jueves, 6 de abril de 2017

2 EL CITOSOL Y OTROS FLUIDOS INTRACELULARES

Dado que el concepto de sangre que estamos tomando es en el sentido más laxo posible como el mileau interior de los seres vivos, debemos analizar todos los fluidos vitales de los seres vivos, lo cual implica iniciar por los fluidos internos de la unidad estructuran y funcional de cualquier ser vivo, es decir, la célula. Todo ser vivo está definido como mínimo por un fluido interno y una membrana que lo separa del ambiente externo (De Duve & Pizano, 1995). El citosol es el fluido interno de las células definidas por medio de una membrana biológica. El término citosol fue acuñado por primera vez de forma bastante tardía en la historia de la biología celular, recien hasta 1965 fue acuñado por H. A. Lardy para referirse al líquido que era producido por el rompimiento celular una vez que fuera separado de todos sus componentes no solubles (Ureta, 1985). 

En la actualidad el término citosol de emplea para definir la parte líquida del citoplasma en una célula intacta, lo cual incluye cualquier parte del citoplasma que sea contenido por organelos (Ito, Parsons, & Heazlewood, 2014). Sin embargo para evitar las confusiones generalmente se designa como citosol a la parte liquida entre la membrana externa y las membranas de los organelos, mientras que el líquido contenido al interior de cualquier organelo se lo denomina generalmente como matriz. Existen grandes diferencias en el contenido del citosol y la matriz citosólica de los organelos, pues ese es precisamente el propósito de muchos de ellos, almacenar sustancias de forma tal que puedan ser transportadas o procesadas sin que se disuelvan en todo el volumen de la célula. De hecho citosol también puede ser conocido como matriz citoplasmática.

El citosol es importante, ya que muchas reacciones químicas del metabolismo deben ocurrir en fase acusa en su interior, las cuales pueden estar relacionadas con reacciones vinculadas a las membranas (De Duve & Pizano, 1995; Karp, 2013). El citosol es una compleja mezcla de sustancias disueltas en el agua. Aunque el agua conforma la mayor parte del citosol, su estructura y propiedades al interior de la célula no se encuentran comprendidas del todo. A diferencia de lo que cabe esperar en una solución química normal, donde las concentraciones se homogenizan con el tiempo debido al fenómeno de difusión, en el citosol se pueden encontrar gradientes de concentración sin la necesidad de la separación por membranas (Aw, 1999; Jaffe, 1993; Weiss & Korge, 2001). Estas diferencias en las concentraciones de iones son importantes en procesos como la osmoregulación, la señalización celular y la generación de potenciales de acción en células excitables como las endocrinas, nerviosas y musculares. El citosol también contiene grandes cantidades de proteínas, las cuales alteran las propiedades del citosol a su alrededor mediante un sistema de pastoreo molecular (Ellis, 2001a).

Lo anterior implica que la vieja visión del citosol como una solución química debe ser evaluada a la luz de las propiedades biológicas ejercidas por las proteínas, generando múltiples niveles de organización interna que habían pasado por de ser percibidas por siglos. Estas incluyen, pero posiblemente no se limitan a, gradientes de concentración sin separación membranosa, complejos proteínicos en las cuales una proteína puede agrupar cual pastor de ovejas a otras moléculas por medio de interacciones moleculares débiles (Ellis, 2001a), e incluso, la generación de estructuras proteínicas de almacenamiento (Yeates, Crowley, & Tanaka, 2010).

2.1 Propiedades y composición del citosol

La proporción del volumen celular que es citosol varía, por ejemplo, en las bacterias casi toda la célula es citosol y lo demás es membrana externa, pero en las células vegetales el líquido más voluminoso es la matriz de la vacuola que regula a su vez el volumen del citosol.

