Bibliografía recomendada:
Karp, G. (2014). Biología Celular y Molecular. Capítulo 8. Temas 8.1, 8.3-6
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¿Cómo es que las proteínas correctas llegan a los lugares correctos?
Proteínas citoplasmáticas: Las proteínas que necesita el peroxisoma tienen una secuencia específica de aminoácidos llamada señal de importación peroxisomal. La señal clásica consiste solamente de 3 aminoácidos, serina-lisina-leucina, que se encuentra hasta el final (en el extremo carboxilo) de una proteína. Este patrón de aminoácidos es reconocido por una proteína auxiliar del citosol, la cual transporta la proteína al peroxisoma. Generalmente, la importación a la mitocondrial, el cloroplasto y el núcleo son similares a la importación peroxisomal. Es decir, ciertas secuencias de aminoácidos envían la proteína al orgánulo destino (o un compartimento dentro de dicho orgánulo). Sin embargo, la naturaleza de estas "etiquetas" es diferente en cada caso
PREGUNTA: ¿Cómo una proteína citosólica sabe que tiene que ir al núcleo? por ejemplo una DNA girasa
RESPUESTA: Una proteína citosólica sabe que debe ir al núcleo gracias a señales específicas en su secuencia llamadas señales de localización nuclear (NLS, por sus siglas en inglés). Estas señales son reconocidas por transportadores que la llevan a través de los poros nucleares.
Las proteínas que deben entrar al núcleo (como factores de transcripción, enzimas de reparación del ADN, etc.) siguen este proceso:
Señal de localización nuclear (NLS)
Es una secuencia corta de aminoácidos (generalmente rica en lisina y arginina) que actúa como “etiqueta” para el núcleo.
Ejemplo clásico: PKKKRKV (una NLS monopartita).
Reconocimiento por importinas
Las importinas son proteínas transportadoras que reconocen la NLS.
Forman un complejo con la proteína y la guían hacia el poro nuclear.
Transporte a través del poro nuclear
El complejo atraviesa el poro nuclear mediante un proceso activo dependiente de energía (GTP, vía Ran-GTP).
Liberación en el núcleo
Una vez dentro, la proteína se libera y puede realizar su función. En el caso de la DNA girasa, modificando el grado de enrrollamiento del DNA.
¿Cómo entran las proteínas en el retículo endoplasmático?
Las proteínas se transportan al RE durante la traducción si tienen una secuencia de aminoácidos llamada péptido señal. En general, las proteínas destinadas a organelos del sistema endomembranoso (como el RE, el aparato de Golgi o los lisosomas) o al exterior de la célula deben entrar al RE en esta etapa
Un péptido señal (dependiendo de proteína Sec, eucariota) tiene tres regiones distintas. Primero el n-región que tiene aminoácidos con carga positiva (Lys, Arg, His) o negativa (Asp, Glu),después la h-región que es hidrofóbica y por último la c-región con el sitio de reconocimiento por la peptidasa señal (SPase)
En algunos casos, el péptido señal se corta durante la traducción y la proteína terminada se libera hacia el interior del RE.
En el RE, las proteínas se pliegan en sus formas correctas y también pueden añadírseles grupos azúcar. La mayoría de las proteínas luego se transportan al aparato de Golgi en vesículas de membrana
¿Cómo se enhebran las proteínas transmembrana en el retículo endoplasmático?
En estos casos, el péptido señal u otra porción de aminoácidos hidrofóbicos se incrusta en la membrana del RE. Esto produce un segmento transmembranal (que atraviesa la membrana) que ancla la proteína a la membrana. ¿Por qué ocurre? veamos la siguiente imagen:
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¿Cómo son los aminoácidos que flanquean el dominio hidrofóbico?
Los aminoácidos que flanquean un dominio transmembrana hidrofóbico cumplen un papel crucial para orientar y estabilizar la proteína en la bicapa lipídica. En el lado citosólico (cara interna): Suelen ser cargados positivamente (lisina, arginina). Esto se conoce como la regla de las cargas positivas (positive-inside rule): las cargas positivas tienden a localizarse en el lado citosólico de la membrana. Ayudan a definir la orientación de la hélice transmembrana. En el lado luminal/extracelular (cara externa): Más frecuente encontrar residuos polares o neutros (serina, treonina, asparagina, glutamina). Favorecen la interacción con el entorno acuoso del lumen del RE o del espacio extracelular. En la transición entre la hélice hidrofóbica y el entorno acuoso: Aparecen residuos anfipáticos como triptófano y tirosina. Estos aminoácidos tienen carácter parcialmente hidrofóbico y parcialmente polar, lo que los hace ideales para situarse en la interfaz membrana-agua.
