TRANSPORTE VESICULAR
La vía biosintética de una
célula eucariota consiste en una serie de distintos organelos limitados por
membrana que participan en la síntesis, modificación y entrega de proteínas
solubles y membranosas en su destino apropiado en la célula.
Los materiales son
transportados entre compartimientos por vesículas que se desprenden de
membranas donadoras y se fusionan con las membranas receptoras.
Cada yema cubierta se
desprende para formar una vesícula cubierta. Se pueden formar vesículas de
tamaño y estructura similares en sistemas libres de células.
Las cubiertas de proteína tienen
por lo menos dos funciones distintas:
Actúan como dispositivo
mecánico que hace que la membrana se curve y forme una vesícula desprendible.
Proporcionan un mecanismo para
seleccionar los componentes que transporta la vesícula. Los componentes seleccionados
incluyen: (a) cargamento consistente en proteínas secretoras, lisosómicas y de
membrana que deben transportarse y (b) la estructura necesaria para dirigir y
conectar la vesícula con la membrana receptora correcta.
La cubierta de la vesícula
está formada por dos capas distintas de proteínas: una jaula externa o
andamiaje que forma el marco de la cubierta y una capa interna de adaptadores
que sirven para unir la cara externa de la bicapa lipídica y el cargamento de
la vesícula.
Se han identificado diferentes
clases de vesículas cubiertas:
< Las vesículas cubiertas
con COP II desplazan materiales del retículo endoplásmico “hacia adelante” al
ERGIC y al aparato de Golgi. (El ERGIC es el compartimiento intermedio situado
entre el retículo endoplásmico y el aparato de Golgi.) (COP es una sigla para
las proteínas de cubierta, del inglés coat proteins.)
< Las vesículas cubiertas
con COP I mueven materiales en sentido retrógrado: (1) del ERGIC y pila de
Golgi “hacia atrás” al ER y (2) de las cisternas Golgi trans “de regreso” a las
cisternas Golgi cis.
< Las vesículas cubiertas
con clatrina movilizan materiales de la TGN a los endosomas, lisosomas y
vacuolas vegetales. También mueven materiales de la membrana plasmática a los
compartimientos citoplasmáticos a lo largo de la vía endocítica. Asimismo, se
han implicado en el tránsito de los endosomas y los lisosomas.
Las vesículas cubiertas con
COP II median la primera rama del traslado por la vía biosintética, del ER al
ERGIC y la red cis de Golgi.
Los anticuerpos contra las
proteínas de la cubierta COP II bloquean el desprendimiento de las vesículas de
las membranas del ER, pero no tienen efecto en el movimiento de cargamento en
otras etapas en la vía secretora.
Las cubiertas COP II
seleccionan y concentran ciertos componentes para transportar en vesículas.
Las proteínas seleccionadas
por las vesículas cubiertas con COP II incluyen: (1) enzimas que actúan en las
etapas avanzadas de la vía biosintética, como las glucosiltransferasas de
aparato de Golgi; (2) proteínas de membrana participantes en el acoplamiento y
fusión de la vesícula con el compartimiento blanco, y (3) proteínas de membrana
que pueden unirse con cargamento soluble.
Las células que no tienen un
receptor específico “del cargamento” no transportan un subgrupo específico de
proteínas desde ER hasta el complejo de Golgi.
Entre las proteínas de
cubierta COP II se encuentra una pequeña proteína G llamada Sar1, que es
reclutada específicamente en la membrana del retículo endoplásmico.
Como otras proteínas G, Sar1
tiene una función reguladora, en este caso en el inicio de la formación de la
vesícula y la regulación del ensamblaje de la cubierta de la vesícula.
Sar1 es reclutada en la
membrana del retículo endoplásmico en la forma unida a GDP y es inducida a
intercambiar su GDP por una molécula de GTP. Al unirse al GTP, Sar1 sufre un
cambio de conformación que hace que la hélice a en su extremo N terminal se
inserte en la hoja citosólica de la bicapa del retículo endoplásmico. Este
suceso dobla la bicapa lipídica, lo cual constituye un paso importante en la
conversión de una membrana aplanada en una vesícula esférica.
Sar1-GTP atrajo dos
polipéptidos adicionales de la cubierta COP II, Sec23 y Sec24, que se unen como
un dímero “con forma de banana”.
Por su forma curva, el dímero
Sec23-Sec24 ejerce presión adicional sobre la superficie de la membrana que le
ayuda a doblarse más en una yema curva.
