INTRODUCCION
Debido a la compleja organización interna de las células eucariotas, distribuir y dirigir a las proteínas hacia sus destinos adecuados adecuados son tareas considerabl considerables. es. El primer primer paso en la distrib distribuci ución ón de las proteí proteínas nas tiene tiene lugar lugar mient mientras ras aún está en marcha marcha la traduc traducció ción. n. Muchas Muchas prot proteín eínas as desti destinad nadas as al retí retícu culo lo endo endopl plás ásmi mico, co, al apar aparato ato de olg olgi, i, a los liso lisoso soma mas, s, a la memb membra rana na plas plasmá máti tica ca y a ser ser secretad secr etadas as se s e sintetizan sintetizan en los los ribosomas ribosomas unidos unidos a la membrana membrana del retículo retículo endopl endoplásmico. ásmico. ! medida "ue la traducción continúa, las cadenas polipeptídicas se transportan al interior del retículo endoplásmico, endoplásmico, donde tiene lugar el plegamiento y procesamiento procesamiento de las proteínas. Desde el retículo endoplásmico, las proteínas se transportan en #esículas al aparato de olgi, donde son nue#amente proces procesadas adas y distr distribu ibuidas idas para el transp transporte orte a los lisoso lisosomas, mas, a la membra membrana na plasmát plasmática ica o a ser secretadas secretadas desde la l a célula. célula. El retículo endopl endoplásmi ásmico, co, el aparato aparato de olgi olgi y los lisosomas lisosomas se di$erencian de esta manera de otros orgánulos citoplásmicos en "ue inter#ienen conjuntamente en el procesamiento de las proteínas y en "ue están conectados mediante #esículas de transporte.
CAPITULO I
DISTRIBUCIÓN DISTRIBUCIÓN Y TRANSPORTE TRANSPORTE DE D E PROTEÍNAS Retículo Retíc ulo endoplásico endoplásico El retículo retículo endoplásm endoplásmico ico es una red de túbulos y sacos %cisternas& %cisternas& rodeados rodeados de membrana membrana "ue se e'tiende e'tiende desde la membrana membrana nuclear por todo el citoplasma citoplasma %(ig. ).*&. +odo +odo el e l retículo retículo endoplásmico está rodeado por una membrana continua y es el orgánulo más grande de la mayoría de las células células eucario eucariotas. tas. u membrana puede representar representar apro'ima apro'imadamen damente te la mitad de todas las membranas de la célula, y el espacio encerrado por el -E %la luz, o espacio de las cisternas& puede repres represent entar ar alrededor alrededor del * / de todo todo el e l #olu #olumen men celular. celular. 0omo 0omo se trató trató pre# pre#iam iament ente, e, hay dos tipos distintos distintos de -E "ue realizan $unciones $unciones di$erentes di$erentes en la célula. El -E rugoso, "ue está cubierto cubierto por ribos ribosom omas as en su super$ super$icie icie e'tern e'terna, a, parti participa cipa en el proces procesami amien ento to de las prot proteín eínas. as. El -e liso liso no está asociado con los ribosomas y está implicado en el metabolismo de los lípidos, en lugar de en el de las proteínas. Retículo endoplásmico endoplásmico y secrec secreción ión de proteín proteínas as
Figura Figur a
9.1
El papel del retículo endoplásmico en el procesamiento y distribución de las proteínas $ue demostr demostrado ado por primera #ez por eorge 1alade y sus colaboradores colaboradores en e n los a2os 3 %(ig. ).4&. Estos in#estigadores estudiaron el destino de las proteínas recién sintetizadas en unas células esp especia eciali liza zada dass del pánc páncre reas as %cél %célul ulas as panc pancre reát átic icas as acin acinar ares es&& "ue secr secret etan an enzi enzim mas dige digest sti# i#as as al inte intest stin ino o delg delgad ado. o. Debi Debido do a "ue "ue la may mayoría oría de las prot proteí eína nass sint sintet etiz izad adas as por por esta estass célu células las son son secretadas, secretadas, 1alade y colaboradores colaboradores $ueron capaces de estudiar estudiar la ruta tomada tomada
CAPITULO I
DISTRIBUCIÓN DISTRIBUCIÓN Y TRANSPORTE TRANSPORTE DE D E PROTEÍNAS Retículo Retíc ulo endoplásico endoplásico El retículo retículo endoplásm endoplásmico ico es una red de túbulos y sacos %cisternas& %cisternas& rodeados rodeados de membrana membrana "ue se e'tiende e'tiende desde la membrana membrana nuclear por todo el citoplasma citoplasma %(ig. ).*&. +odo +odo el e l retículo retículo endoplásmico está rodeado por una membrana continua y es el orgánulo más grande de la mayoría de las células células eucario eucariotas. tas. u membrana puede representar representar apro'ima apro'imadamen damente te la mitad de todas las membranas de la célula, y el espacio encerrado por el -E %la luz, o espacio de las cisternas& puede repres represent entar ar alrededor alrededor del * / de todo todo el e l #olu #olumen men celular. celular. 0omo 0omo se trató trató pre# pre#iam iament ente, e, hay dos tipos distintos distintos de -E "ue realizan $unciones $unciones di$erentes di$erentes en la célula. El -E rugoso, "ue está cubierto cubierto por ribos ribosom omas as en su super$ super$icie icie e'tern e'terna, a, parti participa cipa en el proces procesami amien ento to de las prot proteín eínas. as. El -e liso liso no está asociado con los ribosomas y está implicado en el metabolismo de los lípidos, en lugar de en el de las proteínas. Retículo endoplásmico endoplásmico y secrec secreción ión de proteín proteínas as
Figura Figur a
9.1
El papel del retículo endoplásmico en el procesamiento y distribución de las proteínas $ue demostr demostrado ado por primera #ez por eorge 1alade y sus colaboradores colaboradores en e n los a2os 3 %(ig. ).4&. Estos in#estigadores estudiaron el destino de las proteínas recién sintetizadas en unas células esp especia eciali liza zada dass del pánc páncre reas as %cél %célul ulas as panc pancre reát átic icas as acin acinar ares es&& "ue secr secret etan an enzi enzim mas dige digest sti# i#as as al inte intest stin ino o delg delgad ado. o. Debi Debido do a "ue "ue la may mayoría oría de las prot proteí eína nass sint sintet etiz izad adas as por por esta estass célu células las son son secretadas, secretadas, 1alade y colaboradores colaboradores $ueron capaces de estudiar estudiar la ruta tomada tomada
Figura 9.2 í! sec"eto"!#
5as células acinares pancreáticas, "ue secretan la mayor parte de sus proteínas sintetizadas de novo en el tracto digesti#o, se marcaron con aminoácidos radiacti#os para estudiar la #ía intracelular utilizada por las proteínas proteí nas secretadas. secret adas. +ras un corto periodo period o de incubac i ncubación ión con aminoác idos radiacti#os radiac ti#os %marcaje %marca je de 6 minutos&, minuto s&, la autorradiogra$ía puso de mani$iesto "ue las proteínas sintetizadas de novo se localizaban en el -E rugoso. +ras una in cubación posterio r con aminoácidos no radiacti#os %caza&, se obser#ó "ue las proteína s se habían desplazado desde el -E al aparato de olgi y después, en el interior de #esículas de secreción, a la membrana plasmática y al e'terior de la célula.
