Atlas de histología vegetal y animal

La célula. Ampliaciones.

VESÍCULAS

Las células eucariotas se caracterizan por el reparto ordenado y dirigido de moléculas entre diferentes compartimentos celulares. En muchos casos este reparto está mediado por vesículas, que actúan como vehículos para transportar moléculas entre algunos orgánulos celulares, y también otros compatimentos como la membrana plasmática y el exterior celular. El transporte vesicular supone una gran ventaja puesto que se pueden seleccionar de manera específica qué moléculas deben ir a cada compartimento, moléculas que en muchas ocasiones son necesarias para las funciones de dichos compartimentos. Por ejemplo, las enzimas hidrolíticas ácidas deben ir a los lisosomas, pero no a los endosomas tempranos y el colágeno debe ir a la matrix extracelular.

Las vesículas son pequeños compartimentos delimitados por una membrana que viajan entre orgánulos celulares, participando también la membrana celular. Sirven para transportar moléculas solubles, es decir, disueltas en el medio acuoso de su interior, y moléculas de membrana, que viajan formando parte de la propia membrana de la vesícula, como son lípidos, canales o receptores.

Las vesículas se forman en el compartimento fuente y se cargan con aquellas moléculas que deben ser transportadas. Una vez liberadas en el citosol, las vesículas son dirigidas hacia el orgánulo o compartimento diana, al cual reconocen, y con el que finalmente se fusionan. Entonces, las moléculas transportadas formarán parte del orgánulo diana y serán las responsables de su función. Sin embargo, otras moléculas sólo estarán de paso en ese compartimento y serán empaquetadas de nuevo en otras vesículas para dirigirse a otro compartimento celular. Es lo que ocurre con algunas proteínas que viajan en vesículas desde el retículo endoplasmático, pasan por el aparato de Golgi, donde son empaquetadas en nuevas vesículas hacia otros compartimentos como la membrana plasmática o los endosomas.

Algunas moléculas volverán desde el compatimento diana al compartimento fuente del que partieron en un transporte de reciclado. Hay que tener en cuenta que la mayoría de los compartimentos, orgánulos y membrana plasmática, funcionan tanto como compartimento fuente como compartimento diana al mismo tiempo. Es frecuente que cuando un compartimento envía vesículas a otro, suele recibirlas también de este último. Así, la mayoría del tráfico vesicular entre dos compartimentos es bidireccional.

Todos estos procesos requieren la participación de una serie de herramientas moleculares:

Vesículas

Pasos que se siguen en el transporte de moléculas mediado por vesículas.

a) Moléculas para reconocer y atrapar a las moléculas que se han de transportar. Otras moléculas adicionales tienen como misión formar la vesícula a partir de las membranas del orgánulo fuente. Hay que tener en cuenta que el proceso de formación de una vesícula es tremendamente complejo puesto que su membrana tiene que formar un pliegue y separarse de la membrana del orgánulo fuente.

b) Elementos del citoesqueleto para transportar las vesículas desde el orgánulo fuente hasta el diana.

c) Un complejo molecular para permitir a la vesícula reconozcer y fusionarse con el orgánulo diana apropiado.

1. Formación de vesículas

La formación de una vesícula en cualquier compartimento fuente es un proceso complejo. Participan numerosas moléculas: las que delimitan el sitio de formación de la vesícula e inician el proceso molecular, las que seleccionan a las moléculas que tienen que ser transportadas, las que participan en la formación y escisión de la propia vesícula, las que permiten posteriormente deshacerse de las proteínas de recubrimiento, etcétera. En levaduras se estima que más de 65 proteínas diferentes intervienen en el proceso formación de una vesícula.

Vesículas

El proceso de formación de una vesícula recubierta por clatrina supone una serie de pasos antes de que sus moléculas formen parte de la vesícula (modificado de Weinberg y Drubin 2012)

La formación de una vesícula es un proceso ordenado de reclutamiento de moléculas. Los procesos moleculares de formación de las vesículas denominadas recubiertas, como las recubiertas por clatrina, COPI y COPII, son los mejor conocidos. La formación de una vesícula recubierta se inicia mediante el reclutamiento de proteínas GTPasas Arf/Sar a la membrana del orgánulo fuente. Aunque esto ocurre en lugares concretos de la membrana del orgánulo fuente, no se sabe cómo se inicia el proceso, ni cómo se selecciona el lugar de la membrana donde tendrá lugar la adhesión de estas moléculas. Las proteínas Arf/sar son pequeñas moléculas que se activan e inactivan mediante la hidrólisis del GTP. Cuando las moléculas Arf/sar son activadas en la membrana del orgánulo fuente se encargan de reclutar a otras proteínas como las proteína adaptadoras, las cuales son las encargadas de seleccionar de manera específica a las proteínas que deberán incorporarse en la vesícula para ser transportadas, y que se denominan cargas. En una vesícula se puede viajar de tres maneras: como proteína transmembrana, como ligando unido a un receptor y como molécula disuelta en el contenido de la vesícula. La importancia, tanto cualitativa como cuantitativa, de cada uno de ellos no esa todavía clara. Las proteínas adaptadoras son capaces de reconocer secuencias señal en los dominios citosólicos de las proteínas transmembrana que a su vez reconocerán a las proteínas del interior del orgánulo fuente que deben ser transportadas. Por ejemplo, en las vesículas de exocitosis constitutiva deben viajar proteínas hacia la matriz extracelular, así como receptores transmembrana que deben quedar en la membrana plasmática.

