La importancia de la matriz celular para el correcto funcionamiento de los tejidos y órganos se pone de manifiesto en numerosas patologías donde las alteraciones de algún componente de la matriz extracelular llevan a severos desórdenes como las osteoartritis, fibrosis y cáncer.

La matriz extracelular varía según el tejido: en tejidos como el epitelial y nervioso es escasa, mientras que en el conectivo, cartílago y hueso constituye la mayor parte. Su composición molecular, específica para cada tejido, está en constante renovación gracias a las células que la producen.

En animales, se compone principalmente de proteínas estructurales como colágeno y elastina, junto con glicosaminoglicanos, proteoglicanos y glicoproteínas. En plantas, la matriz extracelular incluye celulosa, hemicelulosa y lignina, formando la pared celular, que proporciona rigidez, actúa como barrera y protege contra agresiones.

Las células animales interactúan con la matriz extracelular mediante proteínas transmembrana (integrinas) y receptores de membrana. La matriz regula funciones celulares esenciales como diferenciación, supervivencia, migración y proliferación, además de mantener la homeostasis del tejido.

Morfología

La morfología de las mitocondrias es dinámica, variando entre estructuras ramificadas y elipsoides individuales, formando redes o aisladas. Están compuestas por una membrana externa permeable, una membrana interna impermeable con crestas, un espacio intermembranoso y una matriz interna.

• Membrana externa: Contiene porinas que forman canales permeables a moléculas pequeñas (<5000 daltons).

• Membrana interna: Posee cardiolipina, que mejora su impermeabilidad, y pliegues (crestas) que albergan complejos respiratorios y ATP sintasa, maximizando la superficie para la respiración celular.

• Crestas: Su forma (discoidal, tubular, aplanada) refleja la actividad celular.

• Matriz: Contiene ADN mitocondrial (16500 pares de bases, 37 genes en humanos), ribosomas y enzimas metabólicos. El ADN mitocondrial se encuentra en nucleoides asociados a la membrana interna y se replica independientemente del ciclo celular.

Las mitocondrias se localizan donde hay mayor demanda de energía o calcio, moviéndose mediante microtúbulos (distancias largas) y filamentos de actina (distancias cortas). Pueden comunicarse por liberación de moléculas, contactos membranosos, fusión/fisión o nanotúbulos.

Fusión y fisión

Las mitocondrias se fusionan y dividen constantemente, mezclando su ADN mitocondrial. En caso de fusión entre células con mitocondrias diferentes, la red se homogeniza en 8 horas. Estas dinámicas complican medir el número de mitocondrias, aunque el volumen mitocondrial suele correlacionar con el tamaño celular.

Funciones de fusión y fisión:

• Compartir productos metabólicos y ADN mitocondrial.

• Reparar defectos locales.

• Proteger a la célula en niveles moderados de estrés.

División mitocondrial:

Mediada por proteínas similares a dinaminas (DRP) e influida por interacciones con el retículo endoplasmático y filamentos de actina, que inician la constricción. Estas interacciones también permiten la transferencia de lípidos esenciales, como fosfatidiletanolamina y cardiolipina, desde el retículo a la mitocondria.

Funciones

Las mitocondrias tienen múltiples funciones esenciales:

• Producción de ATP: Su función principal, proporcionando energía para procesos celulares.

• Metabolismo de lípidos: Realizan la β-oxidación de ácidos grasos.

• Almacén de calcio: Regulan los niveles intracelulares de este ion.

• Síntesis molecular: Participan en la formación de grupos hemo, aminoácidos y biogénesis de grupos hierro-azufre.

• Apoptosis: Juegan un papel clave en la muerte celular programada.

• Implicaciones médicas: Están relacionadas con el cáncer, envejecimiento, Parkinson, diabetes y la respuesta inmune innata.

• Genética mitocondrial: Su ADN, heredado exclusivamente por vía materna y sin recombinación, es útil en genealogías y estudios antropológicos.

Producción de ATP

En las mitocondrias se genera la mayor parte del ATP en células eucariotas no fotosintéticas mediante la fosforilación oxidativa, que utiliza oxígeno como aceptor final de electrones.

1. Ciclo del ácido cítrico: Metaboliza acetil-CoA, produciendo CO₂ y NADH.

2. Cadena de transporte de electrones: El NADH transfiere electrones a una serie de transportadores en las crestas mitocondriales, llegando al oxígeno para formar H₂O. Este proceso genera un gradiente de protones entre la matriz y el espacio intermembranoso.