2.1.1 El agua

El componente más importante del citosol es el agua, la cual abarca el 70% del volumen de una célula típica (Luby-Phelps, 1999). La acidez medida como pH de este fluido se encuentra cercana a la neutralidad, con la leve basicidad de 7,4, aunque puede haber variaciones. En el ser humano por ejemplo, el pH puede variar entre 7,0 y 7,4 siendo más alto si la célula se encuentra en crecimiento (Bright, Fisher, Rogowska, & Taylor, 1987; Roos & Boron, 1981). La viscosidad del citosol es casi la misma que la del agua pura, aunque la capacidad de difusión de moléculas es casi 4 veces más baja que en el agua debido a las colisiones moleculares con tantas moléculas disueltas (Verkman, 2002).

Las células poseen cuenta tolerancia a la desecación hasta un 56% del volumen celular, sin embargo el metabolismo se inhibe paulatinamente hasta que se llega a un 21% del volumen celular, momento en el cual el metabolismo se detiene y la célula muere por crenación (Clegg, 1984). ¡La organización de las moléculas de agua en el citosol sigue siendo materia de debate, incluso la organización del agua ultra pura sigue siendo materia de debate! Debido a que el agua al formar puentes de hidrógeno puede formar agrupaciones supramoleculares con sigo misma y con las sustancias con las cuales ella se puede disolver (Wiggins, 1990). Por tal razón solo expondremos la imagen clásica, en la cual el 5% de esta se encuentra unida a los solutos como las proteínas por medio del proceso de solvatación, mientras que la mayoría de las moléculas restantes poseen una estructura semejante a la del agua pura líquida. El agua solvatada actúa como si sus propiedades moleculares fueran diferentes a la del agua molecular y por lo tanto no afecta las propiedades osmóticas de la célula (Wiggins, 1990).

2.1.2 Iones

Las concentraciones de iones en el citosol son muy diferentes de las que podemos encontrar tanto en las matrices de los diferentes organelos o de la que puede presentar la matriz extracelular, pero los tipos de iones son en esencia los mismos, con la única excepción de las proteínas citosólicas como el citoesquelético que poseen una carga neta negativa. Por lo general el citosol posee muchas más moléculas con carga negativa que el medio externo, eso también lo hace un poco más ácido. Por lo general el citosol posee concentraciones más altas de sodio y más bajas de potasio que la matriz extracelular. Esta diferencia en las concentraciones iónicas es crítica para la osmoregulación, debido a que los niveles iónicos determina la posibilidad que tiene la célula de transportar otras sustancias cargadas de un lado al otro de la membrana. Las diferencias en las cantidades de iones también crean diferencias en la carga eléctrica a un lado y al otro de la membrana, conocido como diferencia de potencial eléctrico. Esta propiedad es crítica para las células excitables como las endocrinas, nerviosas y musculares (Karp, 2013; Rhoades & Bell, 2013).

El citosol puede experimentar cambios de fase fuertes sin destruir el sistema de membranas, proceso denominado criptobiosis (Sussich, Skopec, Brady, & Cesàro, 2001). En ese estado el citosol y sustancias denominadas osmoprotectantes como las betainas y la trehalosa adquieren una estructura semejante al vidrio estabilizando las proteínas y componentes celulares y aislándolas del daño que puede efectuar la desecación.

Algunos iones se encuentran en bajas concentraciones en el citosol bajo condiciones de normalidad funcional, tal es el caso del ion calcio(2+), que generalmente se encuentra resguardado en la matriz de los retículos endoplasmáticos. Sin embargo alteraciones en el estado de normalidad permiten emplear al calcio(2+) como mensajero interno, tal como ocurre durante el proceso de excitación de la célula muscular, donde este ion es empleado como activador del sarcómero, que permite que la célula se contraiga (Karp, 2013; Rhoades & Bell, 2013). Otros iones como el ion cloruro(1-) y el ion potasio(1+) también podrían tener funciones como señalizadores intracelulares, aunque dichas funciones aún son materia de estudio y debate (Orlov & Hamet, 2006).