Hay otras maneras de seleccionar moléculas para incorporarlas en una vesícula. Una es por la longitud de los dominios transmembrana de la proteína, es decir, la longitud de las cadenas de ácidos grasos de los lípidos que forman la membrana de la vesícula seleccionarán a proteínas que tengan dominios transmembrana, secuencias de aminoácidos hidrófobos, de similar longitud. Proteínas con dominios transmembrana más cortos serán excluidas. Esto se ha demostrado en la formación de las vesículas recubiertas COPI en el retículo. Otro mecanismo de selección que también tiene en cuenta la longitud de los dominios transmembrana de las proteínas ocurre en las vesículas recubiertas con COPI, donde existen receptores como el Erv14 que son capaces de reconocer longitud de dominios transmembrana de proteínas que serán incorporadas a la vesícula. En este caso los receptores Erv14 son reconocidos por las proteínas adapatadoras sec24. En levaduras los receptores Erv14 parecen captar hasta 1/3 de las proteínas totales de la vesícula. Las proteínas solubles. Las proteínas transmembrana que se encuentran en retículo y dominio cis del aparato de Golgi son más cortas que las que del dominio trans-Golgi/membrana plasmática/endosomas. Es decir, que las proteínas se sintetizan sabiendo a dónde deben ir.

El conjunto inicial de proteínas (GTPasa, adaptoras, cargas, etcétera) se asocian formando agregados en la membrana. Cuando se alcanza una concentración crítica se dispara el reclutamiento de otras proteínas que terminarán de formar la cubierta de la vesícula. A este momento se le llama punto de transición, y una vez alcanzado la vesícula se formará. Si no se pasa el punto de transición las moléculas que forman los agregados iniciales pueden volver a segragarse en la membrana. A las proteínas iniciales se asocian ahora proteínas de la cubierta externa. Entre las proteínas de la cubierta externa están aquellas que permiten entrelazar todo el entramado proteico existente, curvar la membrana y dar volumen a la vesícula incipiente, servir de centros de nucleación de actina o permitir desnudar a la vesícula de estas cubiertas tras la escisión. Cuando las proteínas de la cubierta externa llegan es cuando la curvatura de la membrana empieza a ser visible.

Curvar la membrana de una vesícula y escindirla del compartimento fuente es un proceso coordinado que requiere energía y la participación de varias proteínas. Por ejemplo, hay proteínas que ayudan a las proteínas de la cubierta externa y que se insertan en una monocapa de la membrana gracias a unas secuencias de aminoácidos denominadas BAR que son capaces de generar curvatura en diferentes momentos de la formación de la vesícula. La polimerización de filamentos de actina y la acción de la miosina son también necesarios para generar fuerzas motoras que ayudan en la protusión y posteriormente en la esción de las vesículas recubiertas por clatrina. La escisión o la independencia física de la vesícula respecto al compartimento fuente requiere de curvatura, fuerza motora, pero también de otras proteínas, denominadas dinaminas, que estrangulan la comunicación membranosa entre el compartimento diana y la vesícula. Aquí, sin embargo, hay diferencias enter las vesículas recubiertas por clatrina y las recubiertas por COPII. Las vesículas recubiertas por COPII no precisan ni de dinamina ni de filamentos de actina para su formación. Tras la escisión muchas de las proteínas que envuelven a la vesícula son liberadas y devueltas al citosol para realizar un nuevo ciclo con la formación de una nueva vesícula, de manera que tenemos una vesícula casi desnuda.

Vesículas COPII

Formación de vesículas COPII en el aparato de Golgi / ERGIC (modificado de Budnik y Stephens, 2009). El primer paso para la formación de una COPII es la activación de las proteínas GTPasas Sar1 por sec12. Esto lleva a que Sar1 pueda insertarse en la membrana del retículo. Esta inserción recluta sec23 y sec24 y produce deformación de la membrana. Las cargas a transportar por estas vesículas son capturadas por sec24, que reconoce los dominios citosólicos de dichas moléculas. Las moléculas a transportar pueden ser integrales de membrana o solubles. En este último caso necesitan de receptores transmembrana para ser captadas. La agregación de estas proteínas más las cargas genera un complejo molecular estable que recluta proteínas de la cubierta externa, que son las proteínas sec13 y sec31. Éstas se ensamblan formando una estructura geométrica pero con cierta flexibilidad, comparada con las cubiertas de clatrina, que permite acomodar cargas de diferentes tamaños. Tras la escisión, la cubierta externa se libera debido a la hidrólisis del GTP de la Sar1.

