Biología Celular@Yale

Contenido de la clase

Introducción

La vía secretora en las células eucariotas se utiliza para enviar proteínas y lípidos a la membrana plasmática y a ciertos orgánulos unidos a la membrana y para liberar material fuera de la célula. Existen dos tipos de secreción: constitutiva y regulada. La secreción constitutiva es la vía por defecto y se utiliza principalmente para reponer material en la membrana plasmática y en ciertos orgánulos unidos a la membrana. La secreción regulada termina en vesículas secretoras que almacenan el material secretado hasta que una señal desencadena la fusión con la membrana plasmática. Ambos tipos de secreción utilizan la misma vía, pero las secuencias de señales desvían las proteínas hacia la vía regulada. Las células también recuperan material de la membrana plasmática mediante endocitosis. Este material puede ser reciclado a la membrana plasmática o degradado en el lisosoma.

Principios de la vía secretora

Las proteínas y los lípidos se sintetizan en el RE y luego se transportan al Golgi. Las proteínas se clasifican en el Golgi y se envían a la membrana plasmática, al lisosoma o a las vesículas secretoras. El transporte de proteínas y lípidos entre compartimentos unidos a la membrana está mediado por vesículas que brotan de un compartimento y se fusionan con el siguiente. Las rabizas, los anclajes y los SNARE aumentan la probabilidad de que las vesículas se fusionen con la membrana de destino correcta. Las células mantienen la integridad y la funcionalidad del RE y del Golgi inhibiendo la entrada de proteínas residentes en las vesículas y recuperando las proteínas que se escapan.

Glicosilación

La glicosilación es la unión covalente de azúcares a las proteínas que se produce en la mayoría de las proteínas del RE. La glicosilación ayuda a que las proteínas se plieguen, dirige las proteínas a orgánulos específicos (por ejemplo, el lisosoma) e inhibe la proteólisis. Además, muchas proteínas de la superficie de las células y de la matriz extracelular que las rodea están fuertemente glicosiladas con diversos fines biológicos.

La glicosilación ligada a N se produce en el RE e implica la adición de un grupo de 14 azúcares al grupo amino de las asparaginas. Los grupos contienen una mezcla de N-acetilglucosamina, manosa y glucosa. Los residuos de glucosa se eliminan en el RE antes de que la proteína sea transportada al Golgi. En el Golgi, las cadenas laterales de azúcar pueden modificarse aún más mediante la eliminación y adición de diferentes azúcares.

La glucosilación ligada a O es la segunda forma e implica la adición de azúcares a las serinas o treoninas. La glicosilación ligada a O probablemente comienza en el Golgi mediante la adición de un solo azúcar. Otras enzimas añaden azúcares en grupos de dos y las cadenas laterales de azúcar pueden llegar a ser extremadamente largas.

El complejo de Golgi es una pila de cisternas de membrana con composiciones bioquímicas únicas. Las cisternas suelen denominarse red cis, medial, trans y trans-Golgi con proteínas que entran en la cis desde el RE y salen desde el TGN. Las cisternas parecen contener un conjunto único de enzimas que modifican las cadenas laterales de azúcar en las proteínas. Por ejemplo, la manosa se elimina principalmente en la cisterna medial mientras que la galactosa se añade en la cisterna trans.

Transporte vesicular

El transporte entre compartimentos de membrana está mediado por pequeñas vesículas. Las vesículas contienen una cubierta proteica que impulsa la formación de vesículas y recluta proteínas en ellas. Las vesículas se dirigen al compartimento correcto mediante una combinación de proteínas Rab y SNARE. Las Rab son una gran familia de pequeñas proteínas de unión a GTP, y cada compartimento de la membrana en la vía secretora parece contener una única proteína Rab. Las SNARE son proteínas presentes en vesículas y compartimentos de membrana que se emparejan para mediar en la fusión. Las SNAREs comprenden otra gran familia de proteínas y es probable que los diferentes compartimentos contengan proteínas SNARE únicas.

Formación de vesículas

La formación de vesículas a partir del RE se entiende más claramente y servirá como ejemplo de cómo se forman las vesículas. El mecanismo es probablemente similar para otros compartimentos. El ensamblaje de una capa de proteínas impulsa la formación y el ensamblaje de la capa comienza con la unión de la pequeña proteína de unión a GTP Sar1. Sar1-GTP se asocia con el RE e inserta una pequeña hélice en el folleto exterior de la bicapa de la membrana del RE para iniciar la curvatura de la membrana. Sar1-GTP recluta otros dos conjuntos de proteínas que forman la cubierta de la vesícula: el complejo Sec23-Sec24 que se une a las proteínas de carga y el complejo Sec13-Sec31 que ayuda a impulsar la formación de la vesícula. La selección de la carga para la mayoría de las proteínas requiere una secuencia señal que interactúa con el complejo Sec23-24. Las proteínas solubles dentro del lumen del RE se asocian con receptores de carga que contienen una secuencia de señal que se une a Sec23-Sec24. El complejo de recubrimiento que rodea a las vesículas del RE se denomina COP II.

