Digestión celular

Qué es la digestión celular

Todo organismo pluricelular realiza la digestión a dos escalas. Una externa, a lo largo del tubo digestivo, que aporta nutrientes al torrente circulatorio. Otra interna, dentro de cada célula, que degrada componentes propios y ajenos para reciclarlos o eliminarlos. La segunda es la digestión celular, también llamada digestión intracelular, y ocurre en compartimentos limitados por membrana, aislados del resto del citoplasma para que las enzimas hidrolíticas no dañen la propia célula.

El compartimento principal es el lisosoma, una vesícula con más de cuarenta enzimas capaces de romper prácticamente cualquier biomolécula: proteasas, lipasas, glucosidasas, nucleasas y sulfatasas. Todas ellas comparten una característica: funcionan a pH ácido (alrededor de 4,5 a 5). El interior del lisosoma mantiene ese pH gracias a bombas de protones V-ATPasa insertadas en su membrana, un ambiente que además protege al resto de la célula si una enzima escapa de forma accidental, porque en el pH neutro del citosol las hidrolasas pierden actividad.

Cómo llegan los materiales al lisosoma

La célula introduce material en el lisosoma por tres rutas principales, según el origen y el tipo de sustrato.

Endocitosis y fagocitosis. La célula captura material del exterior. La endocitosis se ocupa de partículas pequeñas y solutos (colesterol unido a lipoproteínas de baja densidad, hierro unido a transferrina, receptores de superficie que se reciclan); la fagocitosis capta partículas grandes y microorganismos, con especial relevancia en neutrófilos y macrófagos. Ambas rutas terminan formando vesículas que se fusionan con lisosomas y forman endolisosomas o fagolisosomas, ahí ocurre la degradación.

Autofagia. La célula digiere partes de sí misma. En su forma más estudiada, la macroautofagia, una membrana en forma de copa (fagóforo) rodea al material citoplasmático diana, lo envuelve en una vesícula de doble membrana (autofagosoma) y esta se fusiona con el lisosoma. Existen dos variantes menores: la microautofagia, en la que el propio lisosoma engulle pequeñas porciones de citoplasma con su membrana; y la autofagia mediada por chaperonas, en la que proteínas concretas viajan directamente al interior lisosomal gracias a un receptor (LAMP-2A). Yoshinori Ohsumi identificó los genes que regulan este mecanismo en levadura durante los años noventa y recibió por ello el Premio Nobel de Medicina en 2016.

Otras rutas. Determinadas células, como las glandulares y las plaquetas, disponen de gránulos secretores que en circunstancias específicas se fusionan con lisosomas para regular la liberación de su contenido. Y no hay que confundir la digestión celular controlada con la autólisis, que designa la destrucción de la célula por sus propias enzimas cuando la muerte es inevitable, un fenómeno común en la necrosis y en los cambios postmortem.

Contexto histórico

La idea de una digestión dentro de la célula empezó a formarse con Élie Metchnikoff en la década de 1880. Al observar cómo unas células de estrella de mar rodeaban y devoraban espinas de rosal introducidas en sus tejidos, propuso que ciertos leucocitos hacían lo mismo con las bacterias en el organismo humano. Le llamó fagocitosis, y por este descubrimiento compartió el Nobel de Medicina con Paul Ehrlich en 1908.

El compartimento propiamente digestivo tardó otro medio siglo en identificarse. En 1955, el bioquímico belga Christian de Duve estaba estudiando la fosfatasa ácida en hígado de rata mediante centrifugación diferencial. Detectó una fracción de partículas subcelulares que concentraban actividad hidrolítica y que se comportaban como pequeñas bolsas de enzimas. Las llamó lisosomas ("cuerpos disolventes", del griego λύσις, "disolución", y σῶμα, "cuerpo"). Alex Novikoff obtuvo ese mismo año las primeras micrografías electrónicas del nuevo orgánulo. En 1974 De Duve recibió el Premio Nobel de Medicina.

Fue también De Duve, en 1963, quien acuñó el término autofagia para nombrar el proceso por el que la célula digiere componentes propios. Durante décadas se consideró un mecanismo menor de reciclaje. Hoy se sabe que interviene en la respuesta al ayuno, en la eliminación de proteínas mal plegadas, en la defensa antiviral y en la regulación de la muerte celular programada.

Funciones biológicas

La digestión celular cumple cuatro funciones principales que interesa distinguir.

Nutrición y aprovechamiento de reservas. El material extracelular captado por endocitosis (por ejemplo, colesterol de las LDL) llega al lisosoma, se libera de su transportador y queda disponible para la célula. En condiciones de ayuno, la autofagia moviliza glucógeno y grasas almacenadas.

Defensa frente a microorganismos. Los neutrófilos y macrófagos digieren bacterias, virus y hongos en fagolisosomas. Algunos patógenos han desarrollado estrategias para evadir esta digestión (por ejemplo, Mycobacterium tuberculosis impide la fusión fagosoma-lisosoma), lo que explica su capacidad para persistir en el interior celular.

Renovación de orgánulos y control de calidad proteico. La autofagia elimina mitocondrias dañadas (mitofagia), fragmentos de retículo endoplásmico (reticulofagia) y agregados de proteínas mal plegadas. Cuando esta vigilancia falla, se acumulan sustratos que resultan tóxicos, con implicación en el envejecimiento y en múltiples enfermedades neurodegenerativas.

