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La exocitosis es el proceso de fusión de vesículas con la membrana citoplasmática.
Desde el TGN del aparato de Golgi se producen vesículas que sufren exocitosis y puede ser de dos tipos: constitutiva y regulada.
La exocitosis constitutiva es ubicua y lleva moléculas para la matriz extracelular y para la propia membrana plasmática.
La exocitosis regulada se produce en las células secretoras y éstas "deciden" cuándo y en qué lugar de la membrana plasmática se tienen que fusionar las vesículas.
En los endosomas y en los terminales presinápticos también se producen vesículas que se fusionan con la membrana plasmática.
Desde el TGN (trans Golgi network) del aparato de Golgi salen vesículas con diferentes direcciones: hacia las cisternas previas del propio aparato de Golgi, hacia los endosomas y hacia la membrana plasmática. Vamos a centrarnos en la fusión de las vesículas con la membrana plasmática, mientras que la ruta hacia los endosomas las veremos en el apartado dedicado a estos orgánulos y en el que trata de los lisosomas.
 Formación y fusión de vesículas.
La exocitosis es la fusión de vesículas producidas principalmente por el aparato de Golgi con la membrana plasmática. Las vesículas se forman en el TGN del aparato de Golgi y viajan hasta la membrana plasmática con quien se fusionan. Hay dos tipos de exocitosis: constitutiva y regulada. La exocitosis constitutivase produce en todas las células y se encarga de liberar moléculas que van a formar parte de la matriz extracelular o bien sirven para regenerar la propia membrana celular. Es un proceso constante de producción, desplazamiento y fusión, con diferente intensidad de tráfico según el estado fisiológico de la célula. La exocitosis regulada se produce sólo en aquellas células especializadas en la secreción, como por ejemplo las productoras de hormonas, las neuronas, las células del epitelio digestivo, las células glandulares y otras. En este tipo de exocitosis se liberan moléculas que realizan funciones para el organismo como la digestión o que afectan a la fisiología de otras células que están próximas o localizadas en regiones alejadas en el organismo, a las cuales llegan a través del sistema circulatorio, como es el caso de las hormonas. Las vesículas de secreción regulada no se fusionan espontáneamente con la membrana plasmática sino que necesitan una señal que es un aumento de la concentración de calcio. Además, necesitan ATP y GTP.
 Desde el TGN del aparato de Golgi salen vesículas con diferentes destinos. Hacia la membrana plasmática parten dos rutas. Una denominada exocitosis constitutiva, que poseen todas las células, y otra, exocitosis regulada, que está presente en las células secretoras. En esta última se necesita una señal, aumento de la concentración de calcio, para que se produzca la fusión de las vesículas con la membrana plasmática. Las otras dos rutas desde el TGN van hacia los endosomas, se forman mediadas por una cubierta proteica de clatrina, y hacia cisternas más próximas al lado cis del propio aparato de Golgi, se forman por mediación de cubiertas CPOI.
Las vesículas de la secreción regulada se acumulan en el citoplasma y cuando reciben la señal para su liberación se dirigen hacia regiones concretas de la membrana de la célula, luego es un proceso dirigido no sólo en el tiempo sino también en el espacio. Las células nerviosas representan un ejemplo extremo. Una vez empaquetadas las vesículas en el soma neuronal tienen que ser dirigidas hacia el terminal presináptico, que en algunas neuronas puede estar a centímetros de distancia. Además de las neuronas existen otras células polarizadas, como es el caso de las del epitelio digestivo, que poseen una parte apical y otra basal. Sería un desastre que las células epiteliales intestinales fusionasen las vesículas y liberasen las enzimas digestivas que contienen en la región de la membrana celular orientada hacia los tejidos internos y no hacia la luz del tubo digestivo. La direccionalidad del camino de estas vesículas está determinada por la orientación del citoesqueleto, el cual, mediante la intervención de las proteínas motoras, las transporta hasta su lugar de fusión apropiado.
Como se ha visto anteriormente existe una exocitosis constitutiva y otra regulada. Los dos tipos de exocitosis empaquetan moléculas diferentes, luego el complejo TGN debe arreglárselas para separar ambos tipos de cargas. Parece ser que las moléculas que no tienen una señal específica serán empaquetadas en vesículas de exocitosis constitutiva. Las proteínas del interior de estas vesícula son liberadas en el medio extracelular mientras que las integrales formarán parte de la membrana plasmática. En el caso de las vesículas de secreción regulada se forman inicialmente pequeñas vesículas que una vez en el citosol se fusionan entre sí para formar otras más grandes que permanecen en el interior celular hasta que llega una señal que permite la fusión con la membrana plasmática.