Video: 12 06 Translocación de proteínas. Ver a partir del min 2:47 para ver como se enhebran las proteínas transmembrana en la membrana del retículo endoplasmático.
Mantenimiento de la asimetría de la membrana: cuando cada proteína se sintetiza en el retículo endoplasmático rugoso, se inserta en la bicapa de lípidos con una orientación predecible determinada por su secuencia de aminoácidos. Esta orientación se mantiene mientras viaja en el sistema endomembranoso como se ilustra en la siguiente figura. Las cadenas de carbohidratos, que son las primeras agregadas en el RE (retículo endoplasmático) siempre van a estar dentro del RE, o del aparato de Golgi hasta que se fusionan con la membrana plasmática. En ese momento estarán hacia la matriz extracelular.
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Modificación de la composición de lípidos de las membranas
PREGUNTA: ¿Cómo los macrófagos detectan si una célula está envejecida?
RESPUESTA: Los macrófagos detectan células envejecidas porque estas cambian su “etiqueta molecular”: pierden señales de “no me comas” y muestran señales de “cómeme”, lo que activa la fagocitosis.
Mecanismos principales de detección:
1 Exposición de señales de eliminación (“eat me”)
La fosfatidilserina (PS): normalmente está en la cara interna de la membrana, pero en células envejecidas o apoptóticas se expone en la superficie. Esta molécula es reconocida por receptores de los macrófagos, desencadenando la fagocitosis.
2 Cambios en la membrana y en glicanos
Alteraciones en los azúcares de la superficie celular (glicanos) pueden ser detectadas por receptores de lectinas en macrófagos. Esto actúa como una “marca” de envejecimiento o daño.
Además existen otras señales...
3 Pérdida de señales protectoras (“don’t eat me”)
Las células sanas expresan proteínas como CD47, que envían una señal inhibitoria a los macrófagos. En células envejecidas o dañadas, la expresión de CD47 disminuye, lo que facilita que los macrófagos las reconozcan como eliminables.
4 Liberación de señales de peligro (DAMPs)
Las células senescentes liberan moléculas como HMGB1 o ATP extracelular. Los macrófagos tienen receptores de reconocimiento de patrones (PRRs) que detectan estas señales y activan la respuesta.
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Los distintos orgánulos celulares van a tener en su composición de fosfolípidos una "marca molecular":
El retículo endoplasmático, el aparato de Golgi y la membrana plasmática están constituídas por distintos porcentajes de fosfolípidos. Explicación pincha aquí
TGN Trans Golgi network -> CGN Cis Golgi network -> ERGIC Compartimento intermedio situado entre el reticulo endoplásmico y el aparato de Golgi -> COP coat proteins -> VTC cluster vesículo-tubular
Mantenimiento de la asimetría de membrana
Dirección de las enzimas lisosómicas a los lisosomas
Las SNAREs se dividen en V de vesículas y T en las membranas de los compartimentos blanco La escisión de los SNARE neuronales por las toxinas bloquea la liberación de neurotransmisores, lo que causa parálisis. Son los blancos de las toxinas bacterianas más potentes: el botulismo y el tétanos, que son proteasas que degradan los SNARE.