Dirigir las vesículas al compartimento correcto

Dos conjuntos de proteínas parecen ayudar a las vesículas a fusionarse con la membrana de destino correcta. Uno de ellos consiste en unos marcadores que se localizan en los compartimentos de la membrana objetivo e interactúan con los componentes de la cubierta de la vesícula. Se han identificado varios anclajes diferentes en las células y cada uno parece localizarse en un compartimento distinto. Los tethers forman estructuras que se extienden fuera de la membrana del compartimento hacia el citosol. Esto puede ayudar a los tethers a interactuar con las vesículas que llegan desde el compartimento de membrana anterior.

Un segundo conjunto de proteínas que ayuda a dirigir correctamente la vesícula a la membrana apropiada son las SNAREs. Las SNARE también median en la fusión entre membranas. Las vesículas contienen una proteína SNARE (vSNARE) y los compartimentos de membrana contienen de 2 a 3 proteínas SNARE (tSNAREs). Las proteínas SNARE de las vesículas y los compartimentos de membrana interactúan con especificidad. Las células animales expresan 35 proteínas SNARE diferentes, pero sólo ciertos conjuntos de SNAREs interactúan entre sí. Al localizar aquellas SNARE que interactúan sólo en las vesículas y en su membrana de destino, las células se aseguran de que las vesículas se fusionen con su membrana de destino correcta.

Fusión de membranas

Las proteínas SNARE median la fusión entre las vesículas y su compartimento de membrana de destino. Las proteínas SNARE contienen largas regiones que forman estructuras helicoidales. Los dominios helicoidales de las vSNAREs y las tSNAREs interactúan y parecen cerrarse en cremallera. Se cree que la energía liberada mediante el emparejamiento completo de las vSNAREs y las tSNAREs impulsa la fusión entre la membrana de la vesícula y la membrana del compartimento, aunque el mecanismo exacto sigue sin estar claro.

Algunas vesículas se acoplan a su membrana objetivo pero no se fusionan. Por ejemplo, las vesículas secretoras almacenan proteínas y otras moléculas pequeñas hasta que la célula recibe la señal de liberarlas. Algunas vesículas secretoras se acoplan a la membrana plasmática mediante la interacción de vSNAREs y tSNAREs, pero se impide que las SNAREs se emparejen completamente para impulsar la fusión de la membrana. Las señales externas desencadenan la eliminación de la inhibición del emparejamiento, permitiendo que las vesículas se fusionen con la membrana plasmática.

Ordenación de proteínas en la red trans-Golgi

Al llegar a la red trans-Golgi, la mayoría de las proteínas se dirigen a su destino final. La vía por defecto parece ser el transporte a la membrana plasmática, ya que ésta necesita reponer continuamente lípidos y proteínas. Otras proteínas se dirigen a los lisosomas y a las vesículas secretoras. La señal para enviar una proteína al lisosoma implica la cadena lateral de azúcar. La mayoría de las proteínas lisosomales contienen manosa 6-fosfato que se añade en el cis-Golgi. El receptor que se une a la manosa 6-fosfato reside en la red trans-Golgi y recluta a las proteínas de la cubierta a la red trans-Golgi. La clatrina forma la cubierta alrededor de estas vesículas, y éstas acumulan proteínas lisosomales antes de brotar de la red trans-Golgi. Estas vesículas se fusionan con los endosomas. El lumen de los endosomas tiene un pH bajo que hace que el receptor de manosa 6-fosfato se disocie de las proteínas lisosomales. El receptor de manosa 6-fosfato se devuelve a la red trans-Golgi y la vesícula que contiene las proteínas lisosomales madura hasta convertirse en un lisosoma funcional.

Algunas proteínas se clasifican en vesículas secretoras que almacenan estas proteínas hasta que la célula recibe una señal para liberarlas. El mecanismo por el cual las proteínas se clasifican en vesículas secretoras ya que estas proteínas no comparten una secuencia de señal de clasificación común.

Endocitosis

Las células no sólo liberan material al medio externo sino que también toman material del exterior de la membrana plasmática mediante endocitosis. Hay varias formas de endocitosis.

La fagocitosis permite a algunas células (macrófagos, neutrófilos) engullir y tomar partículas grandes como microorganismos y células muertas. La fagocitosis implica la protrusión de la membrana plasmática alrededor de la partícula. La protrusión es impulsada por la polimerización de la actina. La membrana plasmática acaba rodeando la partícula y se fusiona para encerrarla completamente y formar una gran vesícula endocítica.

La pinocitosis forma vesículas mucho más pequeñas (~ 100 nm) y permite a las células captar pequeñas cantidades de líquido extracelular y porciones de la membrana plasmática. Una forma de pinocitosis es la endocitosis mediada por clatrina, que permite a las células absorber proteínas específicas de la superficie celular.

La endocitosis mediada por clatrina comienza con la formación de una fosa en la membrana plasmática. La fosa está rodeada en el lado citoplasmático por proteínas adaptadoras que unen la clatrina a la fosa. Los adaptadores también interactúan con las proteínas de la membrana plasmática que son objeto de endocitosis. La fosa puede albergar unas 1000 proteínas. La polimerización de la clatrina impulsa la formación de una vesícula que finalmente se separa de la membrana plasmática. La GTPasa dinamina cataliza la reacción de pinzamiento. Las vesículas recubiertas de clatrina se fusionan con los endosomas, donde el bajo pH disocia los ligandos de los receptores. Algunas proteínas vuelven a la membrana plasmática, mientras que otras se dirigen al lisosoma, donde se degradan.

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