2.1.3 Macromoléculas

Las proteínas no vinculadas a la membrana celular o al citoesqueleto se encuentran disueltas en el citosol (Ellis, 2001b). La cantidad de proteínas en el citosol es extremadamente alta, y sorprende que no altere las propiedades viscosas hacia un gel. Ahora bien, tal como ocurre con los iones, al parecer las proteínas no se encuentran disueltas uniformemente al interior del citosol. De hecho, son las proteínas quienes causan los gradientes de concentración al actual cómo pastores moleculares, sustancias que agrupan a otras moléculas en regiones especificas del citosol, impidiendo o retrasando la difusión. 

En los procariotas el citosol contiene los ácidos nucleicos al interior de una estructura denominada nucleoide (Thanbichler, Wang, & Shapiro, 2005). El nucleoide es una masa irregular de ADN circular asociado a proteínas que controlan su transcripción y replicación, así como la de los plásmidos (Peters, 2006). Por el contrario en los eucariotas los ácidos nucleicos como su nombre indica se encuentran almacenados en la matriz nuclear al interior de las membranas que definen el núcleo de la célula. Como último detalle, el pastoreo molecular altera gravemente las propiedades químicas del citosol, y de hecho las constantes de disociación molecular, que definen tan fuertemente a los seres vivos varían debido al efecto de la altísima concentración molecular.

2.1.4 Malla citoesquelética

Aunque el citoesqueleto no hace parte del citosol en nuestros modelos, es bastante evidente que el citosol baña al citoesqueleto, por lo que hay una interacción directa. El citoesqueleto forma una red o entramado molecular que puede efectivamente aislar moléculas muy grandes, o disminuir su difusión por aumento de colisiones e interacciones moleculares, esto se debe simplemente al tamaño. Algunos estudios han mostrado que el citoesqueleto puede aislar estructuras de 25 nanómetros (Luby-Phelps, Castle, Taylor, & Lanni, 1987; Provance, McDowall, Marko, & Luby-Phelps, 1993), lo cual es el tamaño efectivo de un ribosoma (Cate, 2001). Aparentemente la densidad del citoesqueleto no es la misma en todas partes, po lo que es capaz de generar enmallados de actina que actúan como rejas que separan compartimentos del citosol sin necesidad de membranas biológicas. Estos microdominios podrían influenciar la distribución de estructuras grandes como los ribosomas y organelos evitando mezclas aleatorias.

2.2 Fisiología

El citosol no posee una función única, y se trata más de un lugar donde todo se encuentra ocurriendo de manera caótica, es decir, incluso los organelos deben moverse en el citosol. Sin embargo podemos señalar algunos procesos generales vinculados al citosol:

2.2.1 El transporte de señales

Cuando una hormona o mensajero químico alcanza las proteínas receptoras de la membrana, estas inmediatamente cambian su forma al interior de la membrana, activando una serie de reacciones en cascada. La idea es bastante similar a los juegos cinéticos en los que una pequeña fuerza activa en sucesión una serie de máquinas simples. Sin embargo en la célula las acciones no son llevadas a cabo por objetos físicos, sino por reacciones químicas que transmiten una serie de mensajeros químicos internos como el ion calcio(2+) o el AMPc. La señalización le permite a la célula responder dependiendo de las señales del ambiente (Kholodenko, 2003).

2.2.2 Reproducción celular

Cuando la membrana nuclear desaparece y los organelos empiezan a distribuirse, también lo hace el citosol hacia los polos opuestos de la célula, esto es el proceso de la citocinesis celular justo antes de completar la mitosis, la meiosis I y la meiosis II (Winey et al., 1995).

2.2.3 Matriz de difusión

A pesar de su capacidad disminuida para la difusión molecular y al pastoreo que ejercen algunas proteínas, la matriz del citosol aún sigue siendo una sustancia que permite que las moléculas se difundan aleatoriamente. Sin embargo debido a la gran cantidad de sustancias, solo las moléculas pequeñas se difundirán eficientemente debido a que afrontarán menos colisiones e interacciones moleculares débiles (Verkman, 2002).

