Exocitosis Kine 2011 - U

Tráfico de Proteínas: Ruta
Exocítica
Sergio Cabrera
Programa de Biología Celular y Molecular
Kinesiología 2011
Células eucariotes tienen un sistema elaborado de estructuras membranosas
internas:
ORGANELOS
Cada organelo:
•Tiene una composición única de (glico)proteínas y (glico)lípidos).
•Está formado por uno o más compartimentos de membrana.
•Desempeña funciones particulares.
•Puede actuar de manera autónoma o cooperativa para desarrollar una función.
• Sistema de endomembranas celulares:
•Envoltura nuclear
•Retículo endoplásmico
(liso/rugoso)
•Aparato de Golgi
•Endosomas
•Lisosomas
Hay traspaso de
material entre estos
compartimentos,
mediante
VESÍCULAS DE
INTERCAMBIO.
•Figura 12-1 El Mundo de la Célula(Pearson Educación 2006)
• 1. ¿Donde se sintetizan las
membranas de los compartimientos?
• 2.¿Cómo se originan y mantienen los
compartimentos celulares?
• 3.¿Qué ocurre en cada
compartimento?
• 4.¿Cómo se mueven las moléculas
entre los compartimentos?
1. ¿Donde se sintetizan las
membranas de los
compartimientos?
LÍPIDOS
LÍPIDOS
• Para la biosíntesis de lípidos, los
precursores están en el citosol, y las
enzimas que catalizan el proceso están en
la membrana del REL
(con su sitio-activo hacia el citosol).
• Los lípidos se sintetizan en la CARA
CITOSÓLICA de la membrana del REL.
• ¿Cómo pasan al otro lado de la membrana?
• Con ayuda de enzimas llamadas
FLIPASAS.
2.¿Cómo se originan y
mantienen los
compartimentos
celulares?
♦
de novo”:
Los organelos no pueden formarse “
♦
Requieren información del organelo original.
♦
Durante la división celular, las células primero “agrandan”
sus organelos por incorporación de nuevas moléculas a los
organelos originales, que luego se dividen y son repartidos
en las dos células hijas.
♦
Por lo tanto, los organelos no pueden desarrollarse de la
nada!!
♦
Los LÍPIDOS que forman las membranas se generan en el
retículo endoplásmico liso.
♦
Las PROTEÍNAS de los organelos se sintetizan en
ribosomas asociados al retículo endoplásmico rugoso o en
polirribosomas libres del citosol
PROTEÍNAS
• Sitio de síntesis
Polirribosomas libres
CITOSOL
Destinación
Citosol
Citoesqueleto
Núcleo
Mitocondrias
Cloroplastos
Peroxisomas
Enzimas de la Glicólisis
RER
del citosol; continuación en
REL
polirribosomas asociados al RER
Aparato de Golgi
Lisosomas
Membrana plasmática
Proteínas de secreción
Inicio en polirribosomas libres
Si todas las proteínas inician su síntesis en
polirribosomas libres del citosol, ¿qué mecanismo
las guía posteriormente hasta el
compartimento donde deben ejercer su
función?
• SEÑALES DE DESTINACIÓN:
• Están en la secuencia peptídica de la
proteína, y son señales de exporte del citosol
(al núcleo, RE, mitocondrias, cloroplastos,
peroxisomas).
• Las proteínas que no tienen estas señales
son retenidas en el citosol.
• Son secuencias de 15-60 aminoácidos,
generalmente en el extremoN-terminal de las
proteínas.
• También hay señales de destinación del RE
hacia otros compartimentos celulares
• Hay 3 mecanismos por los cuales las
proteínas se mueven de un compartimento a
otro:
• Transporte regulado: transporte entre citosol y núcleo a
través del PORO NUCLEAR. El poro permite la difusión
pasiva de moléculas pequeñas, pero regula el importe
activo de macro moléculas o agregados macromoleculares.
• Transporte transmembrana: transporte facilitado por
PROTEÍNAS TRANSLOCADORAS presentes en las
membranas. Proteínas sintetizadas parcial o totalmente en
el citosol son así incorporadas a las membranas de los
organelos donde ejercerán su función. Proteínas deben
desplegarse durante el proceso y volver aplegar se
correctamente una vez que quedan incorporadas en la
membrana. Ej: Incorporación de proteínas a la membrana
mitocondrial, o al RER.
• Transporte vesicular: transporte de proteínas solubles de
un compartimento a otro, utilizando VESÍCULAS
TRANSPORTADORAS. Ej:Transporte entre el RE y el
aparato de Golgi
3.¿Qué ocurre en cada uno
de los compartimentos
celulares?
