Atlas de histología vegetal y animal

Los endosomas son unos compartimentos membranosos con una forma irregular, generalmente con aspecto de grandes "bolsas", que a veces también forman túbulos membranosos. Son los responsables de canalizar el flujo de moléculas de la endocitosis. Así, recogen el material de las vesículas de endocitosis y las entregan a los lisosomas al fusionarse con ellos. Son fundamentales para el mantenimiento de la homeostasis celular. A los endosomas llegan también vesículas que provienen del dominio trans del aparato de Golgi. Desde los endosomas salen vesículas de reciclado hacia la membrana plasmática y hacia el aparato de Golgi, mientras que el resto de las moléculas continúa su camino hacia los lisosomas para su degradación. Los endosomas también se comunican con otros orgánulos celulares mediante contactos entre membranas.

1. Organización

Los endosomas de una célula son heterogéneos tanto morfológica como funcionalmente. Incluso en un mismo endosoma puede haber regiones de su membrana realizando funciones diferentes. Sin embargo, forman un sistema continuo en la célula, es decir, unos tipos de endosomas se transforman en otros. Al conjunto de los endosomas de una célula se le llama compartimento o sistema endosomal. Los componentes de este sistema endosomal son los endosomas tempranos, los de reparto, los de reciclaje y los tardíos/cuerpos multivesiculares. Sin embargo, se habla de dos grandes tipos: los tempranos (tempranos, de reparto y reciclaje) y los tardíos (tardíos y cuerpos multivesiculares). Algunos autores incluyen a los lisosomas dentro del sistema endosomal, pero nosotros los trataremos en la siguiente página.

En una misma célula hay endosomas diferentes con características distintivas para realizar tareas concretas. Los endosomas tempranos reciben las vesículas de endocitosis, los endosomas de reparto o reciclaje envían vesículas a la membrana plasmática y al aparato de Golgi, los endosomas tardíos/cuerpos multivesiculares reciben vesículas cargadas de hidrolasas ácidas desde el domino trans del aparato de Golgi y envían otras recicladas de vuelta a dicho dominio. Los endosomas tardíos/cuerpos multivesiculares terminan fusionándose con los lisosomas para la degradación de las moléculas y vesículas que contienen.

La identidad de cada tipo de endosoma se determina por la composición molecular de su membrana, sobre todo por la presencia de proteínas GTPasas de las familias Rab y Arf/Arl, de su interacción con otras proteínas efectoras, así como por la composición lipídica de sus membranas. Cómo se consiguen los diferentes endosomas de una célula parece ser un mecanismo de maduración progresiva, es decir, hay un cambio progresivo de las moléculas que componen a un tipo de endosoma para transformarlo en otro tipo . Los endosomas tempranos se forman por la convergencia y fusión de las vesículas de endocitosis. Se caracterizan por tener en sus membranas las proteínas Rab4, Rab5 y son ricos en fosfoinosítidos PI(3)P. Después se desplazan hacia el interior celular. Este desplazamiento está mediado por microtúbulos. Durante su trayecto van madurando, convirtiéndose en endosomas de reciclado y de reparto, produciendo vesículas de vuelta hacia la membrana plasmática. Los endosomas de reparto cambian Rab5 por Rab7. Progresivamente, los endosomas de reciclado se transforman en endosomas tardíos/cuerpo multivesiculares, que reciben vesículas del aparato de Golgi, y envían otras de vuelta al aparato de Golgi. Los endosomas tardíos/cuerpos multivesiculares poseen en sus membranas Rab7 y el fosfoinosítido PI(3,5)P2, y acidifican su interior con bombas de protones. Finalmente, éstos se convierten en compartimentos muy parecidos a los lisosomas con los que se fusionan. De manera que todos los tipos de endosomas descritos son sólo estados de un proceso continuo de maduración. A todo este proceso se le llama maduración endosomal.

Los endosomas pueden formar túbulos y liberar vesículas. Además pueden fusionarse y dividirse. Estos procesos están mediados por el retículo endoplasmático. Así, la división de un endosoma se produce allí donde hay contactos entre la membrana del endosoma con la del retículo endoplasmático, de manera que esos contactos muestran el lugar de la división. De la misma manera, la fusión de dos endosomas está mediada por contactos entre las membranas de los endosomas y las del retículo endoplasmático.

2. Distribución

LLos endosomas se distribuyen espacio-temporalmente en la célula de una manera particular (Figura 1). Los endosomas tempranos se sitúan en la periferia celular, próximos a la membrana plasmática. A medida que van madurando se van internando en la célula y se concentran en la región perinuclear, donde se encuentran los cuerpos multivesiculares/endosomas tardíos, y donde se produce la fusión con los lisosomas. De esta manera también se segregan las funciones de los endosomas. La idea es que el sistema endo-lisosomal periférico está más orientado a la señalización, mientras que los perinucleares a la degradación. Al conjunto de endosomas que hay en el espacio perinuclear se le llama nube perinuclear. En la periferia se capta material y en en interior de la célula se degrada y recicla. La posición y movimiento de los endosomas por la célula y su viaje a las proximidades del núcleo está mediado por las proteínas Arf, Rab y Arf-like (Arl). De cualquier manera, el movimiento a grandes distancias se produce por microtúbulos y a cortas distancias por los filamentos de actina.

