sábado, 9 de mayo de 2015

10 TRANSPORTE VESICULAR

Aunque este es un subtema del sistema de membranas internas de la célula, la aplicación es bastante alta al interior de muchos sistemas, en especial del sistema nervioso y de cualquier tejido con función glandular. El transporte de sustancias a través de una membrana permite a la célula realizar procesos de selección, poro no soluciona el asunto del transporte. ¿Cómo transportar una enzima peligrosa desde el punta A hasta el punto B sin autodestruirse? Las células eucariotas dependen de bolsas de transporte que se mueven entre los organelos y la membrana celular para transportar sustancias importantes y/o peligrosas para estar en el citoplasma. A estas estructuras las denominamos vesículas o somas.

Las vesículas de transporte membranario son bolsas creadas por membranas biológicas empleadas para transportar sustancias o para realizar procesos bioquímicos en su interior. En la siguiente serie de artículos analizaremos algunos detalles de este sistema de transporte intermembranario.

Referencias básicas: (Alberts et al., 2015; Belk & Maier, 2013; Campbell & Farrell, 2009, 2012; Cox et al., 2012; Hoefnagels, 2015; Karp, 2013; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2015, 2018; Mader, 2010; K. A. Mason et al., 2014; Murray et al., 2012; Pollard et al., 2017; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Weaver, 2012)

10.1 Las vesículas celulares

La imagen clásica de una vesícula es la de una burbuja formada por una membrana biológica, sin embargo esto es incompleto. Las membranas de las vesículas poseen todo tipo de proteínas integrales de membrana así como un andamio formado por proteínas periféricas.

Las rutas biosintéticas de las células eucarióticas se encuentran altamente dependientes de una serie de organelos rodeados por membranas, son las membranas mismas las responsables de muchas de las reacciones bioquímicas al anclar la mayor parte de la batería bioquímica, por ejemplo en la cadena de transporte de electrones de la respiración celular aeróbica. Adicionalmente, las sustancias formadas deben poder ser enviadas entre los diferentes organelos o hacia la membrana externa y de regreso en concentraciones relevantes y en periodos de tiempo eficaces.

La mayoría de los materiales son transportados entre los organelos y las membranas externas por secciones más pequeñas de los organelos que las producen, es decir por membranas biológicas internas, al ser más pequeñas sus formas tienden a ser esféricas y en consecuencia reciben el nombre genérico de vesículas de transporte o “somas” que significa cuerpos. Dependiendo de la función cada soma recibe un prefijo específico, por ejemplo, si el soma transporta peróxidos oxidantes se lo llama peroxisoma, si el soma se produjo para digerir un material se llama fagosoma.

A pesar de lo anterior emplearemos de aquí en adelante el término de vesícula, ya que la expresión soma no solo se aplica a estas, también es un nombre genérico recurrente para otras estructuras biológicas como la parte central de una neurona, lo cual genera confusiones. El sistema membranario del cual nace una vesícula se denomina membrana donante, y el sistema que lo recibe se llama membrana receptora. El interior de la vesícula se denomina lumen al igual que el interior de los organelos como los retículos endoplasmáticos o el aparato de Golgi, mientras que la parte externa de la vesícula da al citoplasma celular. Finalmente, las vesículas no solo transportan sustancias, también transportan superficie de membrana, por lo que los organelos y la membrana externa se encuentran en un equilibrio dinámico de brotes de vesículas y fusión con vesículas para mantener sus superficies de membrana constantes.

Referencias básicas: (Alberts et al., 2015; Belk & Maier, 2013; Campbell & Farrell, 2009, 2012; Cox et al., 2012; Hoefnagels, 2015; Karp, 2013; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2015, 2018; Mader, 2010; K. A. Mason et al., 2014; Murray et al., 2012; Pollard et al., 2017; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Weaver, 2012)

10.2 Proteínas vesiculares y los brotes

Cuando la vesícula esta por formarse un polímero de homólogo de dinamina se forma estrangulando el puente entre la vesícula y la membrana donante. Estos procesos son dependientes de GTP y por lo tanto agotan energéticamente a la célula.

Las vesículas no se forman espontáneamente como las bombas de jabón, por el contrario su formación se encuentra altamente regulada por proteínas integrales de membrana y por proteínas periféricas de membrana que forman andamios, las proteínas individuales se encuentran disueltas en el citoplasma, y por la acción de algunas señales de proteínas integrales de la membrana “proteínas de tipo G” se polimeriza el andamio externo o cota. Las proteínas tipo G generalmente requieren energía en forma de GTP para activarse.

