Atlas de histología vegetal y animal

LISOSOMAS
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1. Introducción Diversidad Descubrimiento Teoría celular Origen de la célula Endosimbiosis 2. Matriz extracelular Proteínas estructurales Glúcidos, proteoglicanos Glicoproteínas Tipos de matrices extracelulares 3. Membrana celular Lípidos Proteínas Glúcidos Permeabilidad, fluidez Asimetría, reparación Síntesis Transporte Adhesión Complejos de unión 4. Núcleo Envuelta nuclear Poros nucleares Cromatina Nucléolo 5. Tráfico vesicular Retículo endoplasmático Del retículo al Golgi Aparato de Golgi Exocitosis Endocitosis Endosomas Lisosomas En células vegetales 6. Tráfico no vesicular Peroxisomas Mitocondrias Cloroplastos 7. Citoesqueleto Filamentos de actina Microtúbulos Filamentos intermedios 8. Ciclo celular Fase G1 Fase S Fase G2 Fase M. Mitosis. 9. Meiosis Ampliaciones Cuestionarios Bibliografía Glosario	Los lisosomas son orgánulos donde se produce degradación de moléculas. La degradación es llevada a cabo por enzimas denominadas hidrolasas ácidas que tienen una alta actividad a pH ácido. Estos enzimas llegan a los lisosomas desde el TGN, con los endosomas tardíos siendo un paso intermedio. Hay tres vías para llegar a los endosomas: Endocítica: endosomas tempranos, cuerpos multivesiculares, endosomas tardíos y lisosomas Fagocitosis: fagosomas y fusión con los endosomas. Autofagia: orgánulos o contenido citosólico son englobados en vesículas o autofagosomas que se fusionan con los lisosomas. Los lisosomas pueden, bajo ciertas circustancias, liberar su contenido al exterior celular por exocitosis.  Las moléculas que se incorporan por endocitosis cuyo destino es la degradación serán conducidas hasta los lisosomas. Metchnikoff y sus colaboradores articularon a finales del siglo XIX la idea de que el material fagocitado era digerido en compartimentos intracelulares acidificados. Estos compartimentos fueron denominados lisosomas y aparecen en todas las células eucariotas. Son corpúsculos generalmente esféricos de dimensiones variables, con una unidad de membrana. Su pH interno es ácido, en torno a 5, y es en ese valor donde las enzimas lisosomales muestran su máxima actividad, por lo que se llaman hidrolasas ácidas. Se han encontrado aproximadamente 40 tipos de enzimas lisosomales que degradan proteínas (proteasas), lípidos (lipasas), sacáridos (glucosidasas) y nucleótidos (nucleasas). La membrana de los lisosomas protege al resto de la célula de esta actividad destructora, pero si ésta se rompiese el pH citoplasmático, próximo a 7,2, sería un obstáculo para la actividad de estas enzimas. No todos los lisosomas son iguales y pueden contener juegos diferentes de enzimas. Cualquier defecto en alguna de las enzimas que existen en los lisosomas puede acarrear graves consecuencias, puesto que los productos que ellas deberían degradar quedarían almacenados en la célula como productos residuales. Por ejemplo, la enfermedad de la glucogenosis tipo II. En estos individuos la β-glucosidasa, que cataliza la degración del glucógeno, está ausente y por ello hay grandes acúmulos de glucógeno en los orgános, que suelen ser letales. Los lisosomas reciben distintos nombres según el estado de degradación de las moléculas que contienen: primarios, secundarios y cuerpos residuales. Los cuerpos residuales contienen material que ya no puede ser degradado y quedan almacenados en el interior celular o, como veremos más adelante, se fusionan con la membrana plasmática expulsando dicho material el medio extracelular. Los lisosomas contienen transportadores de membrana específicos que van a permitir que los productos de la degradación, tales como aminoácidos, azúcares, nucleótidos, puedan ser transportados al citosol. Tambiénposeen en su membrana una bomba de protones para permitir su acidez interior. ¿Cómo se protegen las proteínas que se encuentran en la membrana de ser digeridas? Estas proteínas están fuertemente glucosidadas y parece que ello les proporciona protección. Hay tres vías por donde llegan a los lisosomas las moléculas que se tienen que degradar: a) Los lisosomas son considerados como la estación final de la vía endocítica. La mayoría de las moléculas que van a ser degradadas por esta vía tienen que pasar previamente por los endosomas. Las proteínas que no se reciclan de nuevo a la membrana plasmática o al TGN del aparato de Golgi desde