Retículo Endoplásmico
Red continua de sacos aplanados, túbulos y vesículas que se
distribuyen por todo el citoplasma de las células. Tiene
continuidad estructural con la envoltura nuclear
Retículo Endoplásmico Liso (REL):
No presenta ribosomas; sus cisternas son
tubulares; es muy abundante en células que
sintetizan hormonas esteroidales y en
músculo esquelético.
Retículo Endoplásmico Rugoso
(RER): Tiene ribosomas unidos a su cara
citosólica; sus cisternas son aplanadas; es
muy abundante en células con activa síntesis
proteica (ej:células secretoras).
Funciones del REL
• Sintetiza ácidos grasos y fosfolípidos (triglicéridos, fosfoglicéridos, ceramidas y esteroides).
• Sintetiza hormonas esteroidales.
• Tiene enzimas que detoxifican compuestos hidrófobos, como pesticidas y agentes cancerígenos,
al convertirlos químicamente en productos conjugados más hidro solubles, que pueden ser excretados
del organismo. Es abundante en los hepatocitos.
• En los hepatocitos tiene enzimas de membrana que participan en la degradación del glucógeno
(glucogenolisis).
• Reservorio de calcio intracelular; liberación controlada de calcio al citosol en respuesta a estímulos
extracelulares. Muy abundante en músculo esquelético y fundamental en contracción muscular.
REL
RER
REL en el metabolismo del Glicógeno
RER funciones
•Funciones del RER
• Sintetiza y almacena proteínas de la ruta exocítica.
Sintetiza determinadas proteínas de membrana plasmática
y de los organelos y casi todas las proteínas secretadas por
la célula.
• Es especialmente abundante en células secretoras:
células plasmáticas que sintetizan los anticuerpos
circulantes y células acinares pancreáticas que
sintetizan enzimas digestivas.
• Modificaciones post- traduccionales: inicio de
glicosilación; plegamiento correcto y ensamblaje de
proteínas multiméricas por formación de puentes disulfuro.
• Control de calidad: sistema de reconocimiento y envío a
degradación de proteínas mal plegadas.
Membrana del RER
Citosol
Lumen del RER
Ápice
Base
RER
Control de calidad del RER
Aparato de Golgi
• Red de cisternas aplanadas de
membrana, apiladas. Cada agrupación
(de 3 - 8 cisternas) se llama PILA DE
GOLGI o DICTIOSOMA.
•La red CIS GOLGI es la región del
Dictiosoma más cercana al RER
(recibe vesículas cargadas que vienen
del RER).
• La red TRANS GOLGI es la región del
dictiosoma más cercana a la membrana
plasmática (de ella emergen vesículas
desecreción que llevan proteínas
procesadas hacia la MP, los endosomas
y los lisosomas).
• Las CISTERNA CIS – INTERMEDIAS Y
TRANS GOLGI: son regiones bioquímicamente distintas.
Cada una tiene enzimas diferentes que
le permitirán cumplir funciones
determinadas.
Funciones del Aparato de Gol
•Selección y destinación de proteínas provenientes del RER.
•N-Glicosilación terminal de glicoproteínas provenientes del RER.
•O-glicosilación de proteínas
•Glicosilación de lípidos provenientes del REL.
•Síntesis de heteropolisacáridos de matriz extracelular (glicosaminoglicanos).
•Síntesis de polisacáridos de pared celular en células vegetales (hemicelulosa,pectinas).
•Maduración o conversión proteolítica de proteínas.
•Las glicosilaciones ocurren sólo en la
cara interna (lumen) del RE y el Golgi →
en el caso de las proteínas que vayan a
insertarse en la MP, esa región quedará
expuesta al EXTRACELULAR. La
presencia de glicosilaciones sólo en el
extra celular de la MP contribuye a la
asimetría de la membrana.
•N-glicosilación: adición de oligosacárido
a residuos Asparagina(Asn,N) de las
proteínas. Ocurre entre RE y Golgi.
•O-glicosilación: adición de oligosacárido
a residuos Serina o Treonina de las
proteínas. Ocurre sólo en el Golgi
N-glicosilación se inicia en el RER
Proteína
Se le unen 14 monómeros
a un átomo de nitrógeno
de una Asparragina
Glicosilación de las Proteínas
en el R E R
¿De donde aparece
este oligosacárido?
Oligosacárido es sintetizado
en la cara CITOSÓLICA del
RER, sobre la molécula de
DOLICOL.
Posteriormente ocurre una
translocación por una flipasa,
y el oligosacárido queda en
la cara luminal del RER,
listo para ser transferido a
una proteína.
Fig 12-7 El Mundo de la Célula (Pearson Educación 2006)
En los distintos compartimentos del Golgi ocurre el procesamiento final de
la N-glicosilación
En el Golgi también ocurre la MADURACIÓN de proteínas por proteólisis
En las vesículas de secreción del trans-Golgi algunas proteínas (albúmina
sérica, insulina, glucagón) sufren un proceso de maduración o conversión
proteolítica llevado a cabo por “proteasas”
4. ¿Cómo se mueven las
moléculas entre los
compartimentos celulares?
