Estudios de la Histología humana

citoplasma

Endocitosis, endosomas y lisosomas.

TRANSPORTE DE LAS PROTEÍNAS SECRETADAS REGULADAS.

Las proteínas que se van a descargar hacia el espacio extracelular de manera de contínua requieren también formación de vesículas cubiertas con clatrina. No se conoce la señal para su formación; sin embargo, se cree que el mecanismo es semejante al que ocurre en el caso de las proteínas lisosomales.

A diferencia de las vesículas que transportan enzimas lisosomales, los gránulos de secreción son bastante grandes y transportan muchas más proteínas que los receptores que hay en la superficie de la vesícula. Por añadidura, el contenido de los gránulos de secreción se condensa con el paso del tiempo a causo de la pérdida de líquido desde el interior de éstos (2-6t, 2-17ty 2-18e), durante este proceso de aumento de la concentración de las vesículas se conocen a menudo como vesículas de condensación. Más aún, los gránulos de secreción de las células polarizadas se quedan localizados en una región particular de la célula. Se conservan como cúmulos de gránulos de secreción que, como reacción a una señal particular se fusionan con la membrana celular para descargar su contenido hacia el espacio intercelular.

TRANSPORTE A LO LARGO DE LA VÍA CONSTITUTIVA.

Todas las vesículas que participan en el transporte no selectivo, como las que pasan entre el RER y la cara cis de Golgi, o entre la cisternas de apilamiento de Golgi, o incluso las que utilizan la vía constitutiva entre la CTG y la membrana plasmática, requieren también una vesícula cubierta (2-17t y 2-18e). Sin embargo, la cubierta está compuesta por un complejo coatómero, más que clatrina. Cada proteína del complejo coatómero se conoce como subunidad de proteína de cubierta (SUPC), cuyo ensamblaje a diferencia de lo que ocurre con la clatrina, requiere energía y se conserva con la vesícula hasta que llega a su pretendido blanco.

Endocitosis, endosomas y lisosomas

El proceso por medio del cuál una célula ingiere macromoléculas, partículas de material y otras sustancias desde el espacio extracelular se conoce como endocitosis. El material endocitosado queda encerrado en una vesícula apropiada para su volùmen. Si la vesícula es grande (>250 nm de diámetro), el proceso se conoce como fagocitosis (acto de comer de las células), y la vesícula es un fagosoma. Si la vesícula es pequeña (<150 b="" como="" conoce="" de="" di="" el="" endocitosis="" metro="" nbsp="" nm="" se="" tipo="">pinocitosis

 (acto de beber de la célula) y la vesícula será una vesícula pinocítica.

Mecanismos endocitósicos.

FAGOCITOSIS. El proceso de englobar grandes partículas de materia, como microorganismos, fragmentos celulares y células (p.ej. eritrocitos muertos) suele ser efectuado por células que se llaman fagocitos. Los mas frecuentes son los leucocitos llamados neutrofilos y monocitos. Cuando los monocitos dejan la sangre para efectuar su tarea de fagocitosis, se conocen como macrófagos.

Los fagocitos son capaces de introducir en su interior material particulado porque poseen receptores que reconocen ciertos aspectos de superficie del material que van a fagocitar o englobar. Dos de éstos aspectos de superficie mejor conocidos se derivan del estudio de la inmunología, y son las regiones constantes de los anticuerpos y una serie de proteínas que circulan en la sangre que se conocen con el nombre genérico de complemento. Como la región variable del anticuerpo se fija a la superficie del microorganismo, la región Fc se proyecta, apartándose de la superficie.

Macrófagos y neutrófilos poseen receptores Fc que se fijan a las regiones Fc del anticuerpo en el momento del contacto. Esta relación actúa como señal para que la célula extienda seudópodos, que rodean al microorganismo y lo introducen en su interior formando un fagosoma. El complemento de la superficie del microorganismo ayuda probablemente a la fagocitosis de manera semejante, porque los macrófagos poseen también receptores de complemento y su receptor activa al parecer a la célula para que forme seudópodos y englobe al microorganismo dañino.