La cota de proteínas extrae el fragmento de membrana vesicular brotándola a partir de la membrana donante, a medida que la esfera va tomando forma más cota proteínica se forma creando una estructura con forma esférica, es decir la vesícula madura. Las proteínas de la cota de una vesícula poseen dos funciones básicas: (1) actúan mecánicamente para que la membrana se curve y forme el brote,, básicamente son un molde; (2) actúan como un mecanismo para elegir cual es la sección de la membrana donante que será extraída, sería un problema extraer una vesícula sin contenido de importancia. Los componentes que se encuentran al interior de las vesículas pueden ser: (1) proteínas líticas, ácidos, mucosas, hormonas, biomoléculas de diverso orden, iones inorgánicos entre otras sustancias , las cuales se emplean para descargar en otros organelos o en el exterior de las células (2) las proteínas integrales de la membrana con dos dominios, el dominio receptor y el dominio efector.

El dominio receptor atrapa los materiales a ser transportados como si fueran cinturones de seguridad, cuando se forma el par sustancia-receptor el domino efector se activa formando la cota al otro lado de la membrana.

Referencias básicas: (Alberts et al., 2015; Belk & Maier, 2013; Campbell & Farrell, 2009, 2012; Cox et al., 2012; Hoefnagels, 2015; Karp, 2013; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2015, 2018; Mader, 2010; K. A. Mason et al., 2014; Murray et al., 2012; Pollard et al., 2017; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Weaver, 2012)

10.3 Los blancos de las vesículas celulares

Dejando de lado la discusión sobre el transporte y formación de un soma o vesícula al interior de la célula, hay que examinar algunos detalles sobre el modo en que las proteínas sintetizadas en un sistema de membranas internas hacia su destino particular. Muchas de las sustancias producidas por las células son dependientes de su blanco, es decir solo actúan bien si llegan al blanco concreto donde son requeridas, de lo contrario hay dos opciones generales:

1- No funcionan, perdiendo por lo tanto toda su actividad así como la energía que empleó la célula para formarlas, sin embargo esto es el menor de los problemas si se compara con la otra posibilidad.

2- Alteración funcional, las sustancias actúan en otro lugar causando una consecuencia diferente de la original, esto generalmente es muy malo, por ejemplo en las enzimas pancreáticas que van al duodeno, si su blanco es equivocado ya sea en lugar o en ritmo provoca serias úlceras. En algunas ocasiones estos errores pueden acusar algunas novedades evolutivas, por ejemplo, las hipótesis para la formación de la cascada de coagulación dependen de este tipo de errores. La correcta señalización y envío a un blanco de vesícula se logra mediante una serie de proteínas cuyas estructuras básicas se encuentran relacionadas con el músculo, sin embargo eso lo veremos en el siguiente artículo.

Las úlceras pancreáticas se generan por la mala señalización de las vesículas de transporte de las proteínas líticas encargadas de finalizar la digestión de los nutrientes, liberadas cuando no hay alimento en el duodeno dichas enzimas digieren el duodeno rompiendo su pared.

Referencias básicas: (Alberts et al., 2015; Belk & Maier, 2013; Campbell & Farrell, 2009, 2012; Cox et al., 2012; Hoefnagels, 2015; Karp, 2013; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2015, 2018; Mader, 2010; K. A. Mason et al., 2014; Murray et al., 2012; Pollard et al., 2017; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Weaver, 2012)

10.4 Transportando una vesícula en el citoplasma

Una vez liberada la vesícula su movimiento hacia el blanco no es estocástico “al azar”, sin embargo para entender esto debemos alterar fundamentalmente el modo en que imaginamos el citoplasma de la célula. Normalmente lo visualizamos como un gel acuoso con materiales disueltos y flotando. Esto no es del todo cierto, el citoesqueleto no solo se encuentra dándole forma a la membrana, también se extiende hacia el interior de la célula, formando autopistas de transporte.  Dichas autopistas están formadas por carriles de actina, la misma proteína del sarcómero. Al ser actina posee dominios para insertarse a una proteína con dos cabezas móviles como manos, en el transporte esta proteína es la familia dineina o quinesina, homólogas a la miosina del sarcómero.