Tránsito de proteínas en el sistema de endomembranas
Fig 12-8 El Mundo de la Célula(Pearson Educación 2006)
Descarga continua de vesículas en
la membrana plasmática.
CONSTITUTIVA
Vía Exocítica
Exocitosis
Secreción
Desplazamiento de
proteínas desde el RE
y a través del Golgi
hasta las vesículas
de secreción que
descargan su contenido
al exterior
REGULADA
Ej: Secreción de mucus por células
intestinales, secreción de componentes
de la matriz extra celular.
Descarga rápida y controlada de
vesículas,
Generalmente en respuesta a una señal
extracelular. Vesículas se acumulan en las
cercanías de la membrana plasmática y sólo
se fusionan con ella y liberan su contenido
cuando reciben una orden extracelular
específica.
Ej: Liberación de neuro transmisores en
terminales nerviosos por despolarización de
la membrana plasmática.
Proteínas de secreción CONSTITUTIVA O REGULADA
Ruta exocítica requiere:
• Síntesis de la proteína secretable o de membrana (inicio en
poli rribosomas libres en el citosol, continuación en la
membrana del RE).
• Tránsito RE – Golgi para su maduración.
• Destinación de las vesículas de secreción a la región
adecuada de la membrana plasmática ( fundamental en células
polarizadas: epitelios, neuronas).
•Fusión de las vesículas con la membrana plasmática y
liberación de su contenido al medio extracelular
¿En qué momento las proteínas se anclan a su membrana blanco?
Proteínas que se traducen en
polirribosomas citosólicos:
Translocación post-traduccional
(primero se sintetiza la proteína y luego
se inserta en la membrana blanco).Ej:
•Núcleo
•Mitocondrias
•Cloroplastos
•Peroxisomas
Proteínas que se traducen en
polirribosomas asociados al R E:
translocación co-traduccional
(apenas se inicia la síntesis de la
proteína, ésta se transloca a la
membrana del RE y sigue traduciéndose en este sitio).Ej:
• Proteínas de la ruta exocítica
¿Cómo se translocan las proteínas de la ruta exocítica desde los
polirribosomas libres a la membrana del RE?Teoría del “péptido señal”
(Blobel & Sabatini)
•Péptido señal (secuencia de amino ácidos en la proteína naciente)
•SRP(signal-recognition particle). Proteína que reconoce al péptido señal. Transita entre el citosol y la
membrana del RE.
•Receptor para SRP. Está en la membrana del RE.
•Translocón. Complejo multiproteico que forma un poro hidrofílico para el ingreso de la proteína
naciente al RE.
Síntesis de proteína secretable
Síntesis de proteína con un paso transmembrana
Síntesis de proteína transmembrana multipaso
Moléculas “transitan” entre organelos intracelulares
dentro de VESÍCULAS DE INTERCAMBIO
→ Las vesículas emergen de la superficie de un organelo, viajan y se fusionan con
la membrana del organelo receptor.
→ Las vesículas transportan lípidos y proteínas de membrana, así como moléculas
solubles
Los orgánulos y las vesículas que los conectan forman un sistema único de membrana y espacios
Internos al servicio del metabolismo celular. Moléculas “transitan” entre organelos intracelulares
dentro de VESÍCULAS DE INTERCAMBIO
Las proteínas solubles y de membrana sintetizadas en el RER deben dirigirse a distintos
compartimentos celulares. Cada proteína tiene una SEÑAL DE DESTINACIÓN o “etiqueta”
que indica en qué tipo de vesícula debe ser incluida o excluida, o en que compartimento
debe ser retenida.
Señales de destinación:
•Secuencia de aminoácidos. Ej: Señales de destinación al
polo baso lateral; Señales de recuperación al RER (KDEL)
•Cadenalateraldeoligosacáridos
•Dominio hidrofóbico. Ej: proteínas de membrana del Golgi
Todas las proteínas residentes del Golgi son
transmembrana; la retención en una región particular del
Golgi dependerá del tamaño del segmento transmembrana: si
es pequeño se quedará en el cis-Golgi y si es más grande se
retendrá en las cisternas trans Golgi (esto porque el grosor
de la membrana aumenta desde el RE hacia la membrana
plasmática).
Múltiples PROTEÍNAS comandan el tráfico de vesículas dentro de la célula
•Las proteínas confieren a cada organelo sus características
estructurales y funcionales.
•Las proteínas sirven como señales de reconocimiento que incluyen o excluyen
material en las vesículas que serán transportadas.