3. Síntesis de ATP: El gradiente de protones impulsa la ATP sintasa, que fosforila ADP a ATP.

La cadena respiratoria incluye tres complejos principales: NADH deshidrogenasa, citocromo b-c1 y citocromo oxidasa. Además, el gradiente electroquímico permite el transporte de moléculas como piruvato, ADP y fosfato inorgánico hacia la matriz, mientras que el ATP es exportado al citosol mediante cotransporte acoplado (simporte o antiporte).

Metabolismo de lípidos

Las mitocondrias participan en la síntesis de lípidos esenciales, como el ácido lisofosfatídico, precursor de triacilgliceroles, y el ácido fosfatídico. También producen fosfatidilglicerol, fundamental para la formación de cardiolipina y fosfatidiletanolamina, lípidos clave para la función mitocondrial.

Las mitocondrias poseen pocos genes propios, pero contienen numerosas proteínas (alrededor de 1000 en levaduras y 1500 en humanos). La mayoría son sintetizadas en el citosol e importadas a través de señales específicas que las dirigen a su destino (membranas o matriz).

Las mitocondrias se renuevan constantemente mediante la síntesis de nuevas, que solo ocurre a partir de mitocondrias preexistentes, y la eliminación de las antiguas por macroautofagia, un proceso general para degradar grandes estructuras citoplasmáticas.

La célula eucariota puede compararse con una ciudad organizada en distritos, donde cada orgánulo tiene funciones específicas. Por ejemplo, el retículo endoplasmático produce lípidos y proteínas, el aparato de Golgi modifica y distribuye estas moléculas, los lisosomas degradan desechos, y las mitocondrias generan energía. Estos orgánulos, delimitados por membranas, se comunican a través del tráfico vesicular, un sistema de transporte intracelular que utiliza vesículas para mover moléculas entre compartimentos.

El tráfico vesicular sigue rutas específicas:

1. Ruta secretora: Comienza en el retículo endoplasmático, donde se sintetizan proteínas y lípidos. Estas moléculas son empaquetadas en vesículas y enviadas al aparato de Golgi, que las modifica y distribuye hacia la membrana plasmática para su liberación al exterior (exocitosis). Además, esta ruta permite el transporte de moléculas a otros orgánulos internos.

2. Ruta endocítica: Se inicia en la membrana plasmática mediante endocitosis, formando vesículas que se fusionan con endosomas. Posteriormente, estas vesículas transportan moléculas hacia los lisosomas para su degradación, incluyendo materiales externos y componentes de la membrana vesicular.

Estas rutas no son independientes; existen ramificaciones y conexiones que aseguran la comunicación bidireccional entre los orgánulos. Por ejemplo, el retículo endoplasmático y el aparato de Golgi intercambian vesículas, y los endosomas envían vesículas recicladas hacia la membrana plasmática.

Además de transportar moléculas como enzimas, receptores y proteínas, el tráfico vesicular es crucial para mantener la identidad de cada orgánulo. Esto se logra mediante el reconocimiento específico entre las vesículas y las membranas destino, evitando fusiones incorrectas.

Aunque orgánulos como las mitocondrias, cloroplastos y peroxisomas no participan activamente en el tráfico vesicular, se comunican con otros orgánulos mediante contactos directos entre sus membranas. En estos puntos de contacto, se intercambian moléculas clave, lo que podría representar un mecanismo complementario al tráfico vesicular y permite la coordinación y eficiencia del metabolismo celular, asegurando que cada orgánulo reciba los materiales necesarios para cumplir con sus funciones.

1. Interfase

Es la fase más larga del ciclo celular y se subdivide en tres etapas:

• Fase G1 (gap 1): La célula crece, produce proteínas y organelos, y realiza sus funciones normales. En este punto, decide si avanzar en el ciclo o entrar en un estado de reposo llamado fase G0.

• Fase S (síntesis): Se duplica el ADN, lo que asegura que cada célula hija reciba una copia completa del material genético.

• Fase G2 (gap 2): La célula continúa creciendo y verifica que la replicación del ADN sea correcta. Se preparan las proteínas necesarias para la mitosis.

2. Fase M

Incluye la división del núcleo (mitosis) y del citoplasma (citocinesis):

• Mitosis: Se divide en cinco etapas:

1. Profase: Los cromosomas se condensan, la envoltura nuclear se descompone y comienza a formarse el huso mitótico.

2. Prometafase: Los cromosomas se conectan a los microtúbulos del huso mitótico mediante los cinetocoros.

3. Metafase: Los cromosomas se alinean en el plano ecuatorial de la célula (placa metafásica).

4. Anafase: Las cromátidas hermanas se separan y son arrastradas hacia los polos opuestos de la célula.

5. Telofase: Se forman dos núcleos hijos, se reconstruyen las envolturas nucleares y los cromosomas comienzan a descondensarse.