La maduración de los endosomas y su posición en la célula están controladas por los contactos entre las membranas endosomales y las del retículo endoplasmático (Figura 1). Es interesante que los endosomas tardíos mantendrían su posición perinuclear mediante su interacción con el retículo endoplasmático. Además, se ha visto que la interacciones endosomas-retículo endoplasmático ocurre en aproximadamente la mitad de los endosomas tempranos, y en casi todos los endosomas tardíos. Hay datos que sugieren que en estos contactos el retículo endoplasmático detecta el contenido y la composición del endosoma y, en función de ella, carga a la membrana endosomal con proteínas motoras de tipo quinesinas o de tipo dineínas, que moverán a los lisosomas hacia la periferia celular o hacia el interior, respectivamente. El retículo no sólo podría participar en su localización sino también en su fisión, como ocurre con las mitocondrias.

Cuando hay estrés celular o falta de nutrientes, el retículo facilita la interacción de los endosomas con la dineína, con lo que se favorece la acumulación perinuclear y la degradación. Cuando la célula tiene las necesidades bien cubiertas, la interacción con la quinesina desplaza los endosomas a la periferia para realizar funciones como la reparación de membrana, liberar exosomas (ver más abajo), formación de protusiones celulares, entre otras.

3. Endosomas tempranos / de reciclado

LLos endosomas tempranos son los encargados de recibir las vesículas de endocitosis (Figura 2). En este momento, o tras un proceso de maduración en endosomas de reciclaje o de reparto, se da un intenso proceso de reciclado de moléculas que vuelven a la membrana plasmática, pudiendo representar hasta el 90 % de las proteínas y el 60 % de los lípidos endocitados. En este proceso de reciclado parecen colaborar también los contactos entre membranas endosomales y las del retículo endoplasmático. El interior del compartimento endosomal temprano se mantiene a pH más ácido (aproximadamente 6.5) que el del citosol (aproximadamente 7.2) gracias a las bombas de protones dependientes de ATP que se encuentran en sus membranas. El medio ácido del endosoma permite que muchos receptores transmembrana y sus ligandos unidos, transportados en vesículas desde la membrana plasmática, liberen dichos ligandos en el interior del endosoma. Los receptores, ya sin ligando unido, vuelven a la membrana plasmática en vesículas de reciclado y el ligando sigue hacia otros compartimentos para su degradación. Desde los endosomas tempranos también ser producen vesículas que viajan hasta el lado trans del aparato de Golgi.

Normalmente la salida de estas vesículas recicladas se realiza en un dominio del endosoma físicamente segregado del resto del espacio endosomal. Por ejemplo, las moléculas que son enviadas a la membrana plasmática se segregan en dominios del endosoma en forma de tubo. Estas extensiones del endosoma están mediadas por los filamentos de actina. En realidad se propone que el endosoma temprano posee varios dominios o regiones: uno donde se fusionan las vesículas de endocitosis procedentes de la membrana plasmática, otro desde donde se reciclan vesículas hacia la membrana plasmática, otro desde el cual se forman los cuerpos multivesiculares, otro desde el que parten vesículas al aparato de Golgi y algunos autores proponen la existencia de otros menos conocidos.

4. Cuerpos multivesiculares, endosomas tardíos

Los cuerpos multivesiculares/ endosomas tardíos (Figura 2), son la antesala de la degradación de las moléculas endocitadas, la cual se realiza finalmente en los lisosomas gracias a unas enzimas denominadas hidrolasas ácidas. Las moléculas destinadas a la degradación llegan desde los endosomas tempranos, mientras que las hidrolasas ácidas desde el domino trans del aparato de Golgi empaquetadas en vesículas. Desde los cuerpos multivesiculares/endosomas tardíos se producirá reciclado mediante vesículas hacia el dominio trans del aparato de Golgi. Hay un grupo de moléculas denominadas retrómeros que son las encargadas de seleccionar las moléculas de los endosomas que tienen que ser transportadas hacia el aparato de Golgi y de formar las vesículas para su transporte.

