Atlas de histología vegetal y animal
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La célula. 5. Tráfico vesicular.

ENDOCITOSIS

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La endocitosis es el proceso de incorporación de moléculas al interior celular englobadas por membranas, normalmente vesículas.

La incorporación de las moléculas puede ser mediada por receptores, específica, o en disolución, inespecífica o pinocitosis.

Hay diferentes tipos de endocitosis: vesículas recubiertas por clatrina, en caveolas, en vesículas no recubiertas, por macropinocitosis y por fagocitosis.

La fagocitosis es una endocitosis especializada en incorporar grandes partículas como bacterias, virus y restos celulares.

La incorporación de sustancias externas por parte de las células animales es esencial para su supervivencia. Ya vimos que algunas moléculas salvan la barrera que supone la membrana plasmática mediante difusión directa, a través de canales, mediante transportadores o por bombas (ver Transporte de membrana). Sin embargo, hay una manera de incorporar grandes cantidades de moléculas al interior de la célula de una sola vez: endocitosis o incorporación de moléculas englobadas por membranas, sobre todo vesículas. De la misma manera que hay un viaje de ida y fusión de vesículas con la membrana plasmática existe un proceso de formación de vesículas en la membrana plasmática, las cuales se fusionan posteriormente con compartimentos internos, principalmente con los endosomas.

Por tanto, una de las funciones de la endocitosis es la incorporación de moléculas externas en grandes cantidades, principalmente para su degradación. Pero también sirve para reciclar moléculas de la membrana plasmática que formarán parte de las propias vesículas o compartimentos que se formen. Otra función menos aparente es compensar los procesos de exocitosis, es decir, eliminar el exceso de membrana plasmática añadida por las vesículas de exocitosis y mantener así una superficie de membrana estable y funcional.

Endocitosis

Las moléculas pueden ser incorporadas por endocitosis de forma específica unidas a receptores de la membrana plasmática o de manera inespecífica en disolución o pinocitosis.

En la incorporación masiva, las moléculas extracelulares pueden entrar al interior de la vesícula de forma inespecífica, en solución, o de forma específica unidas a receptores de membrana. El término pinocitosis se refiere a este tipo de endocitosis inespecífica de moléculas disueltas. Sin embargo, en la mayoría de las rutas de endocitosis existe un proceso de incorporación de moléculas de manera específica, bien por la acción de receptores de membrana o por su asociación con ciertos dominios lipídicos de membrana que favorecen la atracción de determinadas moléculas. No cabe duda de que parte del contenido de cualquier vesícula que se forme en la membrana plasmática tendrá moléculas disueltas que se hayan colado en el interior de la vesícula de manera inespecífica. Por tanto, en mayor o menor medida todas las rutas de endocitosis realizan pinocitosis. Este material en disolución es mayoritario en la macropinocitosis, donde la incorporación inespecífica de moléculas es su principal característica, como veremos más adelante. Hay que tener en cuenta que durante cualquier tipo de endocitosis también se incorporan lípidos y proteínas de la membrana plasmática, que son las que forman la membrana de la propia vesícula.

Al mecanismo de incorporación de moléculas específicas reconocidas por receptores de la membrana plasmática se le llama endocitosis mediada por receptor. Se han descrito unos 25 tipos de receptores que actúan en este tipo de endocitosis. Con ellos la célula puede incorporar de forma muy eficiente moléculas o partículas que se encuentran disueltas a bajas concentraciones. Estas moléculas se unen a sus receptores y los complejos receptor-ligando convergen en una zona de la membrana plasmática donde se produce la formación de la vesícula que posteriormente viaja hacia el interior celular. El ejemplo más llamativo es la captación de colesterol por parte de las células, el cual se transporta en la sangre unido a proteínas como, por ejemplo, las lipoproteínas de baja densidad (LDL). Las LDL son unos complejos que contienen una gran cantidad de moléculas de colesterol rodeadas por una monocapa lipídica y poseen una molécula proteica que sobresale al exterior. Cuando una célula necesita colesterol sintetiza receptores para los LDL y los traslada a la membrana plasmática. Entonces se produce el reconocimiento entre receptor y LDL, ambos se unen y se agrupan en una zona de la membrana plasmática donde se produce una invaginación. Una vez formada la vesícula, se dirige a orgánulos intracelulares donde las LDL son digeridas y el colesterol es liberado y metabolizado. Cuando se produce algún impedimento en la captación de colesterol, fundamentalmente por fallos en el reconocimiento por parte de los receptores de LDL o por su ausencia, el colesterol se acumula y puede producir arterioesclerosis e infarto de miocardio.

