Estamos acostumbrados a ver la célula como una bola redonda e inerte.
Como los ladrillos que forman nuestro cuerpo.
Sin embargo, también se nos dice que en su interior suceden multitud de reacciones químicas.
Que estas reacciones se coordinan; que generan vías, cascadas metabólicas, de señalización o integración de señales.
Es evidente que estos dos conceptos no pueden ir unidos.
La célula no puede ser un simple ladrillo cuando tiene que repararse,
que responder al medio que le rodea, que dividirse, que comunicarse
con células vecinas…
Cuando profundizamos un poco en el mundo celular, vemos que la célula (eucariota) esta compartimentalizada.
A la bola o ladrillo del que hablábamos antes le han salido diversas estructuras internas especializadas en múltiples funciones: síntesis
de proteínas, generación de energía, síntesis de lípidos, almacenamiento
de la información genética, y un largo etcétera.
En este punto, suele compararse a la célula con una fábrica
y sus diferentes secciones.
Con una máquina que se dedica a producir a base de consumir energía.
Sin embargo, seguimos imaginándonos una bola. Y no solamente una bola, ¡Sino una bola con sus componentes dispuestos aleatoriamente en su interior!
Si imaginamos una fábrica con toda su maquinaria distribuida al azar,
es probable que imaginemos la fábrica más ineficiente del mundo.
Y la vida, si por algo se caracteriza, es por su eficiencia.
Pero… ¿Cómo puede estar ordenada una célula?
Cuando se estudia biología, se suele hacer mucho hincapié en todos los orgánulos internos de la célula, en que está delimitada por una bicapa de lípios, y que la vida se da en un medio acuoso.
Es decir, que la célula esta rellena de agua.
Y entonces es cuando nos imaginamos todos los componentes internos danzando alegremente en su interior.
Error. Error y de los grandes. No hay que olvidar el citoesqueleto.
El citoesqueleto es, por decirlo de algún modo, todo el andamiaje interno que sustenta el interior de la célula y que le da forma.
Sí, forma. Olvidemos la idea de que una célula es una pelota.
Dejemos la forma esférica para las vacas y vamos a ver como
son de verdad algunas células:
(macrófago, neurona y miocardiocito)
Puede que les haya puesto unos ejemplos un tanto extremos y que también haya células redondas…
Pero creo que ha quedado bastante claro que no todas las células lo son.
Sigamos.
El citoesqueleto está compuesto principalmente por dos tipos de macromoléculas:
las fibras de actina (rojo) y los microtúbulos (verde).
Ambos poseen polaridad.
Es decir, estos cables o tubos tiene un extremo +
y un extremo -, un extremo donde se sintetiza
y otro donde se degrada.
Además, cada uno de ellos tiene su “territorio”.
Mientras que los macrotúbulos se sitúan de manera radial desde el núcleo (suele estar más o menos centrado) hacia la periferia,
la actina suele situarse más bien rodeando a la célula.
Microtúbulo (arriba) y fibra de actina (abajo)
Así, el interior de la célula parece ahora mucho más abarrotada, ¿Verdad?
Pero seguimos teniendo un problema.
Sí, le hemos dado forma, pero eso no es suficiente para distribuir
sus componentes…
A no ser que… ¿Y si los microtúbulos y fibras de actina, además de servir para dar forma a las células, actuasen como carreteras?
En el interior de la célula, además de todos sus orgánulos,
hay un importantísimo y constante tráfico de vesículas.
La célula intercambia substancias con el medio y tiene que transportar vesículas entre sus orgánulos.
De nuevo, la difusión de estas vesículas parece un modo extremadamente ineficiente de transportar la carga. Y además… si seguimos mediante microscopia las vesículas de una célula (por ejemplo aquellas cargadas
con neurotransmisores de una neurona a lo largo del axón), podemos
ver como se dirigen, claramente de un punto hacia otro.
No se dedican a vagar por la célula.
Es necesario así una manera de guiar a estas vesículas y de situar
a estos componentes internos.
De guiarlas o… De transportarlas.
Y llegado este punto es cuando al menos para mi, la célula deja de parecerse a una fábrica y empieza a parecerse a una gran ciudad.
A una ciudad enorme y tremendamente abarrotada.
Una ciudad con calles principales grandes como autopistas y calles pequeñas e intrincadas que se cruzan entre ellas constantemente (efectivamente, las grandes son los microtúbulos y las pequeñas los filamentos de actina).