La dineina y sus homólogas operan bajo el mismo principio de la miosina "por eso son homólogas", es una proteína dependiente de la energía suministrada por el ATP. La dineina posee un dominio que se ancla a la cota o lo que quede de la cota alrededor de la vesícula y como si fuera una grúa o un globo la mueve de un organelo a otro. Las células que presentan la mejor de estas autopistas y sistemas de transporte son las neuronas, en estas células los organelos de síntesis como el aparato de Golgi se encuentra a centímetros de distancia de las puntas de sus citoplasma llamados dendritas, distancias que para una célula son enormes.

Cuando la vesícula se acerca a la membrana receptora las proteínas de la superficie de ambas membranas deben acoplarse entre sí, una vez hecho esto se genera una fuerza de acercamiento entre las superficies de lípidos, al ser estos fluidos y vibrantes se fusionan sin mayor esfuerzo, permitiendo la fusión de membranas y la descarga de materiales.

Referencias básicas: (Alberts et al., 2015; Belk & Maier, 2013; Campbell & Farrell, 2009, 2012; Cox et al., 2012; Hoefnagels, 2015; Karp, 2013; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2015, 2018; Mader, 2010; K. A. Mason et al., 2014; Murray et al., 2012; Pollard et al., 2017; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Weaver, 2012)


10.5 Grúas moleculares

Son moléculas que anclan las vesículas al citoesqueleto, son típicas en el sentido de que el dominio que genera el movimiento es semejante a dos piernas que caminan.


10.5.1 Dineina

La dineína es, junto con la kinesina, la proteína motora más importante asociada a los microtúbulos. Proteína enorme, 9 a 10 cabezas grandes, globulares, generadoras de fuerza. La dineína se mueve hacia el "extremo menos" (Minus End) del microtúbulo (movimiento retrógrado). La dineína es clave en el transporte retrógrado de sustancias en la célula. Este hecho reviste gran importancia en el axón neuronal, y en el movimiento de cilios y flagelos. Generador de fuerza para el movimiento del cromosoma durante la mitosis.

Típicamente ha sido estudiado en fragmentos celulares ricos en microtúbulos y con un transporte vesicular altamente ordenado y frecuente: esto es, en los axónes de neuronas, más frecuentemente en el calamar gigante. Las técnicas más empleadas para su estudio han sido: las puramente morfológicas, como la microscopía electrónica de barrido o de transmisión; las bioquímicas, como la electroforesis; las biofísicas, como la trampa óptica; las de inmunomarcaje por fluorescencia o enzimas; y las genéticas, por deleción de dominios proteicos o mediante animales knockout.

La dineína es una molécula de estructura similar a la kinesina: consta de dos cadenas pesadas idénticas que conforman dos cabezas globulares y de un número variable de cadenas intermedias y de cadenas ligeras. Se sugiere que la actividad de hidrólisis de ATP, fuente de energía de la célula, se encuentra en las cabezas globulares. La dineína transporta vesículas y orgánulos, por lo que debe interaccionar con sus membranas, y, para interactuar con ellas, requiere de un complejo proteico, de cuyos elementos cabe destacar la dinactina. Además de las dineínas citoplasmáticas  antes descritas, las dineínas axonémicas son cruciales en el mantenimiento de la estructura y funcionalidad de los flagelos. Estructuralmente, las dineínas del axonema son más complejas que las citoplasmáticas.

La importancia de la dineína radica en su relación directa con el movimiento de los cilios y los flagelos. Encontramos la parte basal de la dineína unida a un microtúbulo, y la cabeza unida a otro microtúbulo que conforma el par adyacente. En este caso el movimiento de la dineína axonémica se ve frustrado pues los pares de microtúbulos que conforman el axonema están anclados mediante una proteína denominada nexina. De este modo un par de microtúbulos se desliza sobre el otro provocando que toda la estructura del axonema se doble. La regulación del movimiento coordinado de cilios y flagelos es todavía un terreno desconocido.


10.5.2 Quinesina

Las kinesinas, quinesinas o cinesinas son una familia de proteínas motoras que median el transporte intracelular anterógrado sobre los microtúbulos, que son componentes del citoesqueleto. La palabra kinesina etimológicamente proviene del griego kinetos que significa móvil. Típicamente ha sido estudiado en fragmentos celulares ricos en microtúbulos y con un transporte vesicular altamente ordenado y frecuente: esto es, en los axones de neuronas, más frecuentemente en el calamar gigante. Las técnicas más empleadas para su estudio han sido: las puramente morfológicas, como la microscopía electrónica de barrido o de transmisión; las bioquímicas, como la electroforesis; las biofísicas, como la trampa óptica; las de inmunomarcaje por fluorescencia o enzimas; y las genéticas, por deleción de dominios proteicos o mediante animales knockout.

