Atlas de histología vegetal y animal

El retículo endoplasmático se comunica mediante vesículas principalmente con el aparato de Golgi. Ambos orgánulos son el primer y segundo paso de la vía secretora, respectivamente. La mayoría de las proteínas y de los lípidos que abandonan el retículo endoplasmático lo hacen en vesículas o en otros compartimentos membranosos con formas tubulares que se desprenden del retículo (Figura 1). Estas vesículas se pueden asociar formando un compartimento transitorio llamado ERGIC ("endoplasmic reticulum Golgi intermediate compartment"). Ya sean la vesículas o el ERGIC, ambos tienen como destino inmediato el aparato de Golgi, aunque en las plantas pueden ir directamente a las vacuolas, o incluso a la membrana plasmática. También hay un flujo de lípidos entre el retículo endoplasmático y el aparato de Golgi en los sitios de contactos entre membranas de ambos orgánulos.

Las vesículas y los procesos tubulares se forman y salen desde regiones especializadas del retículo endoplasmático denominadas zonas de exportación. Estas zonas son numerosas y puede haber entre 50 y cientos en una célula tipo, carecen de ribosomas y se encuentran dispersas por los túbulos y las cisternas del retículo endoplasmático rugoso. Tienen unos 0.5 µm de diámetro y, en células de mamíferos, son bastante estables e inmóviles en el tiempo. Las zonas de exportaciónc están físicamente próximas a las pilas del aparato de Golgi. Esto tiene sentido porque se aumenta la eficiencia, no es necesario que las vesículas y los ERGIC recorran largas distancias, o porque la generación y mantenimiento del aparato de Golgi realmente se produce a partir de las vesículas y los ERGIC que provienen del retículo. Se ha comprobado que cuando se forma una zona de exportación nueva también se crea un aparato de Golgi en las proximidades, y si una zona desparece también lo hace la pila de cisternas asociadas. A veces, las zonas de exportación se fusionan o se separan, haciéndolo también las pilas de cisternas de Golgi. También hay un flujo de lípidos entre el retículo endoplasmático y el aparato de Golgi en los sitios de contactos entre membranas de ambos orgánulos.

Las vesículas que se forman en las zonas de exportación del retículo endoplasmático son esículas recubiertas del tipo COPII (Figura 1). En la formación de estas cubiertas, y de la propia vesícula, participan varios tipos de proteínas citosólicas que incluyen a las Sec12/16, GTPasas Sar1, Sec 23/24 y Sec 13/31. Éstas se ensamblan en este orden en la superficie citosólica de las membranas de la zonas de exportación. En estas zonas las condiciones son propicias para el ensamblaje de COPII: tienen una composición lipídica diferente al resto del retículo y hay una acumulación de la proteína Sec12/16, la cual tiene afinidad por las proteínas Sec23/24 (forman la cubierta interna), y éstas su vez por las Sec13/31 (forman la cubierta externa). Las proteínas que forman COPII parecen realizar dos funciones: cooperan en la formación de las vesículas (sobre todo la capa externa formada por Sec 13/31) y participan, directa o indirectamente, en la selección de las cargas, sobre todo Sec 24 de la cubierta interna. En mamíferos hay 4 Sec24.

Las cargas son las proteínas y lípidos que han de ser incluidas específicamente en las vesículas para su exportación y que son reconocidas por receptores gracias a que estas cargas poseen una secuencia de exportación específica. Hay dos tipos de cargas que han de ser transportadas: las que son solubles en el interior del retículo endoplasmático y las que están en la membrana. Las que son solubles han de ser reconocidas y "pescadas" por receptores transmembrana. Las cargas que son proteínas integrales también son reconocidas por receptores. Tanto los receptores que reconocen a las proteínas solubles como a las proteínas de membrana necesitan unirse por su dominio citosólico a la cubierta de COPII para ser incluidas en la vesícula.