los compartimentos endosomales son degradas en los lisosomas. La formación de los lisosomas es un asunto controvertido. Unos autores proponen que se forman por gemación o maduración a partir de los endosomas tardíos que ya contienen todas las enzimas degradativas necesarias así como las moléculas a degradar.Otros autores proponen que los lisosomas son orgánulos independientes de los endosomas y que reciben vesículas desde los endosomas o se producen fusiones entre endosomas tardíos y lisosomas. Para que las proteínas integrales de la membrana plasmática sean dirigidas a los lisosomas se ha de producir una ubiquitinación de su parte citosólica, es decir, la adición de una molécula denominada ubiquitina. Ello es necesario para que las proteínas de membrana interaccionen con la maquinaria de reparto que se encuentran en los endosomas y no vuelvan a la membrana citoplasmática en vesículas de reciclado. Las interacciones con diversos complejos proteicos mantienen a las proteínas ubiquitinadas en zonas limitadas de la membrana endosomal, que poseen una cubierta en la que está presente la clatrina. Todo ello hace que sean retenidas en los endosomas tempranos y depués transportadas a los cuerpos multivesiculares, a los endosomas tardíos, y de ahí a los lisosomas, donde se degradan. Este mecanismo afecta a receptores, transportadores, canales, etcétera. Los receptores que no son ubiquitinados pero sí endocitados, cuando llegan a los endosomas tempranos suelen reciclarse hacia la membrana celular. b) Las partículas obtenidas por fagocitosis siguen una vía propia. Las partículas como bacterias o restos celulares quedan en el interior celular englobadas por membrana formando un compartimento que madurará y se convertirá en el denominado fagosoma. La degradación de estas partículas se produce cuando se fusionan los fagosomas con los lisosomas. Autofagia c) Una tercera vía de llegada de moléculas a los lisosomas es la autofagia. Es un proceso ubicuo por el que los orgánulos deteriorados o material interno celular son eliminados. Pero además a los lisosomas han de llegar las hidrolasas ácidas encargadas de la degradación. Éstas se empaquetan en vesículas en el TGN del aparato de Golgi, las cuales se fusionarán con los endosomas tardíos y desde ahí llegan a los lisosomas. El mecanismo de selección de estas enzimas lo vimos en el apartado dedicado a los endosomas (ver figura =>). En el aparato de Golgi se añade a las enzimas lisosomales un grupo glucídico fosfatado, la manosa-6-fosfato, que es reconocido por un receptor en el TGN del aparato de Golgi. La interacción del dominio citosólico de este receptor con la cubierta de clatrina permite englobar al receptor más la hidrolasa en vesículas que se dirigirán hacia los endosomas tardíos, y desde ahí hasta los lisosomas. Aunque éste sea el mecanimso principal existen otras proteínas que no requieren la fosforilación de las manosas para ir a los lisosomas. Estas proteínas son las integrales de la membrana. Estas proteínas contienen una secuencia de aminoácidos de destino que se encuentra en la cara citosólica de la proteína. Se ha creído tradicionalmente que los lisosomas tienen una intercomunicación muy limitada en la ruta vesicular cuando se compara con cualquier otro compartimento membranoso y se han considerado como un compartimento terminal. Durante los últimos años se han ido acumulando evidencias acerca de otra función de los lisosomas: su capacidad de participar en una exocitosis regulada. Por ejemplo, en el hígado se secretan enzimas lisosómicas a la bilis. También se ha observado la exocitosis de orgánulos con características similares a los lisosomas como es el caso de los melanocitos (los gránulos de melanina que pasarán a los queratinocitos que darán el color moreno a la piel). El acrosoma de los espermatozoides, una vesícula cargada de numerosas enzimas hidrolíticas, se libera durante la fecundación. Se ha propuesto desde hace tiempo que las células eucariotas son capaces de eliminar las sustancias que no pueden degradas más y esto sería posible si los lisosomas terminan por expulsar su material cuando se fusionan con la membrana plasmática. En las células de mamíferos donde sólo se produce secreción constitutiva se ha visto que bajo ciertas condiciones pueden realizar exocitosis regulada, por ejemplo, por una elevación de la concentración de calcio intracelular, lo cual