Figura Figur a
9 .2
por las prot proteín eínas as secret secretad adas as simple simplemen mente te media mediante nte el marca marcaje je con amin aminoác oácid idos os radiac radiacti# ti#os os de las prot proteí eínas nas recién recién sintet sintetiza izada das. s. 5a localiz localizaci ación ón en la célula célula de las prote proteín ínas as marca marcadas das radiac radiacti# ti#am amen ente te se determinó determinó a contin continuac uación ión median mediante te una autorr autorradi adiogra$ía, ogra$ía, ponie poniendo ndo de mani$i mani$iesto esto los lugar lugares es celulares celulares implicados en los procesos "ue conducen conducen a la secreción de las proteínas. Después de una una bre# bre#ee e'po e'posi sici ción ón de las célu célula lass acin acinar ares es panc pancre reát átic icas as a los los amin aminoá oáci cido doss radi radiac acti ti#o #os, s, se detectaron proteínas sintetizadas de novo en el -E rugoso, por lo "ue se le identi$icó como el luga lugarr de sínt síntes esis is de las las prot proteí eínas nas desti destina nadas das a la secr secrec eció ión. n. i a cont contin inua uaci ción ón las célul células as se incubab incubaban an durante durante un corto corto período período de tiempo tiempo en un medio medio "ue contenía contenía aminoácidos aminoácidos no radiac radiacti#os ti#os %proceso %proceso conocido conocido como como caza), las proteínas marcadas radiacti#amente se detectaban en el aparato de olgi. olgi. +ras +ras períodos períodos de caza más largos, largos, las proteínas proteínas marcadas marcadas radiacti radiacti#am #amente ente migr migrab aban an desde esde el apar aparat ato o de olgi olgi a la supe super$ r$iicie cie cel celular ular en #esíc esícu ulas las de secr secrec eció ión, n, "ue "ue poste posterio riorm rmente ente se $usio $usiona naban ban con la membr membrana ana plasm plasmáti ática ca para para liberar liberar su conte contenid nido o $uera $uera de la célula. Estos e'perimentos de$inieron una #ía tomada por las proteínas secretadas, la #ía secretora secretora -E rugo rugoso, so, olgi olgi , #esíc #esículas ulas de secreción7e't secreción7 e'terior erior de la célula. Estud Estudios ios adicion adicionales ales ampliaron estos resultados y demostraron "ue esta #ía no está restringida a las proteínas destinadas a ser secretadas. 5as proteínas de la membrana plasmática y las lisosómicas también migran desde el -E rugoso hasta hasta el olgi olgi y posteri posteriorm ormente ente a sus destinos destinos $inales. 8tras proteín proteínas as pasan pasan por las etapas etapas iniciales iniciales de la #ía secretora secretora pero posteriorm posteriormente ente son retenidas retenidas y su acti#idad acti#idad tiene lugar en el -E o en el aparato de olgi. 1or lo tanto, la entr e ntrada ada de las proteínas proteínas en el -E representa representa un cruce cruce de caminos muy importan importante te en el trá$i trá$ico co de prot proteí eínas nas en las célul células as euca eucari riot otas. as. 5as prote proteín ínas as dest destin inad adas as a ser secret secretad adas as o a incorporarse en el -E, aparato de olgi, lisosomas, o membrana plasmática son dirigidas
inici inicialm alment entee al -E. En las células de los mamí$eros, mamí$eros, la mayoría mayoría de las proteínas proteínas son trans$eridas al -E mientras están siendo traducidas por los ribosomas unidos a la membrana %(ig. ).6&.
1or el contrario, las proteínas destinadas a permanecer en el citosol o "ue se #an a incorporar al núcleo, a las mitocondrias, cloroplastos o pero'isomas son sintetizadas en los ribosomas libres y liberadas al citosol cuando $inaliza su traducción.
Marcae de las proteínas para dirigirse al retículo endoplásmico 5as proteínas pueden ser translocadas al -E durante su síntesis en los ribosomas unidos a la membrana %translocación cotraduccional& o una #ez "ue la traducción se ha completado en los ribosomas libres en el citosol %translocación postraduccional&. En las células de los mamí$eros, la mayoría de las proteínas entran en el -E de manera cotraduccional, mientras "ue en las le#aduras se utilizan tanto la #ía cotraduccional como la postraduccional. El primer paso en la #ía cotraduccional es la asociación de los ribosomas con el -E. 5a marca "ue determina "ue los ribosomas se unan con la membrana del -E es la secuencia de aminoácidos de la cadena polipeptídica "ue está siendo sintetizada, en #ez de propiedades intrínsecas del propio ribosoma. 5os ribosomas libres y los unidos a la membrana son $uncionalmente indistinguibles, y toda la síntesis proteica se inicia en los ribosomas "ue están libres en el citosol. 5os ribosomas implicados en la síntesis de proteínas destinadas a ser secretadas están marcados para dirigirse al retículo endoplásmico mediante localizada en el e'tremo amino7terminal de la cadena polipeptídica en crecimiento. Estas secuencias se2al son pe"ue2os segmentos de aminoácidos hidró$obos "ue son escindidos de la cadena polipeptídica durante su trans$erencia a la luz del -E.
Figura
9.!
El papel general de las secuencias se2al para dirigir a las proteínas a sus localizaciones adecuadas en la célula se dilucidó por primera #ez mediante estudios sobre la internalización de las proteínas de
secreción en el -E. Estos e'perimentos utilizaron preparaciones ín vitro de -E rugoso, "ue se aislaron de e'tractos celulares mediante centri$ugación en un gradiente de densidad %(ig. ).9&. 0uando las células se rompen, el -E se $ragmenta en pe"ue2as #esículas denominadas. 1uesto "ue las #esículas deri#adas del -E rugoso están recubiertas por ribosomas, éstas pueden separarse de #esículas similares deri#adas del -E liso o de otras membranas %p. ej., la membrana plasmática&. 0oncretamente la gran cantidad de !-: e'istente en los ribosomas aumenta la densidad de las #esículas de membrana a las "ue están unidos, permitiendo la puri$icación de las #esículas deri#adas del -E rugoso %microsomas rugosos& mediante centri$ugación de e"uilibrio en gradientes de densidad.
Da#id abatini y ;nter &. i un !-:m "ue codi$ica una proteína secretada era traducido in vitro por ribosomas libres, se obser#aba "ue la proteína producida era ligeramente mayor "ue la proteína normal secretada. in embargo, si se a2adían microsomas al sistema la proteína traducida in vitro se incorporaba a los microsomas y se escindía en el tama2o adecuado, Estos e'perimentos condujeron a "ue se $ormulara de una manera más detallada la hipótesis de la se2al, proponiendo "ue una secuencia guía amino7terminal marca y dirige la cadena polipeptídica a los microsomas y "ue es escindido posteriormente por una proteasa microsomal. Muchos hallazgos posteriores han sostenido este modelo, incluyendo e'perimentos con !D: recombinante "ue han demostrado "ue la adición de una secuencia se2al a una proteína "ue normalmente no es secretada es su$iciente para dirigir la incorporación de la proteína recombinante al -E rugoso.
Figura
9."
El mecanismo por el "ue las proteínas secretadas son dirigidas al -E durante su traducción %#ía cotraduccional& se conoce bien actualmente. 5as secuencias se2al están constituidas apro'imadamente por 4 aminoácidos, incluyendo un grupo de residuos hidró$obos, habitualmente en el e'tremo amino7terminal de la cadena polipeptídica %(ig. ).3&. ! medida "ue salen del ribosoma, las secuencias se2al son reconocidas y unidas a una "ue está constituida por seis polipéptidos y un !-: citoplásmico pe"ue2o % &. 5a 1- se une tanto al ribosoma como a la secuencia se2al, inhibiendo la traducción y dirigiendo todo el complejo %1-, ribosoma, y la cadena polipeptídica en crecimiento& al -E mediante la unión al receptor de la 1- en la membrana del -E %(ig. ).=&. 5a unión al receptor libera a la 1- del ribosoma y de la secuencia se2al de la cadena polipeptídica en crecimiento. Entonces el ribosoma se une a un complejo de translocación de proteínas en la membrana del -E, y la secuencia se2al es insertada en un canal de la membrana. En las le#aduras y en las células de los mamí$eros, los canales de translocación "ue atra#iesan la membrana de? -E están constituidos por tres proteínas transmembrana, denominadas proteínas ec3l. 5as proteínas ec3l de las le#aduras y los mamí$eros están estrechamente relacionadas con las proteínas de la membrana plasmática "ue translocan los polipéptidos secretarios en las bacterias, demostrándose una conser#ación signi$icati#a de la ma"uinaria de secreción de proteínas en las células procariotas y eucariotas. 5a trans$erencia de? ribosoma desde la 1- al complejo ec3l permite "ue se reanude la traducción, y la cadena polipeptídica en crecimiento se trans$iere directamente al canal ec3l y atra#iesa la membrana del -E a medida "ue continúa la traducción. !sí, el proceso de la síntesis de proteínas dirige directamente la trans$erencia de las cadenas polipeptídicas en crecimiento a tra#és de? canal ec3l y al interior del -E. ! medida "ue continúa la translocación, la peptidasa se2al escinde la secuencia se2al y el polipéptido es liberado en la luz del -E. Muchas proteínas en las le#aduras, así como algunas proteínas en las células de los mamí$eros, son dirigidas al -E tras haber sido traducidas %translocación postraduccional&, en lugar de ser trans$eridas al -E durante su síntesis en los ribosomas unidos a la membrana. Estas proteínas son sintetizadas en ribosomas citosólicos libres, y su incorporación postraduccional al -E no re"uiere una 1-. En su lugar, sus secuencias se2al son reconocidas por proteínas receptoras di$erentes %el complejo
ec34@36& asociadas con el complejo ec3l en la membrana del -E %(ig. ).A&. e re"uieren chaperonas citosólicas para mantener las cadenas polipeptídicas en una con$ormación desplegada para "ue puedan entrar en el canal ec3l, y se re"uiere otra chaperona en el -E %denominada
Figura
9.#
$nserción de las proteínas en la mem%rana del R& 5as proteínas cuyo destino es ser secretadas o residir en la luz del -E, aparato de olgi, o lisosomas son translocadas a tra#és de la membrana y liberadas en la luz del -E tal como ya se ha descrito. in embargo, las proteínas destinadas a incorporarse en la membrana plasmática o en la membrana del -E, olgi, o lisosomas se insertan inicialmente en la membrana del -E en lugar de ser liberadas a la luz. Desde la membrana del -E continúan hasta su destino $inal por la misma ruta "ue la de las proteínas secretadasB -E7olgi7Membrana plasmática o lisosomas. in embargo, estas proteínas son transportadas a lo largo de esta ruta como componentes de la membrana, en lugar de como proteínas solubles.