Como hay una gran diversidad de cargas, hay también una variedad de receptores para esas cargas. En levaduras se han encontrado hasta 13 receptores para capturar cargas. En humanos hay hasta 25. Estos receptores tienen que viajar hasta el aparato de Golgi cargados, liberar allí su carga, y volver al retículo libres para repetir el ciclo. Ejemplos de receptores para proteínas solubles son la proteína transmembrana tipo lectina LMAN1, que reconoce carbohidratos de proteínas solubles en el interior del retículo endoplasmático, SURF4 que reconoce secuencias cortas de aminoácidos en proteínas solubles que han de ser exportados y reconoce a muchos tipos de proteínas. Las familias de proteínas transmembrana p24 y las TANGO1 facilitan la salida de procolágeno. La proteína ERGIC-53 es un receptor transmembrana que se mueve desde el retículo endoplasmático y el Golgi y que tiene secuencias de reconocimiento tanto para COPII como para COPI.

Aunque algunas cargas que son proteínas transmembrana pueden ser reconocidas directamente por las proteínas adaptadoras de la cubierta COPII a través de su dominio citosólico, hay cada vez más datos que indican que las proteínas transmembrana son también reconocidas por otras proteínas transmembrana que actúan como receptores intermediarios entre ellas y la cubierta COPII, como son las proteínas denominada cornichon. Las proteínas cornichon tienen tres cruces de membrana y secuencias en sus dominios citosólicos reconocidos por COPII y por COPI. Por ejemplo, los receptores acoplados a proteínas G (proteínas transmembrana) necesitan a cornichon para salir del ER.

Por tanto, las proteínas COPII son necesarias para incorporar a la vesícula las cargas que van a ser transportadas específicamente. Sin embargo, en la vesícula pueden entrar otras moléculas por difusión de manera inespecífica. Esta vía de escape del ER se llama "bulk flow" o flujo masivo. Se calcula que la mitad del fluido interno del ER en una célula tipo se envía en vesículas en unos 40 minutos, lo que supone unas 155 vesículas COPII por segundo. A pesar de ello parecen existir en el retículo restricciones a este flujo. Se ha encontrado un mecanismo de selección de proteínas residentes basado en la alta concentración de proteínas, la cual favorecería la formación de estados volumétricos con una densidad y grado de interacción muy alta entre moléculas que dificultaría la libre difusión, y por tanto el acceso a las zonas de salida. Otro sistema de exclusión parece operar para las proteínas transmembrana residentes que tendrían dificultades para entrar en la membrana de la vesícula por difusión lateral consecuencia de la menor longitud de las cadenas de los ácidos grasos. Curiosamente cuando se expresan proteínas foráneas en el retículo, no hay ningún problema en su salida y secreción. De esto se aprovecha la industria farmacéutica para usar cultivos de células eucariotas y producir fármacos.

Aun siendo el transporte mediado por proteínas COPII descrito anteriormente el más frecuente entre el retículo endoplasmático y el aparato de Golgi, debe haber variaciones para llevar ciertas moléculas de un orgánulo al otro. Por ejemplo, una vesículas típica COPII, de unos 60 a 90 nm de diámetro, no puede englobar a una molécula de procolágeno, que son proteínas a modo de barras rígidas de unos 300-400 nm de longitud. También el transporte de los quilomicrones entre el retículo y el aparato de Golgi necesita de vesículas especiales más grandes. Se han propuesto dos mecanismos para exportar grandes moléculas como el procolágeno y las lipoproteínas, en los que también participarían las cubiertas COPII. En uno de ellos se formarían estructuras tubulares grandes en las zonas de transición en las cuales se acomodarían las grandes moléculas. Las proteínas COPII se situarían en cuello de estos túbulos y favorecerían su escisión. Luego estos compartimentos se fusionarían con los ERGIC. Un segundo mecanismo se basa en la separación de fases que ocurre en el citosol con la que se forman agregados moleculares. Se generarían unos condensados en las zonas de exportación en los que se ensamblarían las cubiertas COPII pero con la capacidad de generar vesículas de mucho mayor tamaño que las convencionales,de unos 500 nm de diámetro, en las que se acomoden las moléculas grandes.

Independientemente de cómo se empaqueten las cargas, cualquier proteína que vaya a ser exportada debe estar apropiadamente plegada. Las que no lo están son eliminadas antes de que sean englobadas para su exportación. Es decir, en el retículo endoplasmático se lleva a cabo un control de calidad. Lo que ocurre con las proteínas mal plegadas es que la secuencia de exportación no se expone. El sistema de control de calidad se llama sistema ERAD.