Los cuerpos multivesiculares se definen primeramente por criterios morfológicos (Figura 3). Son orgánulos redondeados delimitados por una membrana que encierra a múltiples vesículas internas (desde dos a docenas de ellas). Típicamente tienen un diámetro entre 250 y 1000 nm. Aunque su forma es redondeada pueden presentar apéndices tubulares. Se mueven dentro de la célula por proteínas motoras asociadas a microtúbulos. Las vesículas internas se producen a partir de invaginaciones de la membrana limitante. De esta manera se pueden degradar las moléculas que forman parte integral de las membranas, aunque en dichas invaginaciones entra además parte del fluido citosólico, que también será degradado. Las moléculas del interior de un cuerpo multivesicular pueden también ser liberadas al medio extracelular, en vez de degradarse en los lisosomas, ya que los cuerpos multivesiculares pueden fusionarse con la membrana plasmática, y entonces las vesículas internas se convierten en exosomas (ver más abajo). En una misma célula pueden coexistir dos tipos de cuerpos multivesiculares, aquellos que se fusionarán con los lisosomas para la degradación de su contenido y aquellos que se fusionarán con la membrana plasmática para liberar a su contenido al exterior. La diferencia entre estas dos poblaciones parece ser el contenido en proteínas en su superficie, por ejemplo proteínas rab, así como el contenido de colesterol de sus membranas. Incluso en algunas células se ha podido distinguir morfológicamente estas dos poblaciones de cuerpos multivesiculares.

Hay una tercera posibilidad denominada back-fusion que se ha encontrado en las sinapsis de las neuronas, donde las vesículas las vesículas de los cuerpos multivesiculares se podrían fusionar con la membrana plasmática. Es interesante puesto que podría suponer un papel de almacén para los cuerpo multivesiculares. De hecho es raro que sean tan frecuentes en el lado postsináptico.

Generalmente, el destino de las moléculas del interior de los endosomas tardíos/cuerpos multivesiculares es ser degradadas en los lisosomas. Hay dos maneras no excluyentes en que esto puede ocurrir: una maduración de los endosomas tardíos que con la disminución del pH se convierten en lisosomas o mediante la fusión de endosomas tardíos con lisosomas ya existentes en el citoplasma.

5. El viaje de las hidrolasas ácidas

Las hidrolasas ácidas son sintetizadas en el retículo endoplasmático y al pasar por el lado cis del aparato de Golgi son modificadas por otras enzimas que le añaden una manosa-6-fosfato. En el el dominio trans son segregadas del resto de moléculas de la vía de exocitosis gracias a la existencia de un receptor transmembrana que reconoce este residuo glucídico. El complejo receptor-hidrolasa se concentra en zonas recubiertas con clatrina y son finalmente incorporados en vesículas. Estas vesículas viajan hasta los cuerpos multivesiculares y endosomas tardíos con quienes se fusionan. El pH más ácido de estos endosomas respecto al que hay en el el dominio trans hace que las hidrolasas se desliguen de su receptor, el cual puede volver a ser incluido en vesículas de reciclado que se dirigen de nuevo al el dominio trans del aparato de Golgi.

6. Transcitosis

En algunos tipos celulares existe una ruta vesicular adicional denominada transcitosis. En estas células las moléculas unidas a receptor que llegan en vesículas a los endosomas tempranos no se desligan de su receptor y ambos, receptor y ligando, son de nuevo empaquetados en otras vesículas para ser transportadas a otros lugares de la membrana citoplasmática distintos a aquellos en los que se originaron, donde se fusionan y liberan su contenido al espacio extracelular. Estas rutas suelen darse en las células polarizadas como las epiteliales. Por este mecanismo se incorporan elementos como el hierro.

7. Exosomas

Algunos tipos celulares como las células hematopoyéticas, los linfocitos, las células dendríticas, las células epiteliales intestinales, los mastocitos y las células tumorales, realizan un tipo de tráfico vesicular un tanto extraño. Como se ha mencionado anteriormente, los cuerpos multivesiculares, en vez de convertirse en lisosomas, o fusionarse con ellos, se fusionan con la membrana plasmática liberando sus vesículas internas (de 30 a 60 nm de diámetro) al espacio extracelular (Figura 5). A estas vesículas liberadas se les denomina exosomas y poseen una composición molecular distinta a otros compartimentos intracelulares, por ejemplo poseen mucho colesterol y esfingomielina. Los exosomas se han propuesto como mensajeros intercelulares.

8. Macroautofagia

Hay un mecanismo para formar endosomas que no depende de la endocitosis. Todas las células realizan un proceso de digestión de orgánulos o componente celulares internos denominado autofagia. Hay distintos tipos de autofagia, una de ellos es la macroautofagia, que se pone en marcha bajo diversas circunstancias como la escasez de alimentos, inducción por ligandos, o estrés celular en general. La macroautofagia consiste en el englobamiento por parte de cisternas del retículo endoplasmático de orgánulos o una porción del citoplasma celular. Cuando se cierran las membranas del retículo se forma un compartimento denominado autofagosoma, el cual madurará hasta fusionarse con los lisosomas, igual que ocurre con los endosomas tardiós/cuerpos multivesiculares.

9. Patología

Numerosas bacterias usan la vía endocítica, sobre todo fagocitosis, aunque también macropinocitosis, para infectar a las células. El ambiente ácido de los endosomas les es favorable para proliferar y después cruzar su membrana hasta el citosol. Incluso tienen moléculas inhibidoras de la fusión de los endosomas con los lisosomas y así evitar su degradación. También numerosos virus infectan las células a través de los endosomas.

• Bibliografía ↷

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