Figura
9.9
5as proteínas integrales de la membrana se incluyen en la membrana mediante regiones hidro$óbicas "ue atra#iesan la bicapa lipídica %(ig. 4.9A&. 5as partes de estas proteínas "ue atra#iesan la membrana suelen ser regiones en hélice al$a constituidas por 4 a 4> aminoácidos hidró$obos. 5a $ormación de una hélice al$a ma'imiza los puentes de hidrógeno entre los enlaces peptídicos, y las cadenas laterales hidró$obas de los aminoácidos interaccionan con las colas de ácidos grasos de los $os$olípidos. in embargo, las distintas proteínas integrales de la membrana di$ieren en cómo están insertadas. %(ig. ).)&. 1or ejemplo, mientras "ue algunas proteínas integrales atra#iesan la membrana una sola #ez, otras tienen múltiples regiones "ue atra#iesan la membrana. !demás, algunas proteínas están orientadas en la membrana con su e'tremo amino7terminal en el lado citosólicoC otras tienen su e'tremo carbo'ilo7terminal e'puesto al citosol. 5a orientación de las proteínas insertadas en el -E, olgi, lisosomas y membranas plasmáticas se establece a medida "ue las cadenas polipeptídicas en crecimiento se translocan en el -E. 5a luz del -E e"ui#ale topológicamente al e'tede las proteínas de la membrana plasmática "ue están e'puestos en la super$icie celular se corresponden con las regiones de la cadena polipeptídica "ue se translocan al interior del -E %(ig. ).*&.
El mecanismo más directo de inserción en la membrana del -E da como resultado la síntesis de proteínas transmembrana orientadas con sus e'tremos carbo'ilo termina? hacia el citosol %(ig. ).*l&. Estas proteínas tienen una secuencia se2al amino termina? normal, "ue es escindido por la peptidasa se2al durante la translocación de la cadena polipeptídica a tra#és de la membrana del -E por el canal ec. 3*. eguidamente se anclan a la membrana por una segunda hélice al$a "ue atra#iesa la membrana, localizada en el centro de la proteína. Esta secuencia transmembrana, denominada secuencia de detención de la trans$erencia, determina el cierre del canal ec3l. De este modo se blo"uea "ue la cadena polipeptídica se siga translocando a tra#és de la membrana del -E, por lo "ue la porción carbo'ilo terminal de la cadena polipeptídica en crecimiento se sintetiza en el citosol. El dominio transmembrana entonces abandona lateralmente el canal de traslocación para entrar en la bicapa lipídica. 1or lo tanto, la inserción de estas proteínas en la membrana implica la acción secuencia? de dos elementos di$erentesB una secuencia se2al amino terminal susceptible de ser escindido "ue inicia la translocación a tra#és de la membrana, y una secuencia transmembrana de detención de la trans$erencia "ue ancla la proteína a la membrana.
5as proteínas también pueden anclarse en la membrana del -E mediante secuencias se2al internas "ue no son escindidas por la peptidasa se2al %(ig. ).*4&. Estas secuencias se2al internas son reconocidas por la 1- y trasladadas a la membrana del -E de la manera #ista hasta ahora. in embargo, debido a "ue no son escindidas por la peptidasa se2al, estas secuencias se2al actúan como hélices al$a transmembrana "ue abandonan el canal de translocación y anclan a las proteínas a la membrana del -E. Es importante se2alar "ue las secuencias se2al internas pueden estar orientadas de tal manera "ue dirijan la translocación a tra#és de la membrana bien del e'tremo amino o bien de? e'tremo carbo'ilo termina? de la cadena polipeptídica. 1or tanto, dependiendo de la orientación de la secuencia se2al, las proteínas insertadas en la membrana mediante este mecanismo pueden tener bien su e'tremo amino o bien su e'tremo carbo'ilo terminal e'puesto al citosol. 5as proteínas "ue atra#iesan la membrana #arias #eces se piensa "ue son insertadas como resultado de una serie alternante de secuencias se2al internas y secuencias transmembrana de detención de la trans$erencia. 1or ejemplo, una secuencia se2al interna puede dar lugar a la inserción en la membrana de una cadena polipeptídica con su e'tremo amino termina? en el lado citosólico %(ig. ).*6&. i a continuación se encuentra una secuencia de detención de la trans$erencia, el polipéptido $ormará un bucle en la luz del -E, y la síntesis de la proteína continuará en el lado citosólico de la membrana. i aparece una segunda secuencia se2al, la cadena polipeptídica en crecimiento se insertará otra #ez en el -E, dando lugar a otro dominio en $orma de bucle en el lado citosólico de la membrana. ! esto le puede seguir otra secuencia de detención de la trans$erencia, por lo "ue una serie alternante de secuencias se2al y de detención de la trans$erencia pueden dar lugar a la inserción de las proteínas "ue atra#iesan la membrana #arias #eces, con dominios en $orma de bucle e'puestos tanto a la luz del -E como al lado citoplásmico.
'legamiento y procesamiento de las proteínas en el R& El plegamiento de las cadenas polipeptídicas en sus con$ormaciones tridimensionales correctas, el ensamblaje de los polipéptidos en proteínas constituidas por #arias subunidades, y las modi$icaciones co#alentes implicadas en el procesamiento de las proteínas se trataron en el 0apítulo =. 0on respecto a las proteínas "ue entran en la #ía secretora, muchos de estos acontecimientos ocurren durante la translocación a tra#és de la membrana del -E o en el interior de la luz del -E. no de estos procesos es la rotura proteolítica del péptido se2al a medida "ue la cadena polipeptídica se transloca a tra#és de la membrana del -E. El -E es también el sitio donde tiene lugar el plegamiento de las proteínas, el ensamblaje de proteínas de #arias subunidades, la $ormación de los puentes disul$uro, las primeras etapas de la glicosilación, y la adición de anclajes de glicolípidos a algunas proteínas de la membrana plasmática. De hecho, el papel principal de las proteínas de la luz del -E es catalizar el plegamiento y ensamblaje de los polipéptidos recién translocados.
0omo ya se ha dicho, las proteínas se translocan a tra#és de la membrana del -E a modo de cadenas polipeptídicas sin plegar mientras prosigue su traducción. 1or lo tanto, estos polipéptidos se pliegan en su con$ormación tridimensional en el -E, asistidos por las chaperonas moleculares "ue $acilitan el plegamiento de las cadenas polipeptídicas %#éase 0ap. =&. 1or ejemplo, una de las proteínas principales en la luz del -E es un miembro de la $amilia de las chaperonas sp=8 denominado
5as proteínas también son glicosiladas en residuos especí$icos de asparragina %:7glicosilación&, en el -E, mientras se están traduciendo %(ig. ).*>&. 0omo se trató en el 0apítulo =, se a2aden unidades de oligosacáridos constituidas por *9 residuos de azúcar a los residuos de asparragina de las cadenas polipeptídicas en crecimiento, mientras están siendo translocadas al -E. El oligosacárido se sintetiza en un transportador lipídico %dolicol& anclado en la membrana del -E. Después se trans$iere como una unidad a los residuos de asparragina aceptores en la secuencia consenso !sn7 F7er@+hr mediante una enzima unida a la membrana denominada oligosacaril trans$erasa. e eliminan cuatro residuos de azúcar %tres glucosas y una manosa& mientras la proteína aún está en el -E, y la proteína es modi$icada posteriormente después de haber sido transportada al aparato de olgi %lo "ue se tratará posteriormente en este capítulo&.
!lgunas proteínas se anclan a la membrana plasmática mediante glicolípidos en lugar de mediante regiones de la cadena polipeptídica "ue atra#iesan la membrana. Debido a "ue estos glicolípidos
anclados a la membrana contienen $os$atidilinositol, se denominan cuya estructura se muestra en la (igura =.64. 5os anclajes de (G se ensamblan en la membrana del -E. e unen inmediatamente después de completarse la síntesis de las proteínas, al residuo carbo'ilo termina? de algunas proteínas ancladas en la membrana por una región 07terminal "ue atra#iesa la membrana %(ig. ).*3&. 5a región transmembrana de la proteína se intercambia por el anclaje de (G, por lo "ue estas proteínas permanecen unidas a la membrana sólo a tra#és del glicolípido. !l igual "ue las proteínas transmembrana, son transportadas a la super$icie celular como componentes de la membrana a tra#és de la #ía secretora. u orientación en el -E determina "ue las proteínas ancladas al (G sean e'puestas hacia el e'terior de la célula, permaneciendo unidas a la membrana a tra#és del anclaje de (G. El oligosacárido se trans$iere desde un transportador lipídico de dolicol a las cadenas polipeptídicas mientras están siendo translocadas a tra#és de la membrana del -E.