Una vez liberada la vesícula, la cubierta COPII se pierde parcialmente y hace que algunas cargas se liberen de sus receptores. En la mayoría de los casos, las cargas se liberan de los receptores una vez que llegan al lado cis del aparato de Golgi, su destino. De cualquier manera, una parte del material que sale en las vesículas desde el retículo endoplasmático es devuelto de nuevo.

Reciclado

Una vez en el aparato de Golgi, hay varias maneras de que los receptores suelten sus cargas. Dependiendo de los receptores puede ser por aumento de pH, disminución de la concentración de calcio, competición con otras moléculas o por modificaciones como fosforilación o proteolisis. Estos receptores son reconocidos por las cubiertas COPI, englobadas en vesículas y reciclados al retículo endoplasmático de nuevo.

Como dijimos antes, hay muchas moléculas que se cuelan en las vesículas COPII sin que hayan sido seleccionadas y viajan al aparato de Golgi. Desde el aparato de Golgi se envía de vuelta una gran cantidad de estas moléculas al retículo endoplasmático en vesículas COPI. Muchas de estas proteínas son residentes del retículo endoplasmático que se escaparon. El tráfico retrógrado tiene como misión devolver receptores y moléculas residentes del retículo endoplasmático, además de mantener el tamaño de los orgánulos fuente y diana mediante la devolución de membrana. Por ejemplo, se ha estimado que cada 1 o 2 horas de una células de mamífero se ha exportado toda la membrana del ER en vesículas COPII. Esta membrana hay que reponerla. Otra posible función sería devolver temporalmente las enzimas glicosidasas que actúan en el aparato de Golgi al retículo endoplasmático para que pasen de nuevo el sistema de control calidad de proteínas o sistema ERAD.

El reciclado de sustancias hacia el ER desde el Golgi se lleva a cabo por vesícula recubiertas por COPI o mediante túbulos que conectan ambos orgánulos y que son dependientes de Rab6. Las vesículas COPI se forman ya en el ERGIC o en el aparato de Golgi, y se inician gracias a la proteína Arf1. El compartimento ERGIC madura durante el camino hacia el aparato de Golgi. Esta maduración supone una modificación de las moléculas de su membrana y permite la asociación de las proteínas citosólicas que forman la cubierta COPI. En el caso de las COPI, la presencia de la carga estabiliza la cubierta, por lo que cuanto más moléculas haya para transportar retrógradamente más vesículas se formarán.

La selección de las cargas por parte de las vesículas COPI depende de secuencias de recuperación situadas en el extremo carboxilo. Se conocen al menos varias secuencias de recuperación reconocidas por las cubiertas COPI. Los receptores KDEL, de los cuales hay varias isoformas, reconocen secuencias llamadas KDEL localizadas en muchas proteínas residentes del ER. El receptor KDEL alterna entre el retículo y el compartimento ERGIC/aparato de Golgi, puesto que también viaja en las vesículas recubiertas por COPII, pero en este caso sin unir ligando alguno. El proceso de unir un ligando en un orgánulo y liberarlo en el otro es posible porque hay un gradiente de pH entre estos dos compartimentos, más básico en el retículo, que le impide unirse a sus ligandos (y por tanto los libera), y más ácido en el aparato de Golgi, que le permite unirse a sus ligandos. Es decir, la variación de pH entre compartimentos modifica la afinidad del receptor KDEL por sus ligandos. Rer1 y Erv41-Erv46 son otras proteínas que captura proteínas transmembrana residentes del retículo en localizaciones como el ERGIC y el aparato de Golgi, y que no tienen secuencias KDEL.

Por tanto, las vesículas COPI, además de membrana para reemplazar a la que se usó para formar las vesículas COPII, deben ir cargadas con la maquinaria de reconocimiento y fusión con el retículo y con los receptores que seleccionaron las cargas en las vesículas COPII. Pero además deben transportar a las proteínas residentes del retículo que entraron en las vesículas de manera no selectiva.

Como se mencionó anteriormente, hay una segunda vía de comunicación entre el aparto de Golgi y el retículo endoplasmático mediado por túbulos membranosos. La proteína Rab6 está implicada en estos procesos. Se desconocen las cargas que viajan por estos túbulos.

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  • Bibliografía

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