PINOCITOSIS

Como la mayor parte de las células exportan sustancias hacia el espacio intercelular, añaden continuamente a la membrana plasmática las memebranas de las vesículas que transportan estas sustáncias desde la cara trans de Golgi. Estas células, con objeto de conservar su forma y su tamaño, deben retirar contínuamente el exceso de membrana y devolverlo hacia el interior para su reciclaje. Este ciclo de exocitosis y endocitosis se conoce como tráfico de membrana, y se refiere al movimiento de membranas hacia diversos compartimientos de las células y desde los mismos.

Cualquiera que sea la ruta de endocitosis, las vesículas formadas en la membrana plasmática se fusionarán con unos orgánulos denominados endosomas o, como en el caso de la fagocitosis y de la macropinocitosis, formarán un orgánulo similar a ellos. Los endosomas son unos compartimentos membranosos que presentan una forma irregular, generalmente con aspecto de grandes "bolsas" y a veces también forman túbulos membranosos. Se comportan en la vía de endocitosis de manera similar a como lo hace el TGN (trans Golgi network) en la vía de exocitosis, es decir, son una estación de llegada, clasificación y reparto de moléculas que se comunica con otros compartimentos de la célula. A los endosomas llegan las vesículas que provienen de la membrana plasmática ví endocitosis y las que provienen del TGN del aparato de Golgi. Desde los endosomas salen vesículas de reciclado hacia la membrana plasmática y hacia el aparato de Golgi llevando de vuelta sobre todo membrana y receptores transmembrana, mientras que el resto de las moléculas sigue su procesamiento hacia los lisosomas.

Hay dos propuestas sobre la organización del compartimento endosomal:
a) Se propone la existencia de diferentes tipos de endosomas que son estables: endosomas tempranos próximos a la membrana plasmática que reciben las vesículas de endocitosis;endosomas de reciclaje desde los que parten vesículas a la membrana plasmática y al aparato de Golgi; cuerpos multivesiculares o endosomas tardíos localizados en zonas más internas de la célula, que reciben vesículas cargadas de hidrolasas ácidas desde el TGN del aparato de Golgi, y envían otras recicladas de vuelta al TGN, y que terminan fusionándose con los lisosomas para la degradación de las moléculas y vesículas que contienen. Todos estos tipos de endosomas estarían comunicados por vesículas.
b) Unasegunda teoría propone que la convergencia y fusión de las vesículas de endocitosis crean endosomas próximos a la membrana que se desplazarían hacia el interior celular. Durante su trayecto van madurando y recibiendo vesículas desde el TGN y produciendo vesículas de reciclado hacia la membrana plasmática y al TGN, y finalmente se convierten en los lisosomas o se fusionan con ellos. De manera que todos los tipos de endosomas descritos son sólo estados de un proceso continuo de maduración. Todavía no está resuelto cual de las dos propuestas es la correcta, o si ambos mecanismos actúan simultáneamente. Sin embargo, los datos más recientes apuntan al modelo de maduración.

Tipos de endosomas y principales rutas de comunicación vesicular en las que participan.

Los endosomas tempranosson los encargados de recibir las vesículas de endocitosis. Desde ellos o desde losendosomas de reciclaje 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. No está totalmente clara la diferencia entre los endosomas tempranos y los de reciclaje. 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. Normalmente la salida de estas vesículas recicladas se realiza en un dominio del endosoma físicamente segregado del resto del espacio endosomal. 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 donde parten complejos membranosos que forman los cuerpos multivesiculares, otro desde el que parten vesículas al aparato de Golgi y algunos autores proponen la existencia de otros menos conocidos.

Los cuerpos multivesiculares y posteriormente los endosomas tardíos 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 TGN del aparato de Golgi empaquetadas en vesículas. La acción de las bombas de protones localizadas en las membranas de estos endosomas irán acidificando progresivamente el pH interno y por tanto favoreciendo la acción de las hidrolasas ácidas, cuya actividad óptima se da a un pH próximo a 5, el cual se alcanza ya en los lisosomas. Desde los cuerpos multivesiculares y desde los endosomas tard&iaute;os se producirá reciclado mediante vesículas hacia endosomas tempranos y hacia el TGN del aparato de Golgi.