Y como en toda gran ciudad…
No pueden faltar los coches.
Sí, he dicho coches, o al menos algo que conceptualmente
se le parece bastante.
¿Cómo? Pues bien, la célula posee un conjunto de proteínas implicadas en transportar vesículas y orgánulos a través del citoesqueleto.
Estas proteínas consumen energía química y la transforman en movimiento. No es tan descabellada la comparación, ¿no?
Veamos a nuestros bólidos:
Miosinas:
Estas proteínas, compuestas por dos cadenas pesadas y dos pares de cadenas ligeras, están implicadas
en numerosasfunciones que incluyen desde
la contracción muscular hasta
el transporte de orgánulos.
Hay un total de ocho tipos diferentes de miosinas (el número varía dependiendo del organismo), pero todas ellas se desplazan del extremo negativo al positivo de los filamentos de actina.
Kinesinas:
Están compuestas por dos cadenas pesadas (entrelazadas entre si, igual que en el caso de las miosinas) y dos ligeras. Dentro de las kinesinas podemos encontrar hasta 40 familias distintas implicadas básicamente en el transporte de orgánulos y vesículas.
Estas proteínas se desplazan a través de los microtúbulos y dependiendo
de la kinesina esta puede moverse del extremo negativo al positivo,
o al revés.
Dineínas:
Son los motores moleculares más veloces (llegando a alcanzar los 14um/s
en los tubos de ensayo, frente a los 2-3um/s de las kinesinas).
Su composición es mucho más compleja e incluye numerosas cadenas ligeras, varias intermedias y un par de cadenas pesadas.
Hay un total de 15 tipos diferentes de dineinas, y solo dos formas
se encuentran libres en el interior de la célula (el resto forma parte
de la maquinaria de cilios y flagelos de la que no hablaremos
en esta entrada).
Si nos fijamos en la estructura de las proteínas podemos ver como todas forman una especie de Y entrelazando sus cadenas pesadas (las largas).
En el extremo único de la Y se sitúan las cadenas ligeras que son las que confieren a cada proteína la especificidad de cargo.
Es decir, son las cadenas ligeras las que determinan qué orgánulo o vesícula va unida a cada proteína.
Sin embargo, al menos para mí, la parte interesante de estas proteínas
se sitúa en el extremo contrario.
De color morado en el dibujo superior, podemos ver lo que se llaman los dominios globulares de las cadenas pesadas.
O dicho de otro modo, el motor.
Estas regiones de la proteína serán las encargadas de consumir la energía química y transformarla en movimiento.
Ahora bien, esta “cosa” que hemos comparado con un coche…
¿Cómo se mueve?
Pues a falta de ruedas… andando.
Ni más ni menos que andando.
Transporta los orgánulos andando.
Pero… ¿Cómo se las arregla para hacerlo?
Adentrémonos en la mecánica de nuestro vehículo.
Antes de continuar es importante repasar el concepto de enzima, principalmente porque todas estas proteínas son enzimas, ATPasas para ser más precisos.
Las enzimas son proteínas encargadas de catalizar reacciones químicas.
Es decir, disminuyen la energía de activación.
¿Qué hacen qué?
Veamos, para que una reacción química pueda llevarse a cabo necesita sobrepasar cierto umbral, cierto nivel energético mínimo para que la reacción pueda llevarse a cabo.
Las enzimas disminuyen este nivel mínimo de energía necesario de manera que las reacciones pueden darse más rápido (Importante: las enzimas no permiten crean reacciones ni alteran el equilibrio de una reacción química, esta pasaría igual sin la enzima solo que en un tiempo mayor).
Se podría decir que la vida, básicamente, es un conjunto de reacciones catalizadas concatenadas.
Y ¿Qué tipo de reacciones catalizan nuestros enzimas?
Básicamente la hidrólisis de ATP.
El ATP o adenosín trifosfato es la moneda de cambio energética celular.
La mayoría de procesos celulares que requieren de energía en la célula
lo obtienen mediante la hidrolisis de ATP a ADP + Pi (también hay reacciones que utilizan GTP, o UTP, pero la moneda más común es el ATP)
ya que los fósforos se encuentran unidos a la adenina mediante enlaces
de alta energía.
De hecho, la hidrólisis de este compuesto libera unos 7,7 Kcal/mol
La hidrólisis de ATP suele encadenarse con otras reacciones para conseguir alcanzar ese umbral de activación necesario para que una otra reacción química pueda llevarse a cabo.