La kinesina I es un dímero de dos cadenas pesadas, cada una de las cuales está asociada a una cadena liviana, con un peso molecular total de 380.000 Da. Consta de dos dominios cabeza, globulares, un tallo central y un par de dominios cola, también globulares pero más pequeños. El dominio cabeza posee la actividad ATPasa y une los microtúbulos, y el dominio cola reconoce a la membrana lipídica de las vesículas a transportar, probablemente por mediación de las cadenas ligeras.

La mayoría de las kinesinas intervienen en el transporte anterógrado de vesículas, es decir, que implican un movimiento hacia la parte más distal de la célula o la neurita, hacia el extremo (+) de los microtúbulos, sobre los que se desplazan. Por el contrario, otra familia de proteínas motoras, las dineínas, emplean los mismos raíles pero dirigen las vesículas a la parte más proximal de la célula, por lo que su transporte es retrógrado. En neuronas los extremos positivos de los microtúbulos se dirigen hacia las terminales sinápticas.

Referencias básicas: (Alberts et al., 2015; Belk & Maier, 2013; Campbell & Farrell, 2009, 2012; Cox et al., 2012; Hoefnagels, 2015; Karp, 2013; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2015, 2018; Mader, 2010; K. A. Mason et al., 2014; Murray et al., 2012; Pollard et al., 2017; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Weaver, 2012)

10.6 Endocitosis

La endocitosis es el proceso por el cual una célula cuya membrana externa es flexible rodea a otra partícula, puede ser otra célula u sustancia química, cuando termina de rodearla genera una vesícula interna llamada endosoma. La endocitosis puede dividirse en dos categorías principales, la endocitosis no específica y la endocitosis específica. La endocitosis no específica también denominada pinocitosis engloba fluidos y todo material que se encuentre diluido en este.

La endocitosis específica también se denomina endocitosis mediada por receptores. En este caso la célula o partícula debe tener una serie de proteínas en si membrana que sirven como marcadores de reconocimiento. La célula que va a realizar la endocitosis también tiene otras  proteínas que sirven como reconocedores. Cuando ambos marcadores entran en contacto íntimo activan a la célula que realiza la endocitosis para iniciar el proceso.

Independientemente del tipo de endocitosis, el resultado final es un endosoma, es decir una vesícula del sistema de membranas internas de la célula eucariota. Esta vesícula y su contenido pueden sufrir diferentes destinos dependiendo del contexto, ya sea en el sistema inmune, en la digestión celular o como una manipulación de endoparásitos para atacar a la célula.

Referencias básicas: (Alberts et al., 2015; Belk & Maier, 2013; Campbell & Farrell, 2009, 2012; Cox et al., 2012; Hoefnagels, 2015; Karp, 2013; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2015, 2018; Mader, 2010; K. A. Mason et al., 2014; Murray et al., 2012; Pollard et al., 2017; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Weaver, 2012)

10.7 Fagocitosis

La fagocitosis se puede definir literalmente como un tipo de digestión interna por parte de una célula, y probablemente sea la primera digestión interna que existió. La fagocitosis es un proceso más complejo que la endocitosis aunque muchas veces empleamos estos dos términos de manera indiferenciada. Sin embargo la diferencia está en el tratamiento que recibe el material endocitado, en la fagocitosis en endosoma “llamado en este caso fagosoma” recibe un tratamiento más complejo, poco después de que el fagosoma ingresa a la célula este se fusiona con otra vesícula llamada lisosoma. Los lisosomas son vesículas que contienen las enzimas digestivas y otras sustancias químicas que degradan a la víctima.

Cuando el fagosoma se fusiona con el lisosoma se forma un fagolisosoma, las enzimas digestivas y las otras sustancias químicas oxidantes empiezan a degradar a la víctima transformándola en sus componentes básicos. Una vez se han degradado, los componentes básicos que se extraen de allí serán absorbidos por los mecanismos de transporte a través de membrana dependiendo de la naturaleza del nutriente liberado. Este modo de alimentación es muy común en los eucariortes de vida libre unicelulares como las amebas. En los eucariotes multicelulares, especialmente en los animales la fagocitosis cumple una función inmune más que de nutrición.