2. Viaje

Tras la separación del compartimento fuente la vesícula es dirigida hacia el compartimento diana. Este viaje está mediado por proteínas motoras y elementos del citoesqueleto, tanto filamentos de actina como microtúbulos. En las células animales los microtúbulos juegan un papel importante en el tráfico de las vesículas, aunque también participan los filamentos de actina. Por jemplo, se han descubierto que los filamentos de actina forman uno haces, denominados cables de actina, que tienen uno de sus extremos en las proximidades de los lugares de endocitosis y el otro orientado hacia el interior de la célula, y que parecen ser importantes para el trasiego de vesículas de endocitosis. Sin embargo, en las plantas el tráfico vesicular está fundamentalmente mediado por los filamentos de actina.

3. Fusión de vesículas

El mecanismo de fusión de una vesícula con su compartimento diana es complejo. Ha de ser selectivo puesto que la célula ha de asegurarse de que una vesícula sólo se fusiona con aquel compartimento para el que las moléculas que transporta han sido destinadas. Pero además, abrir y fusionar membranas supone saltar una barrera termodinámica importante. Esto se hace en pasos sucesivos.

Vesículas

El proceso de fusión vesicular supone una serie de pasos antes de que sus moléculas formen parte del compartimento diana. (Modificado de Weinberg y Drubin 2012 ).

El primer paso es un reconocimiento inicial o anclaje (en inglés: "tethering"). Esto requiere que haya una especie de etiqueta a modo de código postal que indique qué compartimentos se han de fusionar y que actúen moléculas que reconozcan ese código. Es como si un compartimento pescara con una caña al otro, por ejemplo el compartimimento diana a la vesícula. Las "cañas" de pescar son unos complejos proteicos asociados a las membranas de un compartimento, normalmente en el compartimento diana, aunque a veces se asocian a la membrana de la vesícula. Hay distintos tipos complejos: COG, CORVET, Dsl1, exocysto, GARP/VFT, HOPS/Class C VPS, TRAPPI y TRAPPII, que se distribuyen de forma selectiva en distintos compartimentos. Estos complejos pueden cambiar entre estado estirado y contraído, pudiento en algunos casos medir más de 200 nm de longitud, lo que indica que es una caña molecular bastante larga. Por parte de la vesícula, el principal marcador o "código postal" lo aportan las proteínas Rab (en humanos 60 tipos), que se encuentran asociadas a las vesículas y que son de distinto tipo dependiendo del compartimento fuente, o parte del compartimento fuente, donde se hayan formado. Este reconocimiento inicial entre ambos es esencial para la especificidad de la fusión entre las vesícula y el compartimento diana.

Anclaje de vesículas

Diversos complejos proteicos relacionadas con el anclaje de las vesículas a diferentes compartimentos diana. (Modificado de Kuhlee et al., 2015 ).

El reconocimiento inicial es esencial para los pasos posteriores. Y sigue el atraque de la vesícula en el compartimento fuente. Para ello han de participar las proteínas transmembrana SNARE (en humanos hay 37 diferentes). Hay dos tipos: v-SNARE y t-SNARE. Las v-SNARE se incorporan en la vesícula durante su formación en el compartimento fuente y las t-SNARE se encuentran en las membranas del compartimento diana. La interacción entre v-SNARE y t-SNARE provoca un acercamiento de las membranas de la vesícula y del compartimento diana, liberando además la energía necesaria para la fusión de ambas membranas. Sin embargo, para la fusión de la membrana vesicular y del compartimento fuente, otras proteínas parecen cooperar con las proteínas SNARE. La fusión de membranas es un proceso termodinámicamente desfavorecido. Antes se pensaba que las proteínas SNARE eran necesarias para el reconocimiento entre vesícula y compartimento pero reconocimiento inicial y atraque/fusión de membranas son procesos independientes.

Vesículas extraelulares
Vesículas extracelulares.

Hay que tener en cuenta que la fusión entre membranas celulares no siempre involucra a una vesícula y a un compartimento diana. Se producen fusiones entre compartimentos semejantes como ocurre con los endosomas, las mitocondrias o incluso entre vesículas. Se cree que todos estos casos se siguen mecanismos parecidos con implicación de moléculas similares.

Bibliografía

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Weinberg J, Drubin DG. Clathrin-mediated endocytosis in budding yeast. Trends in cell biology. 2012. 22:1-13.

Actualizado: 01-03-2017. 10:05