•Las proteínas sirven como marcadores de superficie “organelo-específicos”
para dirigir el flujo de vesículas hacia el compartimento apropiado.
•Las proteínas favorecen la formación de las vesículas, y su fisión y fusión.
VESÍCULAS RECUBIERTAS (“coated vesicles”) Lasvesículas
de transporte se forman en regiones especializadas de las
membranas de los organelos,recubiertas de proteínas
específicas
Hay 3 tipos de vesículas recubiertas:
•Recubiertas de clatrina ( MP , Golgi-endosomas)
•Recubiertas de COPI (Golgi)
•Recubiertas de COPII (RE)
Ensamblaje / desensamblaje de la cubierta de vesículas
El ensamblaje de los complejos
adaptadores con las proteínas de
cubierta genera la fuerza para la
formación de la vesícula
Proteínas transmembrana
Proteínas solubles (“cargo”)
Receptor “cargo”
Proteínas adaptadoras
Proteína de cubierta
Vesícula
Dinámina y sus proteínas asociadas
participa en el “estrangulamiento” y la
fisión (“pinching off”) de la membrana
para liberar las vesículas
Selección de la “carga” de una
vesícula es generalmente regulada
Viajan en una vesícula
proteínas que tienen
SEÑALES, y no proteínas
“por defecto”
Además, unicamente
las plegadas en forma
correcta
•
Tráfico “por defecto”
En células no polarizadas, muchas
proteínas sintetizadas llegan a la
membrana plasmática POR DEFECTO, a
menos que tengan señales específicas
que las dirijan a compartimentos
determinados
“Flujo retrógrado”: Cómo el retículo endoplásmico RECUPERA sus proteínas
residentes
Las proteínas residentes del RE que han pasado al Golgi tienen en su región C-terminal
una secuencia KDEL, que es reconocida por un receptor que las devuelve al RE dentro
de vesículas
EXOCITOSIS: Transporte desde la red trans-Golgi hacia el exterior
Formación de vesículas
secretoras
Las proteínas secretables se
concentran en las vesículas
secretoras por dos mecanismos
•Selección y acumulación en vesículas
inmaduras que emergen del trans-Golgi.
•Eliminación de membrana y material nosecretable por flujo vesicular retrógrado
Vesículas secretoras permanecen cerca de la superficie celular
esperando la señalización para ser liberadas.
Mastocitos secretores
de histamina
No estimulado
Estimulado con molécula
soluble extra celular
La exocitosis regulada es una respuesta
LOCALIZADA frente a un estímulo.
Anclaje de vesículas a la membrana aceptora y proceso de fusión
es mediado por proteínas de ambas membranas
inmovilización
acoplamiento
En células polarizadas,
¿cómo reconoce la
maquinaria
exocítica
a qué región debe
destinar a cada
proteína?
CÉLULAS POLARIZADAS:
Destinación diferencial de proteínas a
regiones especializadas de la
membrana plasmática
Señales de destinación baso-lateral:
•Señales peptídicas (NPXY / YXX Φ )
N=asparagina
P= prolina
Y = tirosina
X = cualquier aminoácido
Φ = aminoácido hidrofóbico
Señales de destinación apical:
•Anclaje a GPI (glicosil fosfatidil inositol)
•N-glicosilaciones
En resumen
1. Ruta Exocítica:RER →Golgi → Vesículas de Secreción → Superficie Celular (MP o liberación
2. Síntesis
Citosol
Lípidos→ REL
Proteínas
Citosol
Solubles citosol /núcleo
Mitocondrias
Peroxisomas
Ribosomas
Ruta exocítica
RER
RE
Golgi
MP
Secreción
Lisosomas
3. Tipo de secreción: CONSTITUTIVA (en todas las células) o REGULADA (en células secretoras
especializadas)
4. Destinación de proteínas a distintos compartimentos celulares: depende de señales PEPTÍDICAS,
de OLIGOSACÁRIDOS, o DOMINIOS HIDROFÓBICOS.
5. Formación de vesículas es un proceso altamente regulado y requiere de múltiples proteínas
accesorias para la generación, fisión, transporte y fusión.
6. La ruta exocítica puede destinar proteínas a regiones especializadas de la membrana plasmática
(células polarizadas)
Bibliografía
1.
2.
3.
4.
Molecular Biology of the Cell. Bruce Alberts, Alexander Jhonson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith
Roberts & Peter Walter. Garland Science. 5ª edición. 2008.
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VIDA: La Ciencia de la Biología. David Sadava, H. Craig H Editorial Médica Panamericana Eller,
Gordon H. Orians, William H. Purves & David M. Hillis. 8ª edición. 2008.
Exocytosis and Endocytosis. AndreiIvanov. Methods in Molecular Biology. Humana Press. 2008
En procariontes Transcripción y Traducción es simultánea