Tipos de endocitosis

Distintos tipos de endocitosis.

Se han descrito diversos tipos de endocitosis dependiendo del tamaño de la vesícula, la naturaleza del material a incorporar y del mecanismo de formación de la vesícula, pero nosotros los vamos a agrupar en: endocitosis mediada por vesículas recubiertas de clatrina, endocitosis mediada por caveolas, endocitosis mediada por vesículas no recubiertas y macropinocitosis. Vamos a estudiar también a la fagocitosis, una endocitosis un tanto especial porque es un proceso de incorporación de grandes partículas como bacterias o restos celulares, también englobados en membranas.

Vesículas recubiertas de clatrina. Es el principal mecanismo por el que se incorporan proteínas integrales y lípidos de la membrana plasmática, así como macromoléculas extracelulares que generalmente no exceden los 156 nm, incluyendo algunos virus. Las vesículas se forman en áreas de la membrana plasmática donde se encuentra la proteína clatrina, que es citosólica. En los fibroblastos estas áreas suponen un 2 % del total de la superficie de la membrana plasmática. La clatrina posee una estructura con tres brazos que se ensamblan entre sí formando pentágonos. Su estructura y su manera de asociarse parece que ayudan a la invaginación y cierre de la vesícula. La polimerización de la clatrina forma vesículas de unos 120 nm. Entre la clatrina y la membrana celular se disponen otras proteínas denominadas adaptadoras que ayuda al ensamblaje de las moléculas de clatrina para formar una especie de cesta que engloba a la vesícula. Las proteínas adaptadoras son las que realmente van a decidir qué tipo de receptores de la membrana plasmática, junto con sus ligandos, van a formar parte de las vesículas, puesto que interaccionan con el dominio citosólico de las proteínas integrales. Una vez que la vesícula se ha cerrado e internalizado, la clatrina de desensambla y la vesícula puede ir a orgánulos específicos dentro de la célula, normalmente endosomas tempranos.

Vesículas

Formación y fusión de vesículas.

Caveolas. Se describieron en los años 50 del siglo XX por P. Palade gracias a imágenes de microscopía electrónica. Son unos pequeñas invaginaciones en la membrana plasmática (45-80 nm) presentes en la mayoría de las células eucariotas que posteriormente se transforman en vesículas, aunque la proporción en que esto ocurre no está del todo clara. Son especialmente abundantes en las células endoteliales, musculares y adipocitos. Su membrana se caracteriza por poseer una proteína llamada caveolina, además de proteínas periféricas ancladas a glicosilfosfatidil-inositoles, esfingolípidos (esfingomielina y glicoesfingolípidos) y colesterol. La propia existencia de caveolina hace que las células formen caveolas. Hay de 100 a 200 moléculas de caveolina por caveola y existen diferentes tipos en una sola caveola. La caveolina 1 se expresa en el músculo liso y en la mayoría de las células no musculares, y es esencial para la formación de las caveolas en estas células. La caveolina 2, que se expresa junto con la caveolina 1, no es necesaria para la formación de las caveolas. La caveolina 3 se expresa en el músculo estriado, cardiaco y algunas otras células no musculares. Es esencial para formar caveolas en estas células. Las cavinas son otras proteínas presentes típicamente en las caveolas. No sólo se forman caveolas en la membrana plasmática sino que también se observan en el aparato de Golgi. Así que podría funcionar como mecanismo de transporte entre el aparato de Golgi y la membrana plasmática para determinados tipos de moléculas. Cuando se internan desde la membrana plasmática, las vesículas resultantes de las caveolas se fusionan con los endosomas tempranos, aunque algunos autores consideran que lo hacen con un tipo especial de endosoma denominado caveosoma.

Las funciones de las caveolas, sin embargo, no están del todo claras. Aunque se ha propuesto un papel relevante en la endocitosis, esto no parece tener un gran soporte experimental. El papel de las caveolas como transportador de moléculas en la endocitosis general de una célula no parece ser muy importante, al menos si excluimos células endoteliales, musculares y adipocitos, puesto que sólo el 5 % de las caveolas se convierten en vesículas, al menos en células en cultivo. Se han propuesto otras funciones que incluyen modulación de la transducción de señales celulares puesto que contienen numerosos receptores en sus membranas que son eliminados de la superficie celular como los receptores tirosina quinasa, el tráfico de lípidos entre la membrana y orgánulos interno, incluso se han postulado como participantes en los mecanismos de supresión de algunos tumores. Moléculas como la toxina colérica, el ácido fólico y otras moléculas entran a la célula gracias principalmente a las caveolas. También se ha sugerido que la variación en el número de caveolas de una célula podría influir en otros tipos de endocitosis como los mediados por clatrina, gracias al secuestro de moléculas en las propias caveolas y el consiguiente cambio de composición de la membrana plasmática. Una teoría que está recibiendo más apoyo experimental es su papel en la regulación de la tensión mecánica de las membranas, de manera que la presencia de más o menos caveolas contrarrestaría tensiones en la membrana de la células. Esto explicaría por qué es abundante en endotelios, células musculares y adipocitos, cuyas membranas estarían sometidas a cambios bruscos de tensión.

