosómica lleva una marca distintiva (un azúcar fosforilado) que reconoce un receptor que la empaqueta en vesículas destinadas a los lisosomas y no en gránulos de secreción. 23. En el RE (y en el Golgi): la formación de vesículas, el transporte por motores a lo largo de los microtúbulos y la fusión de membranas consumen ATP; y la propia síntesis de proteínas se detiene, de modo que el pulso ni siquiera se completa. 24. $45\,\mathrm{min}$ de tránsito a $0.87$ gránulos por minuto: unos $40\,$ gránulos de proteína en tránsito. 25. Tránsito de la síntesis al gránulo, unos $45\,\mathrm{min}$ ( $55\,\mathrm{min}$ contando el RE); secreción al cabo de unas dos horas en el experimento (cuatro horas o más en la glándula viva, ya que los gránulos esperan una comida); $0.9\,$ gránulos liberados por minuto; el $7\,\%$ de la masa de la célula al día.

Términos definidos en este capítulo

Ver los 479 términos del glosario