R& liso y síntesis de lípidos !demás de su acti#idad en el procesamiento de las proteínas secretadas y de membrana, el -E es el sitio principal en el "ue se sintetizan los lípidos de la membrana en las células eucariotas. 1uesto "ue son e'tremadamente hidró$ogos, los lípidos se sintetizan asociados con membranas celulares ya e'istentes, en lugar de hacerlo en el ambiente acuoso del citosol. !un"ue algunos lípidos se sintetizan asociados con otras membranas, la mayoría se sintetizan en el -E. Después son transportados, en #esículas o mediante proteínas transportadoras, desde el -E a sus destinos $inales, como se tratará posteriormente en este 0apítulo y en el 0apítulo *. 5as membranas de las células eucariotas están compuestas por tres tipos $undamentales de lípidosB $os$olípidos, glicolípidos y colesterol. 5a mayoría de los $os$olípidos, "ue son los componentes estructurales básicos de la membrana, deri#an del glicerol. on sintetizados en la cara citoplásmica de la membrana del -E, a partir de precursores citosólicos hidrosolubles %(ig. ). *=&. En primer lugar los ácidos grasos se trans$ieren desde los transportadores de coenzima ! al glicerol7 67$os$ato mediante una enzima unida a la membrana, y el $os$olípido resultante %ácido $os$atídico& se inserta en la membrana. 5as enzimas en la cara citoplásmica de la membrana del -E catalizan a continuación la adición de di$erentes grupos de cabeza polares, dando lugar a la $os$atidilcolina, $os$atidilserina, $os$atidiletanolamina, o $os$atidilinositol. 5a síntesis de estos $os$olípidos en la cara citoplásmica de la membrana del -E permite "ue las cadenas hidró$obas de los ácidos grasos permanezcan ocultas en la membrana mientras "ue las enzimas unidas a la membrana catalizan sus reacciones con precursores hidrosolubles %p. ej., 0D17 colina& en el citosol. in embargo, y debido a esta topogra$ía, los $os$olípidos nue#os sólo se a2aden a la mitad citosólica de la membrana del -E %(ig. ). *A&. 1ara mantener una membrana estable, algunos de estos $os$olípidos de nue#a síntesis deben trans$erirse a la otra mitad %la de la luz& de la bicapa del -E. Esta trans$erencia no tiene lugar espontáneamente ya "ue re"uiere el paso de un grupo polar a tra#és de la membrana. 1or el contrario, las proteínas de membrana denominadas catalizan la translocación rápida de $os$olípidos a tra#és de la membrana del -E, dando lugar a un crecimiento uni$orme de las dos partes de la bicapa. !demás de su papel en la síntesis de los glicero$os$olípidos, el -E también es el lugar principal de la síntesis de otros dos lípidos de membranaB colesterol y ceramida %(ig. ).*)&. 0omo se tratará posteriormente, la ceramida se con#ierte en glicolípidos o es$ingomielina %el único $os$olípido de
membrana "ue no deri#a del glicerol& en el aparato de olgi. 1or lo tanto, el -E es el responsable de la síntesis de los productos $inales o de los precursores de todos los lípidos principales de las membranas eucariotas.
El -E liso es abundante en las células "ue son particularmente acti#as en el metabolismo lipídico. 1or ejemplo, las hormonas esteroideas se sintetizan %a partir del colesterol& en el -E, por lo "ue se encuentra una gran cantidad de -E liso en las células "ue producen esteroides, como las de los testículos y del o#ario. !demás, el -E liso es abundante en el hígado, donde contiene enzimas "ue metabolizan #arios compuestos liposolubles. Estas enzimas desinto'icantes inacti#an un número importante de drogas potencialmente noci#as %p. ej., $enobarbital&, con#irtiéndolas en compuestos hidrosolubles "ue pueden eliminarse de? cuerpo a tra#és de la orina. 1or lo tanto, el -E liso está implicado en múltiples aspectos de? metabolismo de los lípidos y de los compuestos liposolubles.
&(portación de proteínas y lípidos desde el R& +anto las proteínas como los lípidos migran a tra#és de la #ía secretora en #esículas de transporte, "ue se originan por gemación en la membrana de un orgánulo y se $unden posteriormente con la membrana de otro. !sí, las moléculas son e'portadas desde el -E en #esículas "ue se originan por gemación e el -E y "ue, en primer lugar, transportan su contenido al compartimento intermedio -E7 olgi y después al aparato de olgi %(ig. ).4&. 1asos posteriores e la #ía secretora suponen el transporte de #esículas entre compartimentos di$erentes del olgi y desde el olgi a los lisosomas o a la membrana plasmática. En cada caso, las proteínas en la luz de un orgánulo se empa"uetan en un #esícula de transporte "ue se #a a escindir por gemación, y después se liberan en la luz del orgánulo receptor tras la $usión de la #esícula. 5as proteínas de membrana y los lípidos se transportan de $orma similar, y es digno de mencionar "ue su orientación topológico se mantiene al #iajar desde un orgánulo rodeado por membrana a otro. 1or ejemplo, los dominios de una proteína e'puestos en la cara citosólica de la membrana del -E también estarán e'puestos en la cara citosólica de las membranas del olgi y plasmática, mientras "ue los dominios de un proteína e'puestos en la cara luminal de la membrana del -E estarán e'pues tos en la cara luminal del olgi y al e'terior de la célula %#éase (ig. ).*&.
Mientras "ue la mayoría de las proteínas #iajan desde el -E al olgi, algunas proteínas han de retenerse en el -E en lugar de continuar a lo largo de * #ía secretora. 0oncretamente, las proteínas "ue realizan su $unción en el - %incluyendo
presencia de la secuencia marcadora 5ys7!sp7lu75eu %HDE5, en el código de una única letra& en su e'tremo carbo'ilo terminal. i esta secuencia se deleciona en un proteína "ue normalmente se retiene en el -E %p. ej.,
Es interesante destacar "ue las se2ales HDE5 y HHFF no impiden "ue la proteínas solubles del -E sean empa"uetadas en #esículas y transportadas olgi. 5o "ue sucede es "ue estas se2ales pro#ocan "ue las proteínas residente en el -E sean recuperadas selecti#amente del compartimento intermedio - olgi o del complejo de olgi y de#ueltas al -E a tra#és de una #ía de reciclad %(ig. ).4*&. 5as proteínas "ue portan las secuencias HDE5 y HHFF parece "ue se unen a receptores especí$icos para el reciclado en la membrana de estos compartimentos y posteriormente son transportadas selecti#amente de #uelta hacia el - 5a acción de las secuencias HDE5 y HHFF como se2ales de retención@recuperación indica "ue hay un $lujo masi#o no selecti#o de proteínas a tra#és de *a #ía secretora dirigido desde el -E a la super$icie celular. Este $lujo desde el -E olgi puede ser responsable de la e'portación de muchas proteínas desde el - in embargo, también parece "ue algunas proteínas destinadas a ser secretada están marcadas por se2ales "ue dirigen acti#amente su e'portación desde el - 1or lo tanto, la e'portación de proteínas desde el -E puede tener lugar no sólo p este $lujo masi#o, sino también por una #ía regulada "ue reconoce especí$icamente las se2ales "ue median el transporte selecti#o de las proteínas al aparato de olgi.
!parato de olgi El $unciona como una $ábrica en la "ue las proteínas recibidas desde el -E se reprocesan y distribuyen para ser transportadas a sus destinos $inalesB los lisosomas, la membrana plasmática o la secreción. !demás, como ya se ha mencionado, los glicolípidos y la es$ingomielina son sintetizados
en el olgi. En las células #egetales, el aparato de olgi, además, es el sitio en el "ue se sintetizan los
polisacáridos complejos de la pared celular. !sí el aparato de olgi está implicado en procesar el amplio espectro de constituyentes celulares "ue #iajan a lo largo de la #ía secretora. rganización del *olgi Mor$ológicamente el olgi está compuesto por unas bolsas aplanadas, rodeadas de membrana %cisternas& y por #esículas asociadas %(ig. ).44&. n aspecto llamati#o del aparato de olgi es su polaridad tanto en la estructura como en la $unción. 5as proteínas procedentes del -E entran por su cara cis %cara de entrada&, "ue es con#e'a y habitualmente se orienta hacia el núcleo. Entonces son transportadas a tra#és del olgi y salen por su cara cónca#a trans %cara de salida&. egún atra#iesan el olgi, las proteínas se modi$ican y se distribuyen para el transporte a sus destinos $inales en la célula.
