Compartmentalización Celular

La compartimentación celular en biología

Lacompartimentación celular es un rasgo característico importante de las células eucariotas, que tienen varios compartimentos diferenciados formados por orgánulos delimitados por membranas y membranas internas (Fig. 1). Esto permite a la célula realizar con mayor eficacia diversas reacciones metabólicas en estos compartimentos especializados.

Fig. 1: Observa todas las membranas y orgánulos internos que tienen las células eucariotas, como las células animales y vegetales representadas aquí, que representan compartimentos celulares separados.

Las reacciones y procesos metabólicos requieren entornos locales específicos para tener lugar, con las moléculas, enzimas y condiciones específicas adecuadas, como un pH diferente.

Las membranas celulares no sólo encierran la célula y los orgánulos que forman los compartimentos internos, sino que también participan activamente en sus funciones. La membrana controla el paso de material dentro y fuera de la célula y los orgánulos, y contiene enzimas incorporadas con funciones específicas. La estructura básica de la mayoría de las membranas biológicas es una doble capa de fosfolípidos, en la que están incrustadas diversas proteínas (Fig. 2). La composición de lípidos y proteínas varía según la célula y la función del orgánulo.

Aunque los procariotas carecen en general de membranas internas y orgánulos delimitados por membranas, tienen regiones internas donde se concentran moléculas y materiales celulares específicos. Hay algunos grupos de procariotas con compartimentos delimitados por membranas o invaginaciones de la membrana celular, sin embargo, sirven sobre todo para almacenar materiales y no son tan complejos como en los eucariotas.

Fig. 3: Las células procariotas, como las bacterias representadas aquí, no están compartimentadas como las eucariotas (aunque los materiales y moléculas celulares pueden concentrarse en algunas regiones).

Ejemplos de compartimentación celular

Básicamente, todo componente de la célula que tenga una función distintiva puede ser un compartimento. Basándonos en su función principal y sus interrelaciones, podemos clasificarlos en cinco grupos, que representan distintos ejemplos de compartimentación celular:

Tabla 1: Ejemplos de compartimentos celulares.

Un compartimento celular suele contener el material y las moléculas necesarias sólo para determinados procesos celulares. También puede mantener una concentración específica de protones para un entorno de pH requerido.

Orígenes de la compartimentación celular

La compartimentación en las células representó un cambio importante de la estructura, organización y función de la célula procariota a la eucariota. Aún así, siendo un acontecimiento tan importante en la evolución celular, los orígenes de la compartimentación celular no se conocen bien y éste es actualmente un prolífico campo de investigación y debate. Mientras que el origen bacteriano endosimbionte de la mitocondria y el cloroplasto está ahora ampliamente aceptado, el desarrollo de compartimentos celulares como el sistema de endomembranas y el núcleo es más bien un misterio.

Fig. 4: Este diagrama de la teoría endosimbiótica se enmarca en los modelos de endosimbiosis tardía, que generalmente plantean la hipótesis de que el huésped arqueal ya era complejo cuando adquirió un simbionte bacteriano. Así pues, según estos modelos, el desarrollo de las membranas internas fue algo anterior al acontecimiento endosimbiótico.

Modelos de compartimentación celular

Muchas hipótesis proponen diferentes modelos para los procesos evolutivos que condujeron al Último Ancestro Común Eucariota (LECA), el último organismo unicelular que poseía todos los rasgos característicos de una célula eucariota y del que proceden todos los eucariotas modernos.

El debate gira sobre todo en torno a la secuencia y la cronología en que se desarrollaron los distintos compartimentos. Una cuestión importante es cuándo se produjo la adquisición del endosimbionte mitocondrial ancestral y el nivel de complejidad que tenía en ese momento el huésped arqueón ancestral. Esto importa porque, dependiendo del orden de aparición, el origen y la formación de las membranas internas y la forma de adquirir y mantener un endosimbionte podrían haber sido completamente distintos.

Podemos clasificar la mayoría de los modelos existentes en dos grandes grupos, según el momento propuesto para el acontecimiento de la endosimbiosis: los modelos de endosimbiosis temprana y los modelos de endosimbiosis tardía:

• Los modelos que proponen que la fusión temprana de una arquea ancestral y una bacteria ancestral dio lugar a la nueva célula eucariota. El punto clave es que el huésped arqueón tenía una estructura procariota simple y el propio acontecimiento de la endosimbiosis potenció el desarrollo de las membranas internas (por lo que estos modelos suelen denominarse simbiogénesis). Algunos modelos más recientes sugieren incluso que las membranas internas eucariotas se formaron a partir de vesículas secretadas por la propia mitocondria ancestral en el citosol del huésped.

• Los modelos que sugieren una endosimbiosis tardía proponen que un protoeucariota evolucionó a partir de un arqueón ancestral, desarrollando una estructura más compleja antes del acontecimiento de la endosimbiosis. Existen distintas propuestas sobre la naturaleza de este protoeucariota, pero habría tenido formas más simples de algunas de las características de los eucariotas modernos (membranas internas y un citoesqueleto, algunos proponen también un núcleo). Estas primeras características habrían permitido a un huésped ancestral fagocitar un endosimbionte bacteriano. Los modelos suponen que las membranas internas se formaron por invaginaciones de la membrana de la célula huésped de la arquea, por lo que suelen denominarse modelos autógenos.

Ventajas de la compartimentación celular

La compartimentación celular probablemente aportó muchas ventajas a los primeros eucariotas, ya que evolucionaron en una increíble variedad de organismos (unicelulares y pluricelulares) con igual variedad de tipos y funciones celulares. Las ventajas de la compartimentación celular probablemente permitieron a los eucariotas competir por los recursos de forma diferente a los procariotas, y también explotar nuevos recursos.

Tabla 2: Algunas ventajas que los compartimentos pueden aportar a las células eucariotas en comparación con las procariotas.

Sin embargo, los procariotas existen desde hace más tiempo que los eucariotas y, aunque todos los procariotas tienen una morfología básica similar, son increíblemente diversos en su forma de obtener energía, en los lugares que habitan y se reproducen con extrema rapidez.

Así pues, deberíamos ver estas diferencias como formas distintas de existir, ambas con ventajas e inconvenientes según las circunstancias, pero al final, ambos tipos han tenido éxito viviendo y prosperando en la Tierra.

Desventajas de la compartimentación celular

Aunque las células eucariotas pueden ser más eficaces en algunas actividades porque realizan varias reacciones al mismo tiempo en distintos compartimentos, también necesitan más puntos de control y mecanismos reguladores, lo que ralentiza algunos procesos en comparación con las procariotas. Algunas desventajas de la compartimentación celular en las células eucariotas son las siguientes

• Mayor necesidad de energía para mantener una célula más grande con componentes biológicos y orgánulos más complejos.
• División celular más lenta.
• La expresión génica requiere más tiempo.