Las proteínas Rab sobre la vesícula y la membrana blanco participan en la atracción de proteínas fijadoras que median el contacto inicial entre las dos membranas. Proteínas fijadoras fibrosas: golginas y EEA1 Complejos multiproteicos: exoquiste y TRAPPI
El direccionamiento de las vesículas a un comportamiento particular se se realiza por selección de moléculas Snare y Rab
El direccionamiento de las vesículas a un comportamiento particular se se realiza por selección de moléculas Snare y Rab
Las proteínas SNARE de la vesícula sináptica y la membrana presináptica son los blancos de las toxinas botulínicas y tétanos que actúan como proteasas lo que bloquea la liberación de neurotransmisores causando parálisis
Gran parte de la especificidad es a travès de las Rab, activas unidas a GTP e inactivas unidas a GDP. Se relacionan con membranas mediante un ancla lipídica
La clatrina es una proteína que forma el recubrimiento de las microcavidades de membranas celulares donde se sitúan receptores de lipoproteínas. Son receptores de lipoproteínas (LDL)
La membrana que se ha formado por endocitosis sufre una serie de cambios en su camino al lisosoma
La unión del ligando al receptor favorece la formación de la vesícula endocítica. Esta vesícula se transforma a endosoma temprano con un pH alrededor de 6 por las Rab GTPasas 4 y 5
El pH ácido puede promover la disociación del ligando de su receptor
El ligando, el cual permanece en la vía, es degradado, mientras que el receptor entra a los endosomas de reciclamiento (donde se localiza Rab11) para regresar a la membrana celular
Las moléculas que son destinadas a su degradación entran en los endosomas tardíos que poseen un pH menor de 6 gracias a la GTPasa Rab7
Finalmente la molécula endocitada llega al lisosoma en donde se degradan
Video: self assembling virus El pH ácido puede promover la disociación del ligando de su receptor
Los diferentes tipos de endocitosis se pueden clasificar teniendo en cuenta los siguientes criterios:
El tipo de molécula que se internaliza (virus, toxina, ligando, receptor)
El componente que cubre la vesícula (clatrina, caveolina, flotilina, etc)
Mecanismo de escisión de la vesícula de la membrana
La participación del citoesqueleto de actin
El GTP es un nucleótido cuya base nitrogenada es la purina guanina. Su función es similar a la del ATP, dado que también es utilizado como moneda energética.
La presencia de GTPasas de la familia Rab contribuye a la diferenciación entre los distintos tipos de endosomas. Estas regulan la fusión de las vesículas a los endosomas
Vías de entrada en las células
Las partículas grandes pueden ser absorbidos por fagocitosis, mientras que la captación de fluido se produce por macropinocitosis. Numerosos cargos pueden entrar por endocitosis por mecanismos que son independientes de la proteína de la cubierta de clatrina y la GTPasa fisión, dinamina. Cargas más internalizados se entregan al endosoma temprano a través de vesículas (clatrina o caveolina-revestido vesículas) o intermedios tubulares conocidos como portadores de clatrina e independientes de dinamina (CLIC) que se derivan de la membrana plasmática. Algunas rutas pueden primero dirigirse a compartimentos intermedios (GEEC) enriquecidos en fosfatidilinositol con proteínas enriquecidas de principios endosomales
a endocitosis b fagocitosis
Las vesículas recubiertas de clatrina actúan para incorporar diferentes moléculas como por ejemplo el LDL (transporte de colesterol). Estas moléculas son reconocidas por proteínas específicas situadas en el bache de clatrina. A partir de la invaginación de una porción de la membrana plasmática son transportadas hasta los destinos intracelulares.
Endocitosis mediada por caveolas
Las caveolinas son proteínas estructurales que están asociadas a microdominios en la membrana plasmática, ricos en colesterol y esfingolípidos (balsas lipídicas)
Estas proteínas forman oligómeros que cubren las vesículas
Las vesículas son liberadas a estructuras llamadas caveosomas en el interior de la membrana plasmática
Estos endosomas es un nuevo tipo de organelos que tienen un pH neutro
Caveolas: Se trata de pequeñas (50-100 nanómetros) invaginaciones de la membrana plasmática en muchos tipos de células de vertebrados, especialmente en células endoteliales y adipocitos. Algunos tipos de células, como las neuronas, puede carecer por completo de caveolas.
Estas estructuras son ricas en proteínas, así como en lípidos como el colesterol y los esfingolípidos y tienen varias funciones en la transducción de señales.1 También se cree que desempeñan un papel en la endocitosis, oncogénesis, y la captura de determinadas bacterias patógenas y virus.2 3 4
Las caveolas son una fuente de endocitosis independiente de clatrina involucradas en la formación de complejos adhesivos.
