Biología Celular: Lisosomas y Autofagia

Biología Celular - Bloque 2: Estructura y Función de las Células

• Unidad Didáctica 5: Distribución y transporte de proteínas: retículo endoplásmico, aparato de Golgi y lisosomas.

Guion de la Unidad Didáctica 5

• 5.1 Retículo endoplásmico.
• 5.2 Aparato de Golgi.
• 5.3 Mecanismo de transporte de las vesículas.
• 5.4 Lisosomas.

Aparato de Golgi

• El Aparato de Golgi (o Complejo de Golgi) procesa y distribuye proteínas sintetizadas en el retículo endoplásmico (RE) a sus destinos finales (lisosomas, membrana plasmática o secreción).
• También sintetiza glicolípidos y esfingomielina.
• Participa en el procesamiento de varios componentes celulares que viajan por la vía secretora.

Organización del Golgi

• El Golgi es un orgánulo polar, estructural y funcionalmente.
• Las proteínas del RE entran por la cara cis (entrada) y generalmente se orientan hacia el núcleo.
• Son transportadas a través del Golgi y salen por la cara trans (salida).
• Las proteínas se modifican durante su paso por el Golgi y se dirigen a sus destinos finales en la célula.

El Golgi está compuesto por...

• Bolsas aplanadas (cisternas), rodeadas de membrana.
• Vesículas asociadas.

Procesamiento de proteínas en el Golgi

• El aparato de Golgi contiene más de 250 enzimas que modifican las porciones de carbohidratos de las glicoproteínas.
• El procesamiento de los carbohidratos ocurre de forma ordenada en los diferentes compartimentos del Golgi.
• Se añaden unidades de oligosacáridos a los residuos de Asn de las cadenas polipeptídicas.
• Se eliminan residuos de glucosa mientras la proteína permanece en la luz del RE.
• Posteriormente se producen más modificaciones en el Golgi.

Procesamiento de los N-oligosacáridos en el Golgi

• Los N-glicosacáridos de las glicoproteínas se modifican en diferentes compartimentos del Golgi.
• Este proceso depende de la estructura de la proteína y las diferentes enzimas procesadoras de cada tipo celular.
• Las glicoproteínas salen del Golgi con diferentes tipos de oligosacáridos unidos a su grupo N-terminal.

Marcado y dirección de las proteínas lisosómicas

• Las proteínas destinadas a los lisosomas son marcadas con fosfatos a la posición 6 de los residuos de manosa.
• Luego se eliminan los grupos N-acetilglucosamina, dejando solamente manosa-6-fosfato.
• Estos residuos son reconocidos por un receptor en la red trans del Golgi para dirigir las proteínas al lisosoma.

Las proteínas también pueden modificarse mediante...

• Adición de carbohidratos a las cadenas laterales de residuos de Ser y Thr (O-glicosilación)
• En las N-glicoproteínas, los carbohidratos se unen al nitrógeno de la cadena lateral del aminoácido Asn.
• En las O-glicoproteínas, se unen al oxígeno de Ser o Thr.
• Algunos oligosacáridos O-ligados consisten solo en algunos residuos de azúcares, mientras que otros son cadenas largas de azúcares.
• Los proteoglicanos, componentes importantes de la matriz extracelular, presentan O-glicosilación extendida.

Estructura de un proteoglicano

• Los proteoglicanos son proteínas secretadas con cadenas largas de carbohidratos (glicosaminoglicanos).
• Su procesamiento en el Golgi implica la adición de 100 o más cadenas de carbohidratos (glicosaminoglicanos) a un polipéptido.
• Los azúcares de estas cadenas son modificados con la adición de grupos fosfato.

Metabolismo de lípidos y polisacáridos en el Golgi

• El Golgi participa en el metabolismo lipídico, sintetizando glicolípidos y esfingomielina a partir de ceramida.
• La esfingomielina es el único fosfolípido no glicérico en las membranas celulares, sintetizada a partir de la fosfatidilcolina y ceramida.
• Se pueden añadir carbohidratos a la ceramida formando diferentes glicolípidos.
• Los glicolípidos y la esfingomielina no se translocan a la membrana del Golgi sino que permanecen en su mitad luminal.
• Estos lípidos son transportados a la membrana plasmática tras el transporte vesicular.

Distribución y exportación de proteínas desde el Golgi

• Las proteínas son transportadas en diferentes tipos de vesículas de transporte desde el Golgi a sus destinos finales.
• Algunas proteínas se dirigen directamente a la membrana plasmática, mientras que otras viajan a través de endosomas de reciclaje o otros orgánulos (ej. lisosomas).
• Algunas proteínas son empaquetadas en gránulos secretores inmaduros que maduran y liberan su contenido en respuesta a señales específicas.

Mecanismo de transporte de las vesículas

• Las vesículas son responsables del tránsito celular entre compartimentos membranosos.
• Son selectivas, un proceso basado en el empaquetamiento de la carga.
• Los mecanismos moleculares que controlan la formación, la gemación, la distribución y la fusión de las vesículas son objeto de investigación en biología celular.

Aproximaciones experimentales al conocimiento del transporte de las vesículas

• Las aproximaciones experimentales incluyen el estudio de mutantes de levaduras, la reconstitución del transporte vesicular en sistemas acelulares y el análisis bioquímico de vesículas sinápticas.

Microscopía electrónica de las vesículas

• Las imágenes de microscopía electrónica muestran la secuencia temporal del movimiento de vesículas marcadas desde el RE hasta el AG y luego a la