5os di$erentes procesos de procesamiento y distribución de las proteínas parece "ue tienen lugar en una secuencia ordenada en di$erentes regiones del complejo de olgi, por lo "ue se suele considerar "ue el olgi está constituido por múltiples compartimentos di$erenciados. !un"ue no se ha establecido el número de tales compartimentos, normalmente se considera "ue el olgi está constituido por cuatro regiones $uncionalmente di$erentesB la red cis del olgi, el apilamiento del olgi %"ue se di#ide en los subcompartimentos medial y trans& la red trans del olgi %(ig. ).46&. 5as proteínas procedentes del -E se transportan al compartimento intermedio -E7olgi y entran a continuación en el aparato de olgi por la red cis del olgi. 1osteriormente pasan a los compartimentos medial y trans del apilamiento del olgi, donde tienen lugar la mayor parte de las acti#idades metabólicas del aparato de olgi. 5as proteínas modi$icadas, los lípidos y los polisacáridos migran a continuación a la red trans del olgi, "ue actúa como un centro de organización y distribución, dirigiendo el trá$ico molecular a los lisosomas, a la membrana plasmática, o al e'terior de la célula.
!un"ue el aparato de olgi se describió por primera #ez hace más de * a2os, el mecanismo por el "ue las proteínas se desplazan a tra#és del aparato de olgi aún no ha sido establecido y es un área de contro#ersia entre los biólogos celulares. na posibilidad es "ue sean unas #esículas de transporte las "ue lle#en las proteínas entre una cisterna y otra de los compartimentos del olgi. in embargo, un modelo alternati#o "ue se apoya en una e#idencia e'perimenta? considerable propone "ue las proteínas se transportan a tra#és de los compartimentos del olgi dentro de las cisternas del olgi, "ue #an madurando y se desplazan progresi#amente a tra#és del olgi en una dirección cis+trans. *licosilación de proteínas en el *olgi El procesamiento de las proteínas en el olgi supone la modi$icación y síntesis de los restos de carbohidratos de las glicoproteínas. no de los aspectos principales de este procesamiento es la modi$icación de los :7 oligosacáridos "ue se unieron a las proteínas en el -E. 0omo ya se ha tratado en este 0apítulo, las proteínas se modi$ican en el -E al a2adírselas un oligosacárido constituido por *9 residuos de azúcar %#éase (ig. ).*>&. eguidamente se eliminan tres residuos de glucosa y una manosa mientras los polipéptidos aún están en el -E. +ras el transporte al aparato de olgi, los :7 oligosacáridos de estas glicoproteínas su$ren di#ersas modi$icaciones posteriores. 5os :7oligosacáridos se procesan en el aparato de olgi mediante una secuencia ordenada de reacciones %(ig. ).49&. 5a primera modi$icación de las proteínas destinadas a ser secretadas o a la membrana plasmática, es la eliminación de otros tres residuos de manosa. ! esto le sigue la adición secuencias de una :7acetilglucosamina, la eliminación de dos manosas más, y la adición de una $ucosa y de otras dos :7acetilglucosaminas. (inalmente, se a2aden tres galactosas y tres residuos
de ácido siá$ico. 0omo se mencionó en el 0apítulo =, las distintas glicoproteínas se modi$ican de $orma
di$erente durante su paso a tra#és del olgi, dependiendo tanto de la estructura de la proteína como de la cantidad de enzimas implicadas en el proceso presentes en el complejo de olgi de los di$erentes tipos de células. 1or consiguiente, las proteínas pueden salir del olgi con di#ersos :7 oligosacáridos.
El procesamiento del :7oligosacárido de las proteínas lisosómicas di$iere del de las proteínas secretadas y de la membrana plasmática. 5as proteínas destinadas a incorporarse en los lisosomas, en #ez de la eliminación inicial de tres residuos de manosa, son modi$icadas mediante una $os$orilación de la manosa. En el primer paso de esta reacción, se a2ade :7 acetilgiucosamina $os$ato a residuos especí$icos de manosa, probablemente mientras la proteína aún está en la red cis del olgi %(ig. ).4>&. ! esto le sigue la eliminación del grupo :7 acetilgiucosamina, dejando residuos de manosa737$os$ato en el :7oligosacárido. Debido a esta modi$icación, estos residuos no son eliminados durante el procesamiento posterior. En su lugar, estos restos de manosa $os$orilados son reconocidos especí$icamente por un receptor de manosa7 37$os$ato en la red trans del olgi, "ue dirige el transporte de estas proteínas a los lisosomas.
1or lo tanto, la $os$orilación de los residuos de manosa es un paso crucial en la distribución de las proteínas lisosómicas hacia su destino intracelular correcto. 5a especi$idad de este proceso reside en la enzima "ue cataliza el primer paso en la secuencia de la reacción 7la adición selecti#a de :7 acetilglucosamina $os$ato a las proteínas lisosómicas. Esta enzima reconoce un determinante estructura? "ue está presente en las proteínas lisosómicas pero no en las proteínas destinadas a la membrana plasmática o a la secreción. Este determinante de reconocimiento no es una simple secuencia de aminoácidos, sino "ue está constituido, en la proteína plegada, por la yu'taposición de secuencias de aminoácidos de regiones di$erentes de la cadena polipeptídica. ! di$erencia de las secuencias se2al "ue dirigen la translocación de proteínas al -E, el determinante de reconocimiento "ue conduce a la $os$orilación de la manosa, y "ue por tanto dirige $inalmente las proteínas a los lisosomas, depende de la con$ormación tridimensional de la proteína plegada. Estos determinantes
se denominan regiones se2al, a di$erencia de las se2ales lineales tratadas pre#iamente en este capítulo. 5as proteínas también pueden morti$icarse mediante la adición de carbohidratos a las cadenas laterales de residuos de serina y treonina "ue $ormen parte de secuencias especí$icas %87 glicosilación& %#éase (ig. =.4A&. Estas modi$icaciones tienen lugar en el aparato de oigi mediante la adicion secuencial de residuos únicos de azúcar. 5a serina o la treonina se suelen unir directamente a la :7cetilgalactosamina, a la "ue después pueden a2adirse otros azúcares. En algunos casos, estos azúcares su$ren modi$icaciones posteriores por la adición de grupos sul$ato.
Meta%olismo
de
lípidos
y
de
polisacáridos
en
el
olgi
$ !demás de procesar y distribuir las glicoproteínas, el aparato de olgi participa en el metabolismo lipídico 7concretamente, en la síntesis de glicolípidos y es$ingomielina. 0omo ya se ha #isto, los glicero$os$olípidos, el colesterol, y la ceramida se sintetizan en el -E. 5a es$ingomielina y los glicolípidos se sintetizan a partir de la ceramida en el aparato de olgi %(ig. ).43&. 5a es$ingomielina %el único $os$olípido no glicérico en las membranas celulares& es sintetizada por la trans$erencia de un grupo $os$orilcolina desde la $os$atidilcolina a la ceramida. !lternati#amente, la adición de carbohidratos a la ceramida puede dar lugar a di$erentes glicolípidos.
5a es$ingomielina se sintetiza en la super$icie luminal del olgi, pero la glucosa se a2ade a la ceramida en la cara citosólica. in embargo, parece ser "ue la glucosilceramida se da la #uelta y los carbohidratos adicionales se a2aden en la cara luminal de la membrana. :i la es$ingomielina ni los glicolípidos pueden transiocarse a tra#és de la membrana del olgi, por lo "ue sólo se localizan en la mitad luminal de la bicapa del olgi. +ras el transporte #esicular, se localizan en la cara e'terna de la membrana citoplasmática, con sus grupos de cabeza polares e'puestos en la super$icie celular. 0omo se #erá en el 0apítulo *4, los residuos de oligosacáridos de los glicolípidos son marcadores de super$icie im1ortantes en el reconocimiento célula7célula. En las células #egetales, el aparato de olgi tiene la $unción a2adida de ser el lugar donde se sintetizan los polisacáridos complejos de la pared celular. 0omo se tratará con mayor detalle en el 0apítulo *4, la pared celular #egetal está compuesta por tres tipos principales de polisacáridos. 5a celulosa, el constituyente predominante, es un polímero lineal de restos de glucosa. Es sintetizado en la super$icie celular por enzimas de la membrana plasmática. in embar), los otros polisacáridos de la pared celular %hemicelulosas y pectinas& son moléculas complejas de cadena rami$icada "ue se sintetizan en el aparato de olgi y "ue son transportadas posteriormente
en #esículas a la super$icie celular. 5a síntesis de estos polisacáridos de la pared celular es una $unción principal de la célula, y hasta el A /
de la acti#idad metabólica del aparato de olgi en las células #egetales se dedica a la síntesis de polisacáridos.
istri%ución y e(portación de proteínas desde el aparato de *olgi 5as proteínas, al igual "ue los lípidos y los polisacáridos, son transportadas desde el aparato de olgi a sus destinos $inales a tra#és de la #ia secretora. Esto implica "ue las proteínas se distribuyan en di$erentes tipos de #esículas de transporte, las cuales saldrán por gemación desde la red trans del olgi y lle#arán su contenido hasta la localización celular adecuada. %(ig. ).4=&. !lgunas proteínas se transportan desde el olgi a la membrana plasmática por una #ía secretora constituti#a, responsable de la incorporación de nue#as proteínas y lípidos a la membrana plasmática, así como de la secreción continua de proteínas desde la célula. 8tras proteínas son transportadas a la super$icie celular a tra#és de una #ía di$erente de secreción regulada, o son dirigidas especí$icamente a otros destinos intracelulares, como los lisosomas en las células animales o las #acuolas en las le#aduras.