Caveola: Uno de los mecanismos de los virus para entrar en la célula hospedadora se realiza mediante vesículas de caveolina
Macropinocitosis
Involucra la remodelación de grandes extensiones de membrana plasmática a través de cambios en el citoesqueleto de actina
Entre las proteínas involucradas: GTPasas, Rac y Cdc42 las cuales activan a la kinasa Pak1 encargada de regular la dinámica del citoesqueleto de actina. Además, Pak1 activa a la proteína Ctbp1 necesaria para el cierrre del macropinosoma
Composición lipídica de los endosomas su función y su papel en la organización del tráfico intracelular
Los endosomas no se distinguen solo por su contenido, sino por la identidad lipídica de sus membranas. Esa identidad es la que determina qué proteínas pueden unirse, qué rutas siguen y qué funciones cumplen. La composición lipídica define la “identidad” de cada tipo de endosoma. Cada compartimento endosomal tiene un perfil lipídico característico, especialmente en fosfoinosítidos:
Endosoma temprano → rico en PI3P
Endosoma de reciclaje → enriquecido en PI4P
Endosoma tardío → contiene PI(3,5)P₂
Lisosoma → otros fosfoinosítidos y baja cantidad de colesterol
Estos lípidos actúan como códigos moleculares que reclutan proteínas específicas.
Los lípidos reclutan proteínas efectoras que determinan la función. Cada fosfoinosítido atrae proteínas con dominios específicos:
PI3P recluta EEA1, Rab5 y proteínas de fusión → endosoma temprano
PI4P recluta proteínas de reciclaje → retorno a membrana plasmática
PI(3,5)P₂ recluta proteínas de maduración → transición a endosoma tardío y lisosoma
La membrana lipídica funciona como una plataforma selectiva que decide qué proteínas pueden unirse y qué procesos ocurren.
La composición lipídica dirige el tráfico vesicular ya que los lípidos regulan:
A) La curvatura de membrana. Colesterol y lisofosfolípidos facilitan la formación de tubulaciones para reciclaje. Fosfoinosítidos específicos favorecen la formación de vesículas de transporte.
B) La fusión y fisión de vesículas. Los lípidos determinan qué SNAREs y Rab GTPasas se reclutan. Esto decide si una vesícula se fusiona, madura o se recicla.
C) La maduración endosomal. La transición temprano → tardío → lisosoma es un cambio progresivo en la composición lipídica, no solo en proteínas o de la acidificación del compartimento del endosoma.
La composición lipídica organiza espacialmente la célula. Los endosomas actúan como hubs de señalización y distribución: Determinan qué receptores se degradan y cuáles se reciclan. Regulan la duración e intensidad de señales como EGFR o GPCR. Controlan la entrega de proteínas a membrana, Golgi o lisosomas.
¿Qué función tienen las rab GTPasas?
Las Rab GTPasas son uno de esos temas que, cuando los explicas bien, hacen que todo el tráfico intracelular cobre sentido. Son literalmente los “códigos postales” de la célula.
Función principal de las Rab GTPasas: Las Rab GTPasas son interruptores moleculares que regulan todo el tráfico vesicular dentro de la célula. Determinan qué vesícula va a dónde, cuándo se mueve, con qué se fusiona y qué proteínas se reclutan. Funcionan alternando entre: Rab-GTP (activa) y Rab-GDP (inactiva). Este ciclo controla la identidad y el destino de cada compartimento.
Una membrana “es” lo que su Rab dominante indica. Cada organelo del sistema endomembranoso tiene Rab específicas:
Rab5 → endosoma temprano
Rab7 → endosoma tardío
Rab11 → reciclaje
Rab1 → ER → Golgi
Rab6 → Golgi → membrana
Rab27 → gránulos secretores
Las Rab Son las coordinadoras maestras del transporte intracelular.: formación de vesículas; movimiento por microtúbulos o actina; tethering (acercamiento a la membrana diana); fusión vesicular (coordinación con SNAREs)
Cada Rab activa recluta un conjunto de proteínas efectoras que: guían la vesícula; regulan la curvatura;
organizan el citoesqueleto y controlan la maduración endosomal. Por ejemplo:
Rab5 recluta EEA1 y PI3-kinasa → endosoma temprano
Rab7 recluta RILP y proteínas de fusión → endosoma tardío
Controlan la maduración de los endosomas. La maduración endosomal es, en esencia, un cambio de Rabs. La transición Rab5 → Rab7 es el ejemplo clásico: Rab5 activa PI3P y recluta proteínas de endosoma temprano. Rab7 reemplaza a Rab5 y dirige la vesícula hacia el lisosoma
Aseguran especificidad en la fusión. Las Rab garantizan que: una vesícula solo se fusione con su membrana diana correcta, se eviten fusiones erróneas que desorganizarían la célula y son el equivalente molecular de un controlador aéreo.
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