Remodelación tisular. Durante el desarrollo embrionario, muchas células deben desaparecer o reorganizarse. La digestión celular participa en la reabsorción de la cola del renacuajo, en la formación de los dedos por eliminación del tejido interdigital y en incontables procesos de morfogénesis.

Relevancia clínica

Cuando una de las hidrolasas lisosomales falla, el sustrato correspondiente se acumula. El resultado es lo que se conoce como enfermedad por depósito lisosomal, un grupo de más de cincuenta trastornos hereditarios entre los que figuran la enfermedad de Gaucher (déficit de glucocerebrosidasa, acumulación de glucocerebrósidos) o la de Tay-Sachs (déficit de hexosaminidasa A, acumulación de gangliósido GM2). Muchos de ellos son de inicio pediátrico y ninguno tiene curación en sentido estricto, aunque para algunos existe terapia enzimática sustitutiva.

La autofagia también aparece implicada en enfermedades neurodegenerativas cuando pierde eficacia con la edad o por causa genética. La acumulación de agregados proteicos característicos (beta-amiloide y tau en la enfermedad de Alzheimer, alfa-sinucleína en la enfermedad de Parkinson, huntingtina en la enfermedad de Huntington) refleja, al menos en parte, ese fallo del sistema de digestión intracelular. Es un campo de investigación en pleno desarrollo, con líneas terapéuticas experimentales orientadas a estimular la autofagia deteriorada.

Diferenciación con procesos afines

Digestión celular y digestión general. La digestión a nivel de organismo transforma los alimentos en el tubo digestivo. La celular ocurre dentro de la célula y actúa sobre material que ya está en su interior. Comparten el mecanismo bioquímico (hidrólisis enzimática), pero difieren en su localización, su escala y su función.

Digestión celular y catabolismo. El catabolismo es el conjunto de reacciones que degradan moléculas para obtener energía o precursores. La digestión celular es una parte del catabolismo, la que ocurre en compartimentos hidrolíticos. Otros procesos catabólicos, como la glucólisis o la beta-oxidación, transcurren en el citosol o en las mitocondrias.

Digestión celular y autólisis. La primera es regulada, forma parte del funcionamiento normal de la célula. La segunda es la destrucción incontrolada por las propias enzimas cuando se pierde la integridad de las membranas.

Digestión celular y proteosoma. El sistema ubiquitina-proteosoma degrada proteínas concretas marcadas con ubiquitina. No es digestión lisosomal, sino una vía citosólica selectiva. Ambas vías conviven en la célula y se reparten la tarea del control de calidad proteico.

Preguntas frecuentes

¿Qué diferencia hay entre digestión celular y digestión "normal"?

La localización y la escala. La digestión del aparato digestivo ocurre en la luz del tubo, actúa sobre los alimentos y termina con la absorción de nutrientes a la sangre. La digestión celular ocurre dentro de cada célula, en compartimentos con membrana propia, y actúa sobre material que la célula ha captado del exterior o que procede de sus propios componentes.

¿Qué es un lisosoma y por qué es tan ácido su interior?

Es un orgánulo membranoso lleno de enzimas hidrolíticas. Su pH interno ronda 4,5. Esta acidez es la condición óptima para que trabajen sus hidrolasas y a la vez una salvaguarda: si alguna enzima escapa al citosol (con pH neutro), pierde actividad. Descubierto por Christian de Duve en 1955 durante experimentos de centrifugación diferencial en hepatocitos de rata.

¿Qué es la autofagia y por qué importa?

La autofagia, literalmente "comerse a uno mismo", es la vía por la que la célula digiere sus propios componentes: orgánulos dañados, agregados de proteínas, porciones de citoplasma. Sirve para renovar estructuras, sobrevivir en condiciones de ayuno y controlar la calidad de las proteínas. Yoshinori Ohsumi recibió el Premio Nobel de Medicina en 2016 por descubrir los mecanismos moleculares que la regulan.

¿Qué son las enfermedades por depósito lisosomal?

Un grupo de más de cincuenta enfermedades hereditarias en las que falta o no funciona una enzima lisosomal. El sustrato que esa enzima debía degradar se acumula progresivamente en los tejidos y produce daño clínico. Ejemplos conocidos son las enfermedades de Gaucher, Tay-Sachs, Niemann-Pick, Pompe y las mucopolisacaridosis. Para algunas existe terapia enzimática sustitutiva.

¿La digestión celular y la apoptosis son lo mismo?

No. La apoptosis es la muerte celular programada, un proceso ordenado en el que la célula se desmantela por completo mediante caspasas. La digestión celular puede intervenir de forma auxiliar (los macrófagos recogen y digieren los restos de las células apoptóticas), pero es un proceso distinto y compatible con la supervivencia de la célula. En condiciones habituales, la digestión celular es rutina; la apoptosis es un final.

Referencias

1. Nobel Prize Outreach. Christian de Duve. The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1974.
2. Universidad de Vigo. La célula. Tráfico vesicular. Lisosomas. Atlas de Histología Vegetal y Animal.
3. Nobel Prize Outreach. The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2016. Yoshinori Ohsumi (autofagia).
4. Real Academia Nacional de Medicina de España. Diccionario de términos médicos (DTM).