Cuerpo multivesicular típico (indicado con la cabeza de flecha) en una dendrita de una motononeurona el núcleo del nervio hipogloso. El cuerpo multivesicular tiene numerosas vesículas internas y está localizado próximo a una sinapsis. Barra de escala = 250 nm. El tejido se procesó como se describe en Rind et al., 2005. Post: elemento postsináptico, dendrita; Pre: elemento presináptico, axón; m: mitocondria; v: vesículas; CS: contacto sináptico. (Foto cedida por Chris von Barthels. Department of Physiology and Cell Biology, University of Nevada School of Medicine. USA)

Los cuerpos multivesicularesse definen primeramente por criterios morphologógicos. Son orgánulos redondeados con 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. Los cuerpos multivesiculares pueden estar rodeados por compartimentos tubulares o conectados a ellos. Se mueven dentro de la célula por microtúbulos. El aspecto multivesicular que se observa a microscopía electrónica de los cuerpos multivesiculares se debe a que en sus membranas se producen invaginaciones que resultarán en vesículas en su interior. 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. Como dijimos anteriormente los endosomas tardíos se forman por maduración de los cuerpos multivesiculares. Las moléculas del interior de un cuerpo multivesicular pueden tener tres destinos: liberadas al medio extracelular, de vuelta a la membrana o degradarse en los lisosomas. El segundo proceso, denominado también y se llama back-fusion se ha encontrado en las sinpasis de las neuronas, y es interesante puesto que podría suponer un papel de almacen para los MVB. De hecho es raro que sean tan frecuentes en el lado postsináptico.

Ruta de las hidrolasas ácidas. Estas enzimas se sintetizan en el retículo endoplasmático (1) y son trasladadas hasta el aparato de Golgi (1) donde se le añade un grupo fosfato a un residuo de manosa (2). En el TGN esta manosa-6-fosfato es reconocida por receptores específicos (3), receptor-hidrolasa son englobados en vesículas (3) y transportados hasta los cuerpos multivesiculares y endosomas tardíos. En estos orgánulos hay una acidez mayor que hace que la hidrolasa se desligue de su ligando (4). El receptor es devuelto al TGN en vesículas de reciclado (5).

El empaquetado en vesículas de las hidrolasas ácidas, necesarias para la degradación en los lisosomas, se produce en el TGN gracias a un mecanismo de reconocimiento por receptor. Así, estas enzimas 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 TGN 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 TGN 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 TGN del aparato de Golgi.

Formación y fusión de vesículas.

El destino de las moléculas del interior de los endosomas tardíos 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.

En algunos tipos celulares existe una ruta vesicular adicional denominada transcitosis. En estas células las moléculas unidas a receptor que llegan 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, donde se fusionan y liberan su contenido al espacio extracelular. Esta ruta suele darse en las células polarizadas como las epiteliales. Así, se incorporan moléculas unidas a sus receptores en vesículas formadas en la membrana apical que se fusionan con los endosomas y desde aquí el complejo ligando-receptor es de nuevo empaquetados en otras vesículas que viajan hasta las membranas plasmáticas basales y laterales de la célula donde se fusionan y liberan su contenido. Por este mecanismo se incorporan elementos como el hierro en el organismo, que va asociado a una molécula denominada transferrina.

Liberación de las vesículas internas de los cuerpos mutivesiculares por fusión con la membrana plasmática, que una vez en el exterior celular se denominan 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. Los cuerpos multivesiculares, en vez de convertirse en lisosomas, se fusionan con la membrana plasmática liberando sus vesículas internas (de 30 a 60 nm de diámetro) al espacio extracelular. 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.

ENDOCITOSIS MEDIADA POR RECEPTORES

Muchas células se especializan en la pinocitosis de diversos tipos de macrocélulas. La forma más eficiente para capturar a estas sustancias depende de la presencia de proteínas receptoras (receptores de carga) en la membrana celular. Los receptores de carga son proteínas transmembranales que se relacionan con la macromolécula en particular (ligando) a nivel extracelular y con una cubierta de clatrina a nivel intracelular ( 2-19e).

El ensamblaje de trisqueliones de clatrina por debajo de los receptores de carga forma una fosita cubierta por clatrina (2-20t y 2-21t), que acaba por convertirse en vesícula pinocítica, que encierra al ligando y lo desplaza hacia el interior de la célula. Este método se conoce como endocitosis mediada por receptor. Permite a la célula incrementar la concentración del ligando (como lipoproteína de baja densidad) dentro de la vesícula pinocítica.