Sec24 también funciona como la
principal proteína adaptadora de la cubierta COP II que interactúa de manera
específica con las señales de exportación del ER en las colas citosólicas de
las proteínas de membrana destinadas para trasladarse al aparato de Golgi.
Las subunidades restantes de
la cubierta COP II, Sec13 y Sec31, se unen con la membrana para formar la jaula
estructural externa de la cubierta proteínica.
La jaula Sec13-Sec31 se
ensambla en una celosía relativamente sencilla en la que cada arista está
formada por la convergencia de cuatro ramas Sec13-Sec31.
La interfase entre las
subunidades Sec13-Sec31 tiene cierto grado de flexibilidad que les permite
formar jaulas de diámetro variable, lo que se adapta a vesículas de distintos
tamaños.
Una vez que se ensambla toda
la cubierta COP II, la yema se separa de la membrana del ER en la forma de una
vesícula cubierta por COP II.
Antes que la vesícula cubierta
pueda fusionarse con una membrana blanco, la cubierta proteínica debe
desensamblarse y sus componentes se liberan al citosol.
El desacoplamiento se inicia
por la hidrólisis del GTP unido para producir una subunidad Sar1-GDP, que tiene
menor afinidad por la membrana de la vesícula. La separación de Sar1-GDP de la
membrana va seguida de la liberación de otras subunidades COP II.
Las vesículas cubiertas con
COP I se acumulan en presencia de un análogo de GTP no hidrolizable porque,
como sus contrapartes COP II, la cubierta posee una proteína de unión con GTP
llamada ARF1, cuyo GTP unido debe hidrolizarse antes de desarticularse la
cubierta.
Las vesículas cubiertas con
COP I median el transporte retrógrado de proteínas, incluido el movimiento de:
(1) las enzimas residentes en el aparato de Golgi en dirección trans a cis y
(2) enzimas residentes del ER del ERGIC y el aparato de Golgi de regreso al
retículo endoplásmico.
Las proteínas se mantienen en
un organelo por una combinación de dos mecanismos:
< Retención de las
moléculas residentes que se excluyen de las vesículas de transporte
< Recuperación de las
moléculas “prófugas” para devolverlas al compartimiento en que se encuentran
normalmente.
Las proteínas que
habitualmente residen en el ER, sea en la luz o la membrana, contienen
secuencias cortas de aminoácidos en su extremo C que sirven como señales de
recuperación, lo que asegura su regreso al ER en caso de que se trasladen por
accidente hacia el ERGIC o aparato de Golgi.
La recuperación de las
proteínas del ER “prófugas” de estos compartimientos se realiza mediante
receptores específicos que capturan las moléculas y las regresan al ER en
vesículas cubiertas con COP I.
Las proteínas solubles
residentes de la luz del ER casi siempre tienen la señal de recuperación
“lys-asp-glu-leu” o KDEL.
Estas proteínas se reconocen y
regresan al ER por el receptor KDEL, una proteína integral de la membrana que
se traslada entre los compartimientos cis Golgi y los de ER.
Si la secuencia KDEL se
elimina de una proteína del ER, las proteínas prófugas no regresan al ER, sino
que se trasladan al aparto de Golgi.
Las proteínas de membrana que
residen en el ER también tienen una señal de recuperación que se une con la
cubierta COP I, lo que facilita su regreso al ER.
Las proteínas lisosómicas se
sintetizan en ribosomas unidos con la membrana en el ER y se transportan al
aparato de Golgi junto con otros tipos de proteínas.
Una vez en las cisternas de
Golgi, ciertas enzimas reconocen a las enzimas lisosómicas solubles y cataliza
la adición de un grupo fosfato en dos pasos a ciertos azúcares manosa de las
cadenas de carbohidrato con enlaces N.
Las enzimas lisosómicas tienen
residuos de manosa fosforilada que actúan como señales de clasificación.
Las enzimas lisosómicas se
transportan desde la TGN en vesículas cubiertas con clatrina. Las cubiertas de
estas vesículas contienen: (1) una celosía externa parecida a un panal formada
por la proteína clatrina, la cual constituye un soporte estructural y (2) una
capa interna formada por adaptadores de proteína que cubre la superficie de la
membrana de la vesícula y que está dirigida hacia el citosol.
El término adaptador describe
una molécula que vincula físicamente dos componentes distintos.
