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» » » La geometría de la estructura celular

por Julie Cohen, 30 de octubre 2014

La arquitectura imita la vida, al menos cuando se trata de esas rampas en espiral en garajes de estacionamiento de varios pisos. Apilados y conectados en niveles paralelos, las rampas son replicaciones de las estructuras helicoidales que se hallan ubicuas en la estructura de membrana de las células del cuerpo.

La representación artística de Terasaki de las rampas espirales, hélices que conectan pilas de hojas uniformemente espaciadas del rugoso retículo endoplasmático . Crédito: Jemal Guven
Las rampas dobladas de Terasaki residen en un orgánulo llamado retículo endoplasmático (ER), una red de membranas que se encuentra en toda la célula, conectadas entre sí, y que rodean el núcleo de la célula. Ahora, un trío de científicos, entre ellos Greg Huber, físico biológo de la Universidad de California Santa Bárbara, describen la geometría del ER usando el lenguaje de la física teórica. Sus conclusiones aparecen en la edición del 31 de octubre de Physical Review Letters.

Greg Huber
"Nuestro trabajo plantea la hipótesis de cómo se forman estos orgánulos, basado en las interacciones entre las rampas de Terasaki," decía Huber, subdirector del Instituto Kavli de Física Teórica de la UCSB. "A un físico le gustaría decir que hay una razón para la forma de la membrana, que no es sólo un accidente caprichoso. Así que al entender mejor la física responsable de la forma, uno puede empezar a pensar en otras preguntas sin resolver, incluso en cómo su forma se relaciona con su funcionamiento, y en el caso de la enfermedad, con su disfunción."

El rugoso ER consiste en una apilación de hojas, más o menos regulares, conectadas entre espacios uniformes, una estructura que refleja su función, como la planta de producción de la síntesis de proteínas dentro de una célula. Hasta hace poco, los científicos asumían que las conexiones entre las hojas adyacentes eran como agujeros de gusano, o sea, tubos simples.

El año pasado, sin embargo, se descubrió que estas conexiones se forman mediante rampas en espiral que recorren transversalmente la pila de hojas. Según el autor principal, Jemal Guven, de la Universidad Nacional Autónoma de México, esto fue una sorpresa porque las geometrías espirales nunca se habían observado previamente en las membranas biológicas.

Adjuntos a la membrana, los ribosomas, que son el primer estadio para la síntesis de proteínas, salpican el RE como los coches que pueblan una estructura de estacionamiento densamente poblado. "Los ribosomas deben guardar una cierta distancia entre sí, porque de lo contrario no pueden sintetizar proteínas", explica Huber.

"Entonces, ¿cómo conseguir el mayor número posible de ribosomas por unidad de volumen, de manera que no choquen entre ellos?" se preguntaba Huber. "La célula parece haber resuelto el problema mediante el plegado de las superficies en capas, que están casi paralelas entre sí y permiten una alta densidad de ribosomas."

Las diferentes partes del RE adquieren diferentes formas: una red de tubos, una esfera que delimita el núcleo o un conjunto de hojas paralelas, como los niveles de un garaje de estacionamiento. El RE liso consiste en una red tubular de membranas reunidas en tres vías cruzadas. Estos cruces son también donde se localiza la síntesis de lípidos (o membrana). A medida que se producen nuevos lípidos dentro del RE liso, se van acumulando en estos cruces y, con el tiempo, también los tubos.

En el RE rugoso, las superficies paralelas o pilas están conectadas por rampas espirales de Terasaki. En algunos casos, una rampa es zurda y otra diestra, la geometría del garaje-aparcamiento, que es lo que Terasaki y sus colegas (incluyendo Huber) encontraron el año pasado.

Un modelo impreso 3D, usando los datos de hojas del retículo endoplásmico real.

"Proponemos que los bloques de construcción esenciales dentro de la pila no son rampas espirales individuales, sino un 'garaje-aparcamiento’ organizado en torno a dos rampas inclinadas suavemente, cada una es la imagen especular de la otra, un dipolo", afirmó Guven, que fue asistido en su investigación por una de sus estudiantes, Dulce María Valencia. "Esta arquitectura minimiza la energía y es coherente con la estructura laminar de las pilas, además de ser estable."

En física, estas estructuras helicoidales que conectan una capa de la RE con la siguiente, se denominan fallas. Esta palabra, señaló Huber, no lleva ninguna connotación negativa en este contexto. "Cuando nos fijamos en ello a través de los ojos de la física, hay ciertos mecanismos que se sugieren a sí mismos casi de inmediato", dijo Huber. "El borde de una hoja de RE es una región de alta curvatura dado que la hoja se gira y se dobla. La curva es realmente lo está formando la hélice."

Límite rampa interna. El centro de este tubo se describe mediante una curva que forma el frontera de una superficie matemática (gris) describiendo la hoja. Crédito, cortesía PRL

La curva crea una forma de U que se parece a la mitad de un tubo. Huber y sus colegas aplicaron los principios de la geometría diferencial a esta membrana curvada. Tirando de las mitades de un tubo separado, se crea una región plana que abarca las dos mitades en forma de U, las que más tarde se convierten en parte de una hoja.

"La idea geométrica es que uno puede, realmente, conseguir una hoja tirando de una red de tubos de una cierta manera", explicó Huber. "Imagínese queriendo doblar cada uno de los bordes en forma de U, pero cuando intenta conectar estas dos formas, cada una está ahora doblada. Eso es lo que la figura en color está tratando de mostrar. Un tubo puede generar una hoja si los bordes se separan y se les permite doblarse en el espacio."

Según Huber, este trabajo teórico ofrece una relato y vocabulario más profundo rico para la discusión de las formas que se encuentran en el interior de la célula. "Uno sospecha que su forma está relacionada con su función", concluyó. "De hecho, los científicos saben que una forma determinada del RE puede ser el indicador de funciones anormales que se observan en ciertas enfermedades."


- Fuente: University of California - Santa Barbara, vía ScienceDaily.com .
-Publicación: Jemal Guven, Greg Huber, Dulce María Valencia. Terasaki Spiral Ramps in the Rough Endoplasmic Reticulum. Physical Review Letters, 2014; 113 (18) DOI: 10.1103/PhysRevLett.113.188101 .
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