El endotelio es un epitelio escamoso simple. La célula endotelial plana tiene un eje longitudinal orientado en la dirección del flujo. Se asienta sobre una membrana basal. Los estudios ultraestructurales han revelado más detalles.
La célula contiene pequeñas microvellosidades en su superficie. En su citoplasma hay mitocondrias, cuerpos de Golgi, numerosas vesículas pinocitóticas, retículo endoplásmico y filamentos contráctiles. Los filamentos contráctiles rara vez se ven en funcionamiento. Las excepciones son la contracción de las células endoteliales venulares durante una inflamación aguda y los capilares esplénicos, que parecen muy activos.
Las vesículas tienen un diámetro de unos 50-70 nanómetros. Se ha sugerido que son una vía por la que las macromoléculas podrían atravesar la célula desde el lumen vascular. En ocasiones, se observan estructuras citoplasmáticas en forma de varilla. Densos en electrones, se denominan cuerpos de Weibel-Palade y se cree que son el almacén del factor VIII de la cascada de coagulación.
La unión intercelular representa menos del 1% de la superficie total de la célula endotelial. Con menos de 20 nanómetros de ancho, puede extenderse hasta 1000 nanómetros entre células adyacentes. En los puntos más cercanos, las células entran en contacto a través de uniones estrechas. Entre las zonas de uniones estrechas - cordones de unión - hay interrupciones en la barrera que permiten el paso de agua y pequeños metabolitos. El número y el solapamiento de los filamentos de unión determinan la permeabilidad del endotelio. De ahí que los capilares cerebrales con una cobertura perimetral casi total de uniones estrechas tengan una permeabilidad baja; el sello se denomina zonula occludens. El espacio intercelular, al igual que la superficie celular, está cargado negativamente debido a una red de sialoglicoproteínas. Esta carga contribuye a las propiedades de filtración endotelial. La membrana basal contrarresta las tensiones superficiales de la célula; están unidas por moléculas de glicoproteína laminina.
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