Tiene interés señalar que una vesícula pinocítica típica puede tener hasta 1000 receptores de carga de diversos tipos, puesto que puede fijar diferentes macromolèculas. Cada receptor de carga se enlaza con su propia adaptina, proteína con un sitio de fijación para la porción citoplasmáitca del receptor, y un sitio de fijación para el trisquelión de clatrina.

ENDOSOMAS

Poco después de su formación, las vesículas pinocíticas pierden su cubiertas de clatrina (que vuelven a la reserva de los triqueliones de clatrina en el citosol) y se fusionan con endosomas tempranos ( 2-19e y 2-22t), sistema de vesículas y túbulos que se encuentran cerca de la membrana plasmática. Si requiere degradación todo el contenido de la vesícula pinocítica, el material de cada endosoma temprano se transferirá a un endosoma tardío.

Funciona este grupo similar de túbulos y vesículas, localizado a mayor profundidad en el citoplasma cerca del aparato de Golgi, en la preparación de su contenido para la destrucción final de los lisosomas.

Los endosomas tempranos y tardíos constituyen el compartimiento endosómico. Las membranas de todos los endosomas contienen bombas de H ligadas al ATP que acidifican el interior de los endosomas al bombear de manera activa iones de H hacia ellos, de modo que el endosoma temprano tiene un PH de 6.0, en tanto que el tardío lo tiene de 5.5.

El material que entra en el endosoma temprano se puede recuperar desde dicho compartimiento y devolverse a su localización previa. Sucede así con los receptores de carga que necesitan recircular. Cuando la vesícula pinocítica se fusiona con el endosoma temprano, el ambiente ácido produce desacoplamiento del ligando desde su molécula receptora. El ligando se conserva dentro de la luz del endosoma temprano, en tanto que las moléculas receptoras (p. ej.: receptores de Lipo proteínas de baja densidad: LBD) se devuelven a la membrana plasmática. Algunos autores se refieren a este tipo de endosoma temprano como CDRL (Compartimiento para el desacoplamiento de receptor y ligando) (2-19e y 2-22t).

En plazo de pocos minutos después de entrar el endosoma temprano, el ligando se transfiere hacia un endosoma tardío (como en el caso de las lipoproteínas de baja densidad) o se empaca para devolverse hacia la membrana celular, sitio en el que descarga (p. ej.: transferrina) hacia el espacio extracelular. En ocasiones se transfieren tanto el receptor como el ligando (p. ej.: factor de crecimiento epidérmico y su receptor) hacia el endosoma tardío para su degradación final.

No ha podido dilucidarse el transporte entre los endosomas temprano y tardío. Algunos autores sugieren que los endosomas tempranos migran hacia una localización más profunda dentro de la célula y se vuelven endosomas tardíos. Otros sugieren que estos son dos compartimientos separados, y que hay vesículas endosómicas portadoras que transportan el material desde los endosomas tempranos hacia los tardíos. Se cree que se trata de grandes vesículas que contienen numerosas vesículas pequeñas, que se han identificado como cuerpos multivesiculares. Ambos conceptos reconocen la presencia de un sistema de microtúbulos a lo largo del cual el endosoma temprano o la vesícula endosómica portadora se abren camino hacia el endosoma tardío.

LISOSOMAS

El contenido de los lisosomas tardíos se descarga para la digestión enzimática en la luz de organitos especializados llamados lisosomas (2-22t y 2-23t). Cada lisosoma tiene forma redonda o es polimorfo. Si diámetro promedio es de 0.3 a 0.8 micras, y contiene por lo menos 40 tipos diferentes de hidrolasas ácidas, como sulfatasas, proteasas, nucleasas, lipasas y glucosidasas, etc. Como todas estas enzimas requieren un ambiente ácido para su funcionamiento óptimo, las membranas lisosómicas poseen bombas de protones que transportan de manera activa a los iones H hacia el lisosoma, con lo que conservan de esta manera su luz a un PH de 5.0 (fig. 2-19e).

Los lisosomas funcionan en la digestión no solo de macromoléculas, microorganismos fagocitados, desechos célulares y células, pues tambien lo hacen con los organitos en exceso o envejecidos como las mitocondrias y el RER.