Las enzimas lisosómicas están
flanqueadas desde la TGN por una familia recién descubierta de proteínas
adaptadoras llamadas GGA.
Una molécula de GGA tiene
varios dominios, cada uno capaz de sujetar una proteína diferente que participa
en la formación de vesículas.
Como sucede con la formación
de vesículas con COP I y COP II, la producción de vesículas cubiertas con
clatrina en el TGN comienza con el reclutamiento en la membrana de una pequeña
proteína para unión con GTP, en este caso Arf1, que establece las condiciones para
la unión de las otras proteínas de la cubierta.
Los portadores membranosos se
producen cuando la TGN se fragmenta en vesículas y túbulos de diversos tamaños.
Pasos que ocurren entre el
desprendimiento de la vesícula y la fusión de la misma:
< Movimiento de la vesícula
hacia el compartimiento blanco específico. Estos tipos de movimientos están
mediados sobre todo por microtúbulos, que actúan como las vías de un tren que
leva contenedores con cargamento a lo largo de un trayecto definido hacia un
destino predeterminado.
< Fijación de las vesículas
al compartimiento blanco. Los contactos iniciales entre una vesícula de
transporte y sus membranas blanco, como una cisterna de Golgi, están mediados
por proteínas fijadoras. Se han descrito dos grupos de proteínas fijadoras:
proteínas fibrosas cilíndricas, capaces de formar un puente molecular entre las
dos membranas a una distancia considerable y grandes complejos de múltiples
proteínas que parecen mantener próximas las dos membranas.
Una clase de proteínas fijadoras
fibrosas llamadas golginas actúan en el interior y la periferia del complejo de
Golgi. Entre las funciones atribuidas a las golginas pueden estar las que actúa
como “tentáculos” para alcanzar y “capturar” vesículas de transporte que portan
un “cargamento” unido al aparato de Golgi.
Gran parte de esta
especificidad podría derivar de una familia de pequeñas proteínas G llamadas
Rab, que fluctúan entre el estado activo unido con GTP y el estado inactivo
unido con GDP.
En su estado unido con GTP,
las Rab tienen una función clave en la dirección hacia un blanco mediante la
atracción de proteínas fijadoras citosólicas específicas hacia superficies de
membrana específicas.
Las Rab también tienen una
función clave en la regulación de las actividades de muchas proteínas
implicadas en otros aspectos del tráfico de membrana, incluidas las proteínas
motoras que mueven vesículas membranosas por el citoplasma.
< Acoplamiento de las
vesículas al compartimiento blanco. Las proteínas clave que participan en estas
interacciones se conocen como SNARE y constituyen una familia de más de 35
proteínas de membrana cuyos miembros se localizan en compartimientos
subcelulares específicos.
Todas las proteínas SNARE
poseen un fragmento en su dominio citosólico llamado motivo SNARE que consiste
en 60 a 70 aminoácidos capaces de formar un complejo con otro motivo SNARE.
Las SNARE pueden dividirse en
dos categorías, SNARE-v, que se incorporan en las membranas de vesículas de
transporte durante el desprendimiento, y SNARE-t, que se localizan en las
membranas de los compartimientos blanco.
Las proteínas SNARE de la
vesícula sináptica y la membrana presináptica son los blancos de dos de las
toxinas bacterianas más potentes: las causantes del botulismo y el tétanos.
Estas toxinas letales actúan como proteasas cuyo único sustrato conocido son
las SNARE.
La escisión de los SNARE
neuronales por las toxinas bloquea la liberación de neurotransmisores, lo que
causa parálisis.
< Fusión entre las
membranas de la vesícula y el blanco. Cuando las vesículas artificiales de
lípidos que contienen SNARE-t purificada se mezclan con liposomas que contienen
una SNARE-v purificada, los dos tipos de vesículas se fusionan entre sí, pero
no las vesículas del mismo tipo.
Las interacciones entre las
proteínas SNARE-t y v son capaces de unir dos bicapas de lípidos con la fuerza
suficiente para hacer que se fusionen.
Aunque la interacción entre
proteínas SNARE-v y t es necesaria para la fusión de las membranas, no es
suficiente por sí misma para inducir la fusión dentro de una célula.
BIBLIOGRAFIA
Gerald Karp. Biología celular y molecular: Conceptos y experimentos. Edición 7ª. Ed. McGraw Hill. 2014
Paniagua R. Biología Celular. 3ª edición. Ed. McGraw Hill. 2007