• Citocinesis: Se divide el citoplasma, dando lugar a dos células hijas completas y funcionales.

Regulación del ciclo celular

El ciclo celular está controlado por proteínas específicas:

• Ciclinas y quinasas dependientes de ciclina (CDK): Regulan la progresión entre fases.

• Puntos de control (checkpoints): Verifican que el ADN esté intacto y que los procesos ocurran correctamente antes de avanzar. Los principales son:

• Punto de control G1/S: Asegura que la célula esté lista para replicar su ADN.

• Punto de control G2/M: Verifica la correcta replicación del ADN.

• Punto de control de la mitosis: Garantiza que los cromosomas estén correctamente alineados antes de la separación.

El ciclo celular es esencial para el crecimiento, desarrollo, reparación de tejidos y reproducción en organismos multicelulares. Su desregulación puede llevar a problemas como el desarrollo de cáncer, causado por divisiones celulares descontroladas.

• Perinucleares: Más ácidos, se activan en la autofagia durante la hambruna.

• Periféricos: Reparan membranas y regulan nutrientes mediante mTORC1.

Clasificación funcional de los lisosomas

1. Primarios: Contienen enzimas digestivas, pero carecen de material para degradar.

2. Secundarios: Realizan activamente la digestión.

3. Cuerpos residuales: Contienen desechos no degradables, que pueden expulsarse al exterior.

Vías de entrada de moléculas

1. Endocitosis: Vesículas transportan moléculas externas a los lisosomas tras pasar por endosomas.

2. Fagocitosis: Engloban grandes partículas como bacterias para su digestión.

3. Autofagia: Encapsulan organelos dañados o material intracelular en autofagosomas, que luego se fusionan con los lisosomas.

Regeneración de lisosomas

Durante procesos intensos como la autofagia, los lisosomas se regeneran mediante protolisosomas, que maduran a lisosomas funcionales. Factores de transcripción como TFEB y TFE3 activan los genes necesarios para esta regeneración.

Composición y funcionamiento

• Contienen hidrolasas ácidas (proteasas, lipasas, nucleasas), activas en un pH ácido mantenido por bombas de protones.

• La membrana lisosomal tiene transportadores que liberan productos de degradación (aminoácidos, azúcares, nucleótidos) al citosol.

• Su potencial de membrana regula el flujo de iones, asegurando un gradiente de protones óptimo.

Los peroxisomas son orgánulos celulares presentes en casi todas las células eucariotas. Tienen forma variable y un tamaño entre 0,1 y 1 µm, están delimitados por una membrana y poseen funciones metabólicas clave. Contienen enzimas que participan en procesos como la degradación de lípidos de cadenas largas, la eliminación de peróxido de hidrógeno (H₂O₂) mediante catalasa, y la síntesis de plasmalógenos y ciertos precursores del colesterol. Su contenido enzimático y tamaño varían según el tipo celular y las condiciones fisiológicas.

1. Biogénesis y regulación

Los peroxisomas se forman de dos maneras principales:

• División de peroxisomas preexistentes: Crecen al incorporar lípidos y proteínas, y luego se dividen.

• Formación de novo: A partir de vesículas provenientes del retículo endoplasmático y, en mamíferos, de mitocondrias, especialmente cuando no hay peroxisomas en la célula.

La biogénesis es mediada por proteínas llamadas peroxinas, que ayudan a importar enzimas al interior del peroxisoma o integrarlas en su membrana. Estas estructuras son dinámicas, distribuyéndose y cambiando de forma mediante interacciones con el citoesqueleto. Su cantidad se regula mediante pexofagia, un proceso de degradación selectiva por autofagia.

2. Funciones principales

• Metabolismo lipídico: Participan en la β-oxidación de ácidos grasos, biosíntesis de plasmalógenos, y metabolismo de lípidos ramificados y ciertos aminoácidos.

• Defensa antioxidante: Eliminen H₂O₂ generado en reacciones oxidativas, protegiendo la célula.

• Procesos especializados: En plantas, participan en la fotorrespiración y en el ciclo del glioxilato para convertir ácidos grasos en azúcares durante la germinación. En parásitos como tripanosomas, los glucosomas (peroxisomas especializados) llevan a cabo la glucólisis.

3. Especialización y cooperación

En diferentes organismos, los peroxisomas se especializan para cumplir funciones específicas. Por ejemplo, en el hígado participan en la síntesis de ácidos biliares, mientras que en semillas y hongos funcionan como glioxisomas. Además, colaboran con otros orgánulos como mitocondrias y retículo endoplasmático para cumplir diversas funciones metabólicas. Los peroxisomas son estructuras dinámicas, esenciales para el metabolismo celular, la regulación de especies reactivas y la adaptación a las necesidades metabólicas.