ocurre, por ejemplo, durante las pequeñas roturas de la membrana citoplasmática, como vimos en el apartado dedicado a las membranas (Asimetría y reparación). AUTOFAGIA 1. Introducción Diversidad Descubrimiento Teoría celular Origen de la célula Endosimbiosis 2. Matriz extracelular Proteínas estructurales Glúcidos, proteoglicanos Glicoproteínas Tipos de matrices extracelulares 3. Membrana celular Lípidos Proteínas Glúcidos Permeabilidad, fluidez Asimetría, reparación Síntesis Transporte Adhesión Complejos de unión 4. Núcleo Envuelta nuclear Poros nucleares Cromatina Nucléolo 5. Tráfico vesicular Retículo endoplasmático Del retículo al Golgi Aparato de Golgi Exocitosis Endocitosis Endosomas Lisosomas En células vegetales 6. Tráfico no vesicular Peroxisomas Mitocondrias Cloroplastos 7. Citoesqueleto Filamentos de actina Microtúbulos Filamentos intermedios 8. Ciclo celular Fase G1 Fase S Fase G2 Fase M. Mitosis. 9. Meiosis Ampliaciones Cuestionarios Bibliografía Glosario La autofagia es un proceso, presente en todas las células eucariotas, por el cual se eliminan moléculas y orgánulos intracelulares en los lisosomas. La palabra autofagia fue acuñada por C. de Duve en 1963 y significa comida (fagia) propia (auto). Este mecanismo se activa cuando hay algún tipo de estrés celular, infección por patógenos o malformaciones celulares internas. También existe un nivel basal de autofagia en células no estresadas que actúa como mecanismo de control de calidad en la célula eliminando aquello que resulte defectuoso. Así, participa en procesos naturales como en el metabolismo energético, reciclado de orgánulos, regulación del crecimiento, inicio del desarrollo embrionario, envejecimiento, etcétera. M´s de 30 genes se han identificado en levaduras que están implicados en la autofagia, entre los que destacan los genes Atg. Tipos Aunque el término autofagia se utiliza normalmente para hablar de macroautofagia hay que tener en cuenta que existen otros tipos de autofagia en las células: Macroautofagia. Proceso mediante el cual se engloban elementos citoplasmáticos en un compartimento delimitado por una doble membrana. Este compartimento resultante se denomina autofagosoma y se fusionará con un lisosoma donde se degrada su contenido, además de la membrana interna del autofagosoma. Microautofagia. En este caso la membrana del lisosoma forma pequeñas invaginaciones que se desprenden de la membrana y quedan en el interior del lisosoma, donde son degradadas. En estas invaginaciones se incorpora material citosólico. Autofagia mediada por chaperonas. Mediante este proceso se incorporan proteínas citosólicas al lisosoma gracias a un transportador localizado en la membrana del lisosoma. Crinofagia. Este proceso supone la fusión de vesículas destinadas a la exocitosis con el lisosoma. Macroautofagia. Tras la aparición del fagóforo se produce el cierre de sus membranas y se forma el autofagosoma, que está rodeado por una doble membrana. Tras esto, puede fusionarse con un endosoma formándose un anfisoma. En cualquier caso el paso final es fusionarse con un lisosoma para formar el autolisosoma, donde se degrada su contenido y la membrana interna. (Modificado de Klionsky 2007). Distintos tipos de autofagia. (Modificado de Eskelinen 2008) . Inducción y proceso La autofagia se estimula en una variedad de situaciones de estrés como la falta de alimento, la falta de factores de crecimiento, infecciones, estrés oxidativo o hipoxia. La autofagia se puede inducir experimentalmente, por ejemplo mediante la eliminación de aminoácidos de la dieta de la célula. También existe un proceso basal y permanente de autofagia en todas las células. El mecanismo mejor conocido es el de la macroautofagia. Comienza con la formación de una cisterna membranosa que crece en longitud denominada fagóforo o membrana de aislamiento. Estas membranas reconocen a las moláculas u orgánulos que van a ser degradados. Hay casos en que este caso de inducción es provocado por parte de la partícula u orgánulo que será degradado. Las membranas del fagóforo crecerá en extensión y terminará por unir sus extremos para formar un compartimento cerrado denominado autofagosoma. El autofagosoma puede recibir vesículas desde los endosomas o puede llegar a fusionarse directamente con ellos, tanto tempranos como tardíos. Los endosomas aportan proteínas lisosomales y bombas de protones, lo que va