Muchas células del sistema inmune como los monocitos activados pueden fagocitar activamente a otras células para mantener seguro al organismo. Sin embargo a pesar de esta pequeña escala, la fagocitosis nos muestra todos los pasos que intervienen en una digestión interna: (1) captura de la presa en un compartimiento especializado; (2) digestión de la presa por parte de enzimas líticas y otras sustancias químicas oxidantes; (3) absorción de los nutrientes y procesamiento de estos integradolos a alguna ruta metabólica o bioquímica; (4) eliminación de los desechos que no fueron absorbidos. Aunque ya hemos hablado fuertemente de los puntos (2) enzimas líticas, (3) absorción y someramente del (1) captura “del cual se hablará más específicamente en ecología”. Aún no hemos hablado del (4) eliminación.

La eliminación es el proceso en el cual se desechan compuestos que no fueron absorbidos y que nunca fueron parte de las rutas metabólicas del ser vivo. Otro proceso parecido es el de excreción en el cual se desechan compuestos químicos que hicieron parte de las redes metabólicas y que potencialmente podrían detenerlas de mantenerse en el cuerpo.

En el modelo anterior podemos ver un resumen general del proceso, este esquema sirve para otros sistemas debido a que a nivel celular muchas funciones se realizan por mecanismos conservados evolutivamente. En este caso podemos ver: (1) el retículo endoplasmático rugoso donde se sintetizan enzimas y proteínas, en este caso enzimas digestivas, que luego (2) son trasportadas por vesículas al aparato de Golgi donde (3 y 4) son maduradas en sus formas activas, para (5) ser emitidas al medio externo, o fusionarse con otras vesículas para modificaciones secundarias y ser emitidas al medio externo (5b).

Por lo general la digestión enzimática empieza con (7) fagocitosis o endocitosis, la vesícula formada es enviada al aparato de Golgi directamente (7c) o fusionada a una vesícula que transporta las enzimas líticas (7a, 7b), los productos de la digestión se absorben por los mecanismos de transporte a través de membrana y los desechos eliminados (8).  Aunque estos dos procesos son semejantes no deben confundirse, la endocitosis crea un endosoma para partículas pequeñas y el fagosoma para partículas grandes, e incluso células.

Referencias básicas: (Alberts et al., 2015; Belk & Maier, 2013; Campbell & Farrell, 2009, 2012; Cox et al., 2012; Hoefnagels, 2015; Karp, 2013; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2015, 2018; Mader, 2010; K. A. Mason et al., 2014; Murray et al., 2012; Pollard et al., 2017; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Weaver, 2012)

10.8 Exocitosis

La fusión de una vesícula de transporte con la membrana externa y la subsecuente descarga de su contenido se denomina exocitosis. La exocitosis probablemente ocurre de forma continua en la mayoría de las células, especialmente las que poseen una función glandular. Sin embargo, el caso que más se ha estudiado de la exocitosis ha sido la descarga de los neurotransmisores en la sinápsis neuronal, la cual de hecho puede ser señalada como una función glandular paracrina. En las neuronas la grúa molecular compuesta por dineina o quinesina se para antes de llegar a la membrana plasmática en la punta de la dendrita, justo en la sinapsis neuronal. Esto permite acumular muchas vesículas a la espera de una señal que les permita reiniciar su recorrido hasta la fusión de membranas.

La señal por lo general es la liberación de iones calcio(2+), estos iones permiten que miosina cambie a su posición activa, como si fuera un semáforo o una bandera de arranque los iones calcio(2+) permiten que la grúa molecular continúe avanzando hacia la membrana. Es probable que la exocitosis en otras glándulas ocurra por mecanismos análogos, sinembargo la neurona simplemente es el caso más estudiado. Una vez allí las proteínas restantes de la cota se acoplan con los receptores internos de la membrana plasmática fusionando las membranas. En algunos casos cuando la vesícula abre hacia el medio externo retrocede después de descargar sus materiales, pero n la mayoría de los casos la vesícula se fusiona totalmente con la membrana externa.

Referencias básicas: (Alberts et al., 2015; Belk & Maier, 2013; Campbell & Farrell, 2009, 2012; Cox et al., 2012; Hoefnagels, 2015; Karp, 2013; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2015, 2018; Mader, 2010; K. A. Mason et al., 2014; Murray et al., 2012; Pollard et al., 2017; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Weaver, 2012)

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