Es decir, las enzimas pueden encadenar reacciones químicas.
Sin embargo, nuestras proteínas no encadenan ningún tipo de reacción.
Solo consumen ATP. Entonces ¿Cómo hacen para moverse?
El concepto de enzima ha variado considerablemente con los años.
Los que sean de la vieja escuela, probablemente recordarán la comparación que se hacía de los enzimas con cerraduras y los substratos como una llave.
Se decía que los substratos encajaban en la llave y que la enzima favorecía la reacción en el núcleo enzimático (de manera activa o pasiva).
Esta visión de la enzima como un soporte rígido ha ido cambiando
con el tiempo.
Más adelante, se comparaba a la enzima con un guante capaz de adaptarse
a la mano que sería su substrato.
De hecho, la gran mayoría de enzimas cambian su conformación
en presencia de los substratos.
Así, hay enzimas que utilizan este energía liberada de la hidrólisis del ATP para permitir cambios en su conformación.
Consumen energía química y la transforman en movimiento.
Lo que viene a llamarse un motor ¿No?
Nuestras enzimas son de este tipo.
Los diversos motores celulares adquieran diferentes conformaciones
en presencia de ATP, del ADP+Pi, del ADP o cuando están vacías.
Es decir, de básicamente todos los substratos y productos de la reacción.
Estos cambios de conformación en la las cabezas globulares se transfieren
a través de los dominios de unión de la cadena pesada que actúan a modo
de resorte, disparando a la proteína paso a paso hacia delante.
Que bien, que alegría, ya hemos entendido como andan estas proteínas…
O no.
Esta explicación tiene dos puntos importantes sobre los que no hemos
dicho nada.
Por un lado está el hecho de que las enzimas solo aceleran las reacciones, pero no alteran el equilibrio químico de la misma.
¿Cómo es entonces que no se genera ATP a partir de ADP + Pi?
Esta es la pregunta fácil.
Se debe únicamente a concentraciones de ATP y ADP + Pi.
La célula, mientras está viva está constantemente generando ATP de manera que hay un exceso de ATP y la reacción tenderá entonces a producirse con más facilidad en el sentido de la hidrólisis.
Primer problema resuelto.
Posibles reacciones catalizadas por el enzima
Vamos ahora a por el segundo problema:
Si las dos cabezas globulares son iguales,
¿Cómo hace la proteína para desplazarse?
Hemos asumido muy rápido que la proteína anda y que lo hace consumiendo energía química, pero andar es un proceso bastante complejo.
Hace falta mover las dos piernas y además hacerlo de manera coordinada.
Primero una, y luego la otra.
Puede parecer una obviedad pero, ¿Cómo se supone que lo hace si las dos cabezas globulares son iguales?
Nosotros lo tenemos “más facil” ya que tenemos un sistema nervioso
que nos dice cual mover, pero como podéis suponer, en unos “pocos” aminoácidos no cabe ni de lejos un sistema nervioso, y por lo tanto
una “voluntad” de movimiento.
Entonces… donde está la trampa...
Pues no, no hay truco, las dos cabezas son iguales y anda.
Teóricamente si las dos cabezas fuesen dos bolas (como en la imagen superior) que van cambiando de posición en función de los substratos o productos que alberguen, y las dos cabezas funcionasen a la vez, la proteína podría desengancharse fácilmente de la vía y difundir por la célula mandando al traste todo el complicado sistema de transporte.
Sin embargo, las dos cabezas son activas de manera simultánea y además, como podemos ver en la imagen inferior, la proteína no se desengancha
de la vía (para ello una pata tiene que estar siempre unida al carril).
Seguimiento mediante una trampa óptica de la de una única molécula
de kinesina andando por un microtúbulo in vitro.
¿Brujería? Sin duda hay una explicación más sencilla.
Hemos dicho que la enzima cambia de conformación.
Cambia de forma y activa el resorte que la hace andar,
sí, pero el cambio de conformación también activa un comportamiento
mucho más sutil: la enzima en sus diferentes conformaciones
tiene diferentes constantes catalíticas.
Es decir, la cinética de la reacción se ve condicionada por la conformación
de la enzima que se ve a su vez condicionada por los substratos que tiene
en cada momento y su posición en el carril.
Cinética global
Y ahora si, ahora parece que todo (más o menos) cuadra.
Que nuestros motores son capaces de andar, que nuestros coches pueden transportar su carga por el interior de la célula y hacerla así muchísimo
más eficiente…
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