5as proteínas "ue realizan su $unción en el aparato de olgi deben retenerse en ese orgánulo, en lugar de ser transportadas a tra#és de la #ía secretora. ! di$erencia del -E, todas las proteínas retenidas en el complejo de olgi están asociadas con la membrana del olgi en lugar de ser proteínas solubles en su interior. 5as se2ales responsables para la retención de algunas proteínas en el olgi se han localizado en sus dominios transmembrana, "ue retienen las proteínas en el aparato de olgi impidiendo "ue sean empa"uetadas en las #esículas de transporte "ue salen por la red trans del olgi. !demás, al igual "ue sucede con las secuencias HHFF de las proteínas de membrana residentes en el -E, las se2ales en las colas citopiásmicas de algunas proteínas del olgi son responsables de la recuperación de estas proteínas desde compartimentos posteriores a lo largo de la #ía secretora.
5a #ía secretora constituti#a, "ue está presente en todas las células, da lugar a una secreción de proteínas continua no regulada. in embargo, algunas células también poseen una #ía secretora regulada di$erente, a tra#és de la "ue se secretan proteínas especí$icas en respuesta a se2ales ambientales. Ejemplos de secreción regulada son la liberación de hormonas desde las células endocrinas, la liberación de neurotransmisores desde las neuronas, y la liberación de enzimas digesti#as desde las células acinares pancreáticas "ue se #io al principio de este capítulo %#éase (ig. ).4&. 5as proteínas se distribuyen a la #ía secretora regulada en la red trans del olgi, donde son empa"uetadas en #esículas secretoras especializadas. Estas #esículas secretoras, "ue son más grandes "ue otras #esículas de transporte, almacenan su contenido hasta "ue unas se2ales especí$icas dirigen su $usión con la membrana plasmática. 1or ejemplo, las enzimas digesti#as producidas por las células acinares pancreáticas se almacenan en #esículas secretoras hasta "ue la presencia de comida en el estómago y en el intestino delgado desencadena su secreción. 5a distribución de las proteínas hacia la #ía secretora regulada implica el reconocimiento de regiones se2al compartidas por muchas de las proteínas "ue entran en esta #ía. Estas proteínas se acumulan selecti#amente en la red trans del olgi y se liberan por la gemación de las #esículas secretoras.
na complicación adicional en el transporte de las proteínas a la membrana plasmática surge en muchas células epiteliales "ue se encuentran polarizadas en los tejidos. 5a membrana plasmática de dichas células se di#ide en dos regiones distintas, el dominio apical y el dominio basolateral "ue contienen proteínas especí$icas relacionadas con sus $unciones di$erenciadas. 1or ejemplo, la membrana apical de las células epiteliales de? intestino mira hacia la luz de? intestino y está especializada en la absorción e$icaz de nutrientesC el resto de la célula está rodeada por la membrana basolateral %(ig. ).4A&. 5os di$erentes dominios de la membrana plasmática se encuentran no sólo en las células epiteliales, sino también en otros tipos de células. 1or lo tanto, la #ía secretora constituti#a debe transportar selecti#amente proteínas desde la red trans del olgi a los di$erentes dominios de la membrana plasmática. Esto se lle#a a cabo mediante el embalaje selecti#o de proteínas en, al menos, dos tipos de #esículas secretoras constituti#as "ue abandonan la red trans del olgi, dirigidas especí$icamente al dominio apical o al dominio basolateral de la membrana plasmática de la célula.
5a #ía de distribución de proteínas mejor caracterizada en el olgi es el transporte selecti#o hacia los lisosomas. 0omo ya se ha #isto, las proteínas cuyo destino es el interior de los lisosomas están marcadas con manosa73$os$ato, "ue se origina por la modi$icación de sus :7oligosacáridos al poco tiempo de entrar en el aparato de olgi. n receptor especí$ico en la membrana de la red trans deI olgi reconoce estos residuos de manosa737$os$ato. 5os complejos constituidos por el receptor más la enzima lisosómica se empa"uetan en #esículas de transporte destinadas a los lisosomas. 5as proteínas cuyo destino es la membrana de los lisosomas están se2alizadas por secuencias en sus colas citoplásmicas, en #ez de por residuos de manosa737$os$ato.
En las le#aduras y en las células #egetales, "ue carecen de lisosomas, las proteínas son transportadas desde el aparato de olgi hacia un destino adicionalB la #acuola %(ig. ).4)&. En estas células, las #acuolas asumen la $unción de los lisosomas además de realizar otros cometidos, como el almacenamiento de nutrientes y el mantenimiento de la presión de turgencia y de? e"uilibrio osmótico. ! di$erencia de las proteínas destinadas a los lisosomas, las proteínas se destinan a las #acuolas mediante secuencias peptídicas cortas en lugar de por se2ales de carbohidratos.
%ec!nis&o de t"!nspo"te de l!s 'esícul!s 0omo ha "uedado claro en las secciones precedentes de este capítulo, las #esículas de transporte desempe2an un papel central en el trá$ico de las moléculas entre los di$erentes compartimentos rodeados por membrana de la #ía secretora. 0omo se tratará en el 0apítulo *4, las #esículas están implicadas de igual $orma en el transporte de? material "ue se ha captado en la super$icie celular. El transporte de las #esículas es, por tanto, una acti#idad celular $undamental, responsable de? trá$ico molecular entre di#ersos compartimentos rodeados por membrana, especí$icos. 1or lo tanto, la selecti#idad de dicho transporte resulta cla#e para mantener la organización $unciona? de la célula. 1or ejemplo, las enzimas lisosómicas deben transportarse especí$icamente desde el aparato de olgi a los lisosomas 7no a la membrana plasmática o al -E7. !lgunas de las se2ales "ue dirigen a las
proteínas a los orgánulos especí$icos, como los lisosomas, ya se han tratado en este capítulo. Estas proteínas se transportan en #esículas, por lo "ue la especi$icidad de? transporte se basa en el empa"uetamiento selecti#o de la carga seleccionada en #esículas "ue reconozcan y se $usionen sólo con la membrana diana apropiada. Dada la gran importancia "ue tiene el transporte de las #esículas en la organización de la célula eucariota, el conocimiento de los mecanismos moleculares "ue controlan el empa"uetamiento de las #esículas, la gemación, y la $usión es un área principal de in#estigación en biología celular.
-pro(imaciones e(perimentales al conocimiento del transporte de las vesículas +res abordajes e'perimentales di$erentes han permitido a#anzar en el conocimiento de los mecanismos del transporte de las #esículasB %*& el aislamiento de mutantes de le#aduras de$ectuosas en el transporte y distribución de las proteínasC %4& la reconstitución del transporte de #esículas en sistemas acelularesC y %6& el análisis bio"uímico de las #esículas sinápticas, "ue son las responsables de la secreción regulada de los neurotransmisores por las neuronas. 0ada uno de estos sistemas e'perimentales tiene di$erentes #entajas para el conocimiento de aspectos concretos del proceso de transporte. in embargo, lo más importante, es el hecho de "ue los resultados deri#ados de estas tres líneas de in#estigación han con#ergido, indicando "ue la secreción está regulada por mecanismos moleculares similares en células tan distintas como las le#aduras y las neuronas de los mamí$eros. !l igual "ue ocurre en otras áreas de la biología celular, las le#aduras son útiles para estudiar la #ía secretora por"ue son susceptibles de poderse realizar un análisis genético. 0oncretamente, -andy cheJman y sus colaboradores han sido pioneros en el aislamiento de mutantes de le#aduras de$ectuosos en el transporte #esicular. Estos incluyen mutantes de$ectuosos en #arios pasos de la secreción proteica %mutantes sec&, mutantes ni capaces de transportar proteínas a la #acuola, y mutantes incapaces de retener las proteínas residentes en el -E. El aislamiento de tales mutantes en las le#aduras condujo a la clonación molecular y al análisis de los genes correspondientes, identi$icándose #arias proteínas implicadas en di#ersos pasos de la #ía secretora. 1or ejemplo, ya se #io en este 0apítulo el papel de ec3l como un componente $undamental del canal de translocación de las proteínas en el retículo endoplásmico. 5os estudios bio"uímicos sobre el transporte #esicular utilizando sistemas reconstituidos han complementado estos estudios genéticos y han permitido aislar directamente proteínas de transporte en las células de mamí$eros. El primer sistema de transporte acelular lo desarrolló Kames -othman y colaboradores, "ue analizaron el transporte de proteínas entre los compartimentos del aparato de olgi %(ig. ).6&. El dise2o e'perimenta? utilizó una línea celular mutante de mamí$ero, "ue carecía de la enzima re"uerida para trans$erir los residuos de :7acetilglucosamina al :7oligosacárido en una $ase temprana de su modi$icación en el aparato de olgi %#éase (ig. ).49&. 1or lo tanto, las glicoproteínas producidas por esta línea celular mutante carecían de las unidades de :7 acetilglucosamina a2adidas. in embargo, si el apilamiento del olgi aislado de la línea celular mutante se incubaba con un apilamiento aislado de células normales, los residuos de :7 acetilglucosamina se a2adían a las glicoproteínas sintetizadas por las células mutantes. Di$erentes e'perimentos establecieron "ue esto se debía al transporte #esicular de las proteínas desde el apilamiento del olgi de la línea celular mutante al apilamiento del olgi de las células normales, por lo "ue la adición de :7acetilglucosamina proporcionaba un marcador detestable sencillo del transporte de #esículas en este sistema reconstituido.