2.2.4 Transporte de grasas

Las grasas y otras sustancias hidrofobias grandes son un problema para la posibilidad de difusión, de hecho a menos que se encuentren vinculadas a proteínas fuertemente hidrófilas, o que se encuentren al interior de una vesícula, estas sustancias no se difundirán, el lugar más común de su almacenamiento son las membranas, ya sean la externa o de los organelos celulares (Maxfield & Mondal, 2006; Weisiger, 2002).

2.2.5 Metabolismo

Las moléculas que se encuentran en el citosol al interactuar generan reacciones químicas, lo cual implica que en el citosol se llevan muchos de los procesos del metabolismo de los seres vivos. Por ejemplo en los mamíferos casi la mitad de sus proteínas se encuentran en el citosol, y se encuentran involucradas en mayor o menor medida a la regulación de las reacciones químicas del metabolismo. Algunas de las rutas metabólicas más viejas y comunes ocurren en el citosol como la glucólisis, la gluconeogénesis y el ciclo de las pentosas fosfato (Berg, Tymoczko, & Stryer, 2002; Campbell & Farrell, 2012; Murray et al., 2012).


2.3 Otros fluidos

El interior de los organelos no se define como parte del citosol, y esto implica que debemos asignarle un nombre al líquido que estos encierran, después de todo, cualquier membrana biológica debe contener algún tipo de fluido vital. Por lo general los fluidos internos de los organelos se los denomina matriz, y su contenido de sustancias, aunque es el mismo del citosol, varía mucho en concentraciones, por ejemplo la matriz del sarcoplasma en las célula muscular se encuentra saturada del ion calcio(2+) un mensajero intracelular típico (Rhoades & Bell, 2013).

2.3.1 Matriz mitocondrial

El interior de la mitocondria posee dos fluidos, ya que es como si se tratara de una bacteria envuelta en un fagosoma. El fluido que se encuentra entre la membrana externa de la mitocondria y la membrana interna o real de la mitocondria es conocido como fluido intermembranal mitocondrial o intersticial mitocondrial, el cual a su vez de divide en dos. El primero es el fluido que rodea a la mitocondria como tal, y el segundo es el fluido intercrestal, que se encuentra embebido en las crestas mitocondriales donde ocurren los cambios electroosmóticos que permiten la síntesis de energía por medio del metabolismo aeróbico. Al interior de la membrana interna de la mitocondria se encuentra el fluido denominado como la matriz mitocondrial, el cual es quien interactua con los fluidos de las crestas mitocondriales. La cadena de transporte de electrones manipula el potencial electro osmótico mediante el flujo de iones protio(1+), así como iones calcio(2+). Debido a que el proceso requiere gases disueltos es común encontrar dioxígeno gaseoso disuelto y dióxido de carbono disuelto, así como sus correspondientes ácidos y iones de su equilibrio triple (Karp, 2013; Scalettar, Abney, & Hackenbrock, 1991). 

2.3.2 Matriz del cloroplasto

El cloroplasto al poseer tres membranas es un poco más complicado. También posee un fluido intermembranario entre la membrana externa y la primer mebrana del cloroplasto. En este caso no hay crestas, por lo que es un fluido regular. Al interior de la segunda membrana del cloroplasto tenemos la cavidad denominada estroma, y su fluido será el fluido o matriz del estroma. Sin embargo hay una tercera membrana del cloroplasto que forma figuras semejantes a monedas llamadas tilacoides, y en consecuencia hay una cavidad rellena de fluido que denominamos como la matriz del tilacoide (Karp, 2013).

2.3.3 Otros organelos

Los demás organelos por lo general no poseen una estructura complicada interna, y en consecuencia su contenido se referencia simplemente como la matriz del organelo en cuestión, aunque sus propiedades difieren dependiendo de la función concreta que desempeña cada organelo (Karp, 2013).

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