¿Cómo se seleccionan las moléculas para las vesículas de exocitosis regulada? El mecanismo se basa en la formación de agregados moleculares. Estos agregados están formados por las moléculas que serán liberadas y que tienen actividad fisiológica, así como por las enzimas que se encargan de su procesamiento. Hay que tener en cuenta que muchas de las moléculas que se liberan por exocitosis regulada son incorporadas a las vesículas en formas no activas, por ejemplo propéptidos, que son procesadas a sus formas activas una vez que las vesículas se han formado. Estos agregados están formados por moléculas que no han sido secuestradas por las vesículas cubiertas de clatrina, que van a los endosomas, ni por las vesículas cubiertas por COP-I, que se dirigen hacia el lado cis del aparato de Golgi.
 En el modelo de kiss-and-run (besa y corre) se propone que para la liberación del contenido vesicular no es necesaria una fusión completa de la vesícula con la membrana plasmática, sino una fusión de un área pequeña que forma un poro pasajero por donde se libera el contenido.
La liberación de moléculas al exterior celular supone la fusión de la membrana de la vesícula con la membrana plasmática, de la cual terminará por formar parte. Sin embargo, en base a las imágenes obtenidas con el microscopio electrónico se ha propuesto otro modelo de exocitosis denominado "besa y corre" (kiss-and-run). Aquí la vesícula no se fusiona completamente con la membrana sino que lo hace de una manera incompleta formando un poro que comunica el interior de la vesícula con el exterior celular por donde liberará su contenido. Posteriormente se cierra el poro quedando la vesícula vacía en el citosol. Este tipo de excocitosis se ha propuesto para las sinapsis y para las células cromafines.
 En la membrana plasmática se forman vesículas, endocitosis, que se fusionan con los endosomas tempranos. Desde estos orgánulos parten vesículas de reciclado que se fusionan con la membrana citoplasmática.  En los terminales presinápticos se produce un ciclo local de formación de vesículas y exocitosis. Se forman en la membrana plasmática lateral del terminal, se rellenan de neurotransmisor por transportadores y se fusionan con la membrana citoplasmática en la zona de fusión, densidad sináptica, liberando su contenido.
No todas las vesículas que se fusionan con la membrana plasmática provienen del aparato de Golgi. Los endosomas tempranos son orgánulos especializados en recibir vesículas formadas en la membrana plasmática, proceso denominado endocitosis. Tras su fusión con el endosoma parte del contenido vesicular es reciclado y llevado de vuelta a la membrana plasmática por medio de vesículas que se forman en el propio endosoma. Otro ejemplo lo tenemos en los terminales sinápticosdel sistema nervioso. Estos sitios de exocitosis están muy alejados del aparato de Golgi, localizado en el soma neuronal. La liberación de neurotransmisores en la sinapsis no puede depender en exclusiva del empaquetado de éstos en el TGN, sería una comunicación nerviosa muy ineficiente y demasiado lenta. En los terminales nerviosos existe un reciclado de vesículas que permite una exocitosis permanente e independiente del TGN. En el terminal presináptico se produce la exocitosis en la zona de liberación, mientras que en la membrana plasmática lateral del propio terminal se producen vesículas por invaginación que se volverán a llenar con neurotransmisores gracias a la existencia de transportadores específicos en sus membranas. Estas vesículas rellenadas sufren un nuevo proceso de exocitosis. Normalmente liberan neurotransmisores pequeños con vías de síntesis poco complejas. De este modo existe un proceso constante de exocitosis y formación de vesículas localizado en el propio terminal presináptico.
ENDOCITOSIS
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La endocitosis es el proceso de incorporación de moléculas al interior celular englobadas en vesículas.
La incorporación de las moléculas puede ser mediada por receptores, específica, o en disolución, inespecífica opinocitosis.
Hay diferentes tipos de endocitosis: recubierta por clatrina, en caveolas, en vesículas no recubiertas y por macropinocitosis.
La fagocitosis es una endocitosis especializada en incroporar grandes partículas como bacterias, virus y restos celulares.
La incorporación de sustancias externas por parte de las células animales es esencial para su supervivencia puesto que son heterótrofas. Ya vimos que algunas moléculas salvan la barrera que supone la membrana plasmática mediante difusión o a través de canales, mediante transportadores o por bombas ( Transporte a través 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 en 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.
 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 esta 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 formando 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 en la sangre y puede producir arterioesclerosis e infarto de miocardio.
 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 grupar 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.
Formación y fusión de vesículas.
Caveolas. Se describieron hace unos 50 años por P. Palade gracias 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. 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. 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. Moléculas como la toxina colérica, el ácido fólico y otras moléculas entran a la célula gracias a las caveolas. Además, son también un lugar de regulación de la comunicación celular puesto que contienen numerosos receptores en sus membranas que son eliminados de la superficie celular como los receptores tirosina quinasa. También participan en la incorporación de lípidos, incluso se han postulado en los mecanismos de supresión de algunos tumores.
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 protozoos utilizan este mecanismo para alimentarse. 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. Este proceso 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.
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