Endocitosis de vesículas que no dependen de la clatrina ni de la caveolina. Estas vías se han descubierto porque se siguen produciendo procesos de endocitosis cuando se bloquean selectivamente las vías mediadas por clatrina y por caveolina. Algunas toxinas como las del cólera entran preferentemente por esta vía. No se conoce en detalle cuales son los mecanismos por los que este tipo de endocitosis selecciona a las moléculas que transportan. Se sospecha que se pueden concentrar e incorporar moléculas gracias a la acción de las balsas de lípidos. Tampoco se conoce si la formación de estas vesículas es un proceso regulado o no.

Macropinocitosis. Es un proceso mediante el cual se incorporan grandes cantidades de fluido extracelular. En la superficie celular se crean evaginaciones a modo de ola cuyo frente cae sobre la membrana plasmática y se fusiona con ella formando una gran vesícula interna o macropinosoma. El mecanismo de formación de los macropinosomas involucra a los mismos componentes que actúan durante la fagocitosis: los filamentos de actina y las proteínas motoras miosina. La macropinocitosis no sólo se utiliza para captar alimento, como ocurre en las amebas, sino que también sirve para renovar la membrana plasmática, se activa durante el movimiento celular para transportar grandes porciones de membrana hacia el frente de avance, incluso algunas bacterias son capaces de inducirla para introducirse en los macropinosomas y así evitar la fagocitosis.

Fagocitosis. Es un tipo especial de endocitosis que consiste en la incorporación de partículas de gran tamaño como son bacterias, restos celulares o virus. Este mecanismo lo llevan a cabo células especializadas como son los macrófagos, neutrófilos y las células dendríticas. Un ejemplo claro son los macrófagos que fagocitan a los complejos formados por inmunoglobulinas unidas a otras partículas que pueden ser virus o bacterias. También son los encargados de eliminar miles de glóbulos rojos al día. Los macrófagos suelen ser residentes de tejido. Por ejemplo, las células de Kupffer en el hígado, la microglía se localiza en el encéfalo y otros en la médula ósea, que tienen además la misión de eliminar los núcleos de los eritrocitos liberados durante su maduración. Los protozoos utilizan la fagocitosis para alimentarse. Es probable que la fagocitosis haya evolucionado de un mecanismos de conseguir comida por parte de los organismos unicelulares a un mecanismo de defensa en los pluricelulares.

El proceso de fagocitosis supone un reconocimiento de la partícula por parte de la célula mediante receptores de membrana y la emisión de unas protuberancias laminares o pseudópodos de citoplasma rodeados por membrana. Los receptores que reconocen a las partículas a fagocitar se unen a moléculas de la superficie de los patógenos, o a la fosfatidilserina de las células apoptóticas, o a las inmunoglobulinas G y componentes del complemento del sistema inmune. Cuando estos receptores unidos a sus ligandos se agrupan disparan el proceso de fagocitosis. Se necesita una cantidad mínima de receptores unidos a sus ligandos para que se de la fagocitosis, si no es así ésta se detiene. De manera que cuando la partícula no tiene suficiente ligando no será incorporada. Sin embargo, los macrófagos tienen una gran diversidad de recepores con diferentes selectividades, que trabajan de manera cooperativa.

Este proceso de emisión de expansiones citoplasmáticas para englobar a la partícula está mediado por los filamentos de actina y las proteínas motoras miosina. Tales protuberancias rodean a la partícula, fusionan sus frentes de avance y encierran a la partícula formando una gran vesícula o fagosoma que se separa de la superficie y se interna en la célula para ser digerida. La fagocitocis requiere de una señal de reconocimiento para disparar el proceso. Una vez formado el fagosoma se fusionará con los lisosomas para la degradación de su contenido.

Bibliografía

Cheng, J.P.X., Nichols, B.J. Caveolae: one function or many? 2016. Trends in cell biology. doi: 10.1016/j.tcb.2015.10.010.

Mayor, S., Pagano, R.E. Pathways of clathrin-independent endocytosis. 2007. Nature reviews in molecular and cell biology. 8:603-612.


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Actualizado: 06-11-2017. 22:39