provocando la acidificación del fagosoma. Al compartimento resultante se le denomina anfisoma. Como último paso, el anfisoma se fusiona con los lisosomas permitiendo la degradación del contenido interno del autofagosoma junto con su membrana interna. Al compartimento que se crea tras la fusión se le denomina autolisosoma. Quedan dudas sobre el origen de las membranas del fagóforo. Hay dos posibilidades: que se forme a partir del retículo endoplasmático o como resultado de la fusión de vesículas intracelulares. Curiosamente las membranas del autofagosomas carecen de mebranas integrales. En las levaduras parecen originarse a partir de una estructura permanente, un compartimento perivacuolar denominado estructura preauofagosómica (PAS). Tampoco se sabe con exactitud si la macroautophagia es inespecífica o si también tiene capacidad de seleccionar a los orgánulos que va a incorporar en su interior. Funciones La autofagia en condiciones normales favorece el mantenimiento u homeostasis celular, mientras que en situaciones de estrés es una respuesta para la supervivencia celular en esas condiciones adversas. Papel en homeostasis Se sabe que en ausencia de cualquier tipo de estrés celular existe un proceso basal de autofagia. Es, junto con los proteosomas, el principal mecanismo de degradar contenido celular. Mientras que la ruta ubiquitina-proteosma se especializa en degradar moléculas jóvenes, la autofagia se ha especializado en degradar moléculas que tienen una vida larga. Pero además es la única vía que degrada orgánulos completos tales como mitocondrias, peroxisomas o retículo endoplasmático. Existe un mecanismo no selectivo, que es basal y permanente, y otro selectivo que elimina estructuras dañadas. Este mecanismo selectivo actúa como control de calidad, asegurando a la célula un sistema de orgánulos en buen funcionamiento. Algunas células a las cuales se les inhibe la autofagia se atrofian y mueren. En las plantas se ha demostrado también un nivel basal de autofagia, que cuando se inhibe provoca procesos de envejecimiento o senescencia acelerados, independientemente de las cantidades de nutrientes que añadamos. Es especialmente interesante destacar que la autofagia está alterada en enfermedades neurodegenerativas. Determinadas funciones tisulares, como la producción de surfactantes en pneumocitos II, neuromelanina en células dopaminérgicas, o la maduración de los eritrocitos dependen de la actividad autofágica. En las células musculares la autofagia tiene la misión de eliminar las mitocondrias defectuosas. La autofagia a veces lleva a la muerte celular como ocurre con las células mamarias, tras la lactancia. Papel en estrés El papel de la autofagia durante el estrés es favorecer la supervivencia de la célula, al menos a corto plazo. Lo que hace es degradar contenido intracelular de forma masiva con dos propósitos: disminuir el número de elementos que consumen energía y producir aminoácidos y otras moléculas para su uso en procesos esenciales. Sin embargo, la autofagia no es un proceso beneficioso a largo plazo, ya que si la situación de estrés se prolonga en el tiempo el proceso degradativo termina por deteriorar a la célula de manera irreversible. En realidad, lo que consigue es ganar tiempo durante una situación de estrés para que la célula o el organismo pueda contrarrestar dicho estrés. Las situaciones de estrés por las que se dispara la autofagia son diversos: Falta de alimentos. En los ratones todos los tejidos experimentan un aumento de la autofagia tras periodos de inanición, excepto el tejido nervioso. Los ratones que no tienen los genes para llevar a cabo la autofagia mueren tras el nacimiento, probablemente por el periodo sin alimento que tienen que soportar en ese momento. Hipoxia cardiaca. Durante una hipoxia cardiaca hay primero un corte en la circulación que conlleva un periodo de falta de suministro de oxígeno y nutrientes, seguido por un proceso de recirculación donde la sangre vuelve a fluir. Durante la isquemia o hipoxia, se dispara la macroautofagia debido a la falta de alimento y de oxígeno, lo cual tiene un carácter protector frente a la muerte celular. Infecciones. La macroautofagia es uno de los sistema de defensa celular más antiguos y es la primera línea de defensa frente a infecciones por protozoos, bacterias y virus. A la degradación de células extrañas por autofagia se le denomina xenofagia.