e han desarrollado otros sistemas reconstituidos similares para analizar el transporte entre otros compartimentos, incluyendo el transporte desde el -E al olgi y el transporte desde el olgi a las #esículas de secreción, a las #acuolas, y a la membrana plasmática. El desarrollo de estos sistemas in vitro ha permitido realizar estudios bio"uímicos del proceso de transporte y el análisis $unciona? de las proteínas identi$icadas mediante mutaciones en le#aduras, así como el aislamiento directo de algunas de las proteínas implicadas en la gemación y la $usión de las #esículas. 5os estudios sobre la transmisión sináptica en las neuronas, "ue representa una $orma altamente especializada de la secreción regulada, han re#elado aspectos críticos de los mecanismos moleculares del transporte #esicular. na sinapsis es la unión de una neurona con otra célula, "ue puede ser o bien otra neurona o un e$ector, como una célula muscular. 5a in$ormación se transmite a tra#és de la sinapsis mediante neurotransmisores "uímicos, como la acetilcolina, "ue se almacenan en #esículas
sinápticas. 5a estimulación de la neurona transmisora desencadena la $usión de las #esículas sinápticas con la membrana plasmática, lo "ue produce la liberación de los neurotransmisores y la estimulación de la neurona postsináptica o célula e$ectora. 5as #esículas sinápticas son e'tremadamente abundantes en el cerebro, lo "ue permite "ue se puedan puri$icar en grandes cantidades para el análisis bio"uímico. !lgunas de las proteínas aisladas de las #esículas sinápticas están estrechamente relacionadas con las proteínas "ue, mediante análisis genético de le#aduras y e'perimentos de reconstitución, se mostró "ue desempe2an un papel crítico en el transporte de las #esículasC por lo "ue el análisis bio"uímico de estas proteínas ha re#elado aspectos importantes del mecanismo molecular de la $usión de las #esículas.
'roteínas de revestimiento y gemación de las vesículas El primer paso en el transporte de las #esículas es la $ormación por gemación de una #esícula a partir de la membrana. 5a super$icie citoplásmica de las #esículas de transporte está recubierto por proteínas, y al parecer la unión de estas proteínas de re#estimiento es lo "ue dirige la gemación de las #esículas al distorsionar la con$ormación de la membrana. e han caracterizado tres tipos de #esículas re#estidas de proteínas, "ue parece "ue inter#ienen en di$erentes tipos de transporte #esicular. 5as primeras "ue se describieron $ueron las #esículas "ue son responsables de la captación de moléculas e'tracelulares desde la membrana plasmática mediante endocitosis %#éase el 0ap. *4&, así como del transporte de moléculas desde la red trans del olgi hacia los lisosomas. e han identi$icado otros dos tipos de #esículas re#estidas "ue se originan a partir del -E y del complejo de olgi. Estas #esículas se denominan %081 #iene de proteína de re#estimiento&. n tipo de estas #esículas %#esículas re#estidas 081GG& se originan a partir del -E y transportan su carga a lo largo de la #ía secretora hasta el aparato de olgi. 1or el contrario, las #esículas re#estidas 081G se originan a partir del compartimento intermedio -E7olgi o del aparato de olgi, y participan en las #ías de recuperación "ue sir#en para retener a las proteínas residentes en el olgi y en el -E. 1or ejemplo, las #esículas re#estidas 081G transportan las proteínas residentes del -E, marcadas con las se2ales de recuperación HDE5 o HHFF, desde el compartimento intermedio -E7olgi o desde la red cis del oigi, de #uelta al -E.
5as cubiertas de las #esículas re#estidas por clatrina están compuestas por dos clases de complejos proteicos, clatrina y proteínas adaptadoras, "ue se unen al lado citosólico de las membranas %(ig. ).6*&. 5a desempe2a un papel estructural, al ensamblarse $ormando una estructura semejante a la red de las canastas de baloncesto "ue distorsiona la membrana y dirige la gemación de las #esículas. 5a unión de la clatrina a las membranas está mediada por una segunda clase de proteínas, denominadas proteínas adaptadoras. El ensamblaje de las #esículas cubiertas por clatrina en la membrana plasmática y en la red trans del olgi está dirigido por proteínas adaptadoras di$erentes, y son las proteínas adaptadoras las "ue están implicadas en la selección de moléculas especí$icas para incorporarse a las #esículas. 1or ejemplo, la proteína adaptadora !17*, implicada en la gemación de las #esículas desde la red trans del olgi, se une a la región citosólica del receptor de la manosa737 $os$ato, dirigiendo de este modo, al interior de las #esículas cubiertas por clatrina, a las proteínas destinadas a los lisosomas. 5as cubiertas de las #esículas re#estidas 081G y 081GG están constituidas por complejos proteicos di$erentes, "ue $uncionan de $orma análoga a la clatrina y a las proteínas adaptadoras en la gemación de las #esículas. Es interesante se2alar "ue los componentes de? re#estimiento 081G interaccionan con el moti#o HHFF responsable de la recuperación de las proteínas del -E desde el aparato de olgi, lo "ue concuerda con el papel de las #esículas re#estidas 081G en el reciclaje desde el olgi al -E. El ensamblaje de la cubierta de la #esícula también re"uiere proteínas de unión a +1, "ue parece "ue regulan la unión de las proteínas de re#estimiento a la membrana. 5a gemación, tanto de las #esículas re#estidas de clatrina como de las #esículas cubiertas 081G desde el complejo de olgi, re"uiere una proteína de unión a +1 denominada !-( %$actor de ribosilación del !D1&, mientras "ue la gemación de las #esículas re#estidas 081GG desde el -E re"uiere una proteína de unión a +1 di$erente, denominada ar l. El papel de estas proteínas se muestra por la $unción de !-( en la $ormación de las #esículas cubiertas 081G %(ig. ).64&. El primer paso en la $ormación de una #esícula es la asociación de !-(, unido a D1, con la membrana del olgi. Entonces las proteínas de la
membrana del olgi estimulan el intercambio del D1 unido al !-( por +1, L las proteínas cubierta 081G se unen al complejo !-(@+1. 5a $ormación de la cubierta se continúa con la de$ormación de la membrana y la gemación de una #esícula. eguidamente el !-( hidroliza su +1, pasando el !-( a estar unido a D1 a la disociación de las proteínas de la cubierta de la membrana de la #esícula.
Fusión de las vesículas 5a $usión de una #esícula de transporte con su diana implica dos tipos de acontecimientos. En primer lugar, la #esícula de transporte debe reconocer especí$icamente la membrana diana correctaC por ejemplo, una #esícula "ue transporta enzimas lisosómicas tiene "ue lle#ar su carga sólo a los lisosomas. En segundo lugar, la membrana de la #esícula y la membrana diana deben $usionarse, entregándose el contenido de la #esícula al orgánulo diana. 5as in#estigaciones realizadas en los últimos a2os han conducido a un modelo de $usión #esicular en el "ue el reconocimiento especí$ico entre una #esícula y su diana está mediado por la interacción especí$ica entre pares de proteínas transmembrana, seguido de la $usión entre las bicapas $os$olipídicas de la #esícula y de la membrana diana.
5as proteínas implicadas en la $usión de las #esículas se identi$icaron por primera #ez en el laboratorio de Kames -othman, mediante el análisis bio"uímico de sistemas de transporte #esicular reconstituidos procedentes de células de mamí$eros %#éase (ig. ).6&. El análisis de las proteínas implicadas en la $usión de las #esículas en estos sistemas condujo a -othman y a sus colaboradores a proponer un modelo general, denominado la en el "ue la $usión de las #esículas está mediada por la interacción entre un par especí$ico de proteínas, denominadas :!-Es, en la membrana de la #esícula y en la membrana diana %#7 :!-Es y t7:!-Es, respecti#amente& %(ig. ).66&. Esta hipótesis se #io rea$irmada al identi$icarse :!-Es "ue estaban presentes en las #esículas sinápticas, y por el hallazgo de mutantes de secreción de le#adura "ue parecía "ue codi$icaban :!-Es "ue se re"uerían para di#ersas etapas de transporte #esicular. 1or ejemplo, el transporte desde el -E al olgi en las le#aduras re"uiere :!-Es especí$icos "ue se localizan tanto en la membrana de *a #esícula como en la membrana diana. 5a $ormación de complejos entre las :!-Es de la #esícula y las t7 :!-Es de la membrana diana conduce a la $usión de la membrana, mediante mecanismos "ue aún no se conocen por completo !demás de las :!-E, la $usión de las #esículas re"uiere al menos otros dos tipos de proteínas. 5as proteínas son una $amilia de proteínas pe"ue2as de unión a +1 "ue están relacionadas con las proteínas -as, "ue ya se trataron en 0apítulo =. e han identi$icado más de 6 proteínas -ab di$erentes y se ha demostrado "ue inter#ienen en procesos especí$icos del transporte de #esículas. 1uede inter#enir en #arios de los pasos del trá$ico #esicular, incluyendo la interacción con :!-Es para regular y $acilitar la $ormación de complejos #7 :!-E@t7:!-E. +ras la $ormación de los complejos entre las :!-Es complementarias y *a $usión de las membranas, se re"uiere un complejo de otras dos proteínas %el complejo :(@:!1& para completar el proceso del transporte de #esículas. 5as proteínas :(@:!1 son reclutadas en las membranas tras la $ormación de los complejos #7 :!-E@t7:!-E, pero no se re"uieren para el emparejamiento #esícula@diana o para la $usión de las membranas apareadas. 1or el contrario, las proteínas :(@:!1 actúan después de la $usión de la membrana para desmontar el complejo :!-E, y permitir de este
modo "ue las :!-Es se puedan reutilizar en posteriores de transporte #esicular. Lisoso&!s
5os lisosomas son orgánulos rodeados de membrana "ue contienen una serie de enzimas capaces de degradar todas las clases de polímeros biológicos 7proteínas, ácidos nucleicos, carbohidratos y lípidos7. 5os lisosomas $uncionan como el sistema digesti#o de la célula, sir#iendo tanto para degradar el material captado del e'terior de la célula como para digerir los componentes obsoletos de la propia célula. En su $orma más sencilla, los lisosomas se obser#an como #acuolas es$éricas densas, pero pueden e'hibir di#ersidad de tama2os y de $ormas en $unción de los distintos materiales "ue hayan captado %(ig. ).69&. 1or lo tanto los lisosomas representan orgánulos mor$ológicamente di#ersos de$inidos por la $unción común de degradar material intracelular.
/idrolasas lisosómicas ácidas 5os lisosomas contienen alrededor de > enzimas degradati#as di$erentes "ue pueden hidrolizar proteínas, !D:, !-:, polisacáridos y lípidos. 5as mutaciones en los genes "ue codi$ican estas proteínas son responsables de más de 6 en$ermedades congénitas humanas di$erentes, "ue se denominan en$ermedades de depósito lisosómico , ya "ue el material no degradado se acumula en los lisosomas de los indi#iduos a$ectados. 5a mayoría de estas en$ermedades se deben a de$iciencias en una única enzima lisosómica. 1or ejemplo, la en$ermedad de aucher %la alteración más común& se debe a una mutación en el gen "ue codi$ica una enzima lisosómica re"uerida para la degradación de los glicolípidos. na e'cepción curiosa es la en$ermedad celular7?, "ue se debe a una e$iciencia en la enzima "ue cataliza el primer paso en el marcaje de las enzimas lisosómicas con manosa37$os$ato en el aparato de olgi %#éase (ig. ).4>&. El resultado es una alteración generalizada en la incorporación de las enzimas lisosómicas a los lisosomas.
+odas las enzimas lisosómicas son hidrolasas ácidas, "ue son acti#as al p ácido %apro'imadamente >& del interior de los lisosomas pero no al p neutro %apro'imadamente =,4& característico del resto del citoplasma %(ig. ).6>&. El "ue estas hidrolasas lisosómicas necesiten un p ácido proporciona una doble protección contra la digestión incontrolado de los contenidos del citosolC incluso si se rompiera la membrana lisosómica, las hidrolasas ácidas liberadas serían inacti#as al p neutro del citosol. 1ara mantener su p ácido interno, los lisosomas deben concentrar acti#amente iones %protones&. Esto se consigue mediante una bomba de protones en la membrana lisosómica, "ue transporta acti#amente protones al lisosoma desde el citosol. Este bombeo re"uiere un gasto de energía en $orma de hidrólisis de !+1, ya "ue mantiene una concentración de apro'imadamente cien #eces más ele#ada en el interior del lisosoma.
&ndocitosis y 0ormación del lisosoma na de las $unciones principales de los lisosomas es la digestión del material captado del e'terior de la célula mediante endocitosis, "ue se discute en detalle en el 0apítulo *4. in embargo, el papel de los lisosomas en la digestión del material captado mediante endocitosis se relaciona no sólo con la $unción de los lisosomas sino también con su $ormación. 0oncretamente, los lisosomas se $orman mediante la $usión de las #esículas de transporte originadas desde la red trans del olgi con los endosomas, "ue contienen las moléculas ingeridas por endocitosis a partir de la membrana plasmática 5a $ormación de los lisosomas representa así una intersección entre la #ía secretora, mediante la "ue se procesan las proteínas lisosómicas, y la #ía endocítica, mediante la cual son ingeridas las moléculas e'tracelulares a partir de la uper$icie de la célula %(ig. ).63&. El material del e'terior de la célula es ingerido en #esículas endocíticas re#estidas de clatrina, "ue se originan por gemación de la membrana plasmática y seguidamente se $unden con los endosomas primarios. ! continuación los componentes de la membrana son reciclados a la membrana plasmática %se tratará con detalle en el 0ap. *4& y los endosomas primarios #an madurando a endosomas tardíos, "ue son los precursores de los lisosomas. no de los cambios importantes durante la maduración del endosoma es el descenso del 1 interno hasta apro'imadamente >,>, lo "ue desempe2a un papel cla#e en la liberación de las hidrolasas ácidas lisosómicas desde la red trans del olgi.
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0omo se trató pre#iamente, las hidrolasas ácidas son dirigidas a los lisosoma por residuos de manosa737$os$ato, "ue son reconocidos por los receptores de manosa737$os$ato en la red trans del olgi y empa"uetados en #esículas re#estidas d clatrina. +ras la liberación de la cubierta de clatrina, estas #esículas de transporte se $usionan con los endosomas tardíos, y el p interno ácido hace "ue las hidrolasas se disocien de? receptor de manosa737$os$ato %#éase (ig. ).63&. 5as hidrolasas son así liberadas en la luz de? endosoma, mientras "ue los receptores permanecen en la membrana y $inalmente son reciclados al olgi. 5os endosomas tardíos maduran entonces a lisosomas a medida "ue ad"uieren una carga completa de hidrolasas ácidas, "ue digieren las moléculas originalmente ingeridas por endocitosis.
Fagocitosis y auto0agia !demás de degradar las moléculas englobadas por endocitosis, los lisosomas digieren el material deri#ado de otras dos rutasB la $agocitosis y la auto$agia %(ig. ).6=&. En la $agocitosis, células especializadas, como los macró$agos, ingieren y degradan partículas grandes, incluyendo bacterias, restos de células, y células en#ejecidas "ue han de ser eliminadas del organismo. Estas partículas grandes son ingeridas en #acuolas $agocíticas %$agosomas&, "ue posteriormente se $usionan con los lisosomas, dando lugar a la digestión de su contenido. 5os lisosomas $ormados de esta manera %$agolisosomas& pueden ser bastante grandes y heterogéneos, ya "ue su tama2o y $orma #iene determinado por el contenido del material "ue esté siendo digerido. 5os lisosomas también son responsables de la auto$agia, la reno#ación gradual de los propios componentes de la célula. El primer paso de la auto$agia parece ser el "ue un orgánulo %p. ej., una mitocondria& sea englobado por una membrana deri#ada del -E. 5a #esícula resultante % un auto$agosoma& se $usiona después con un lisosoma, y su contenido es digerido %#éase (ig. ).6=&. 0omo ya se trató en el 0apítulo =, la auto$agia es la responsable de la reno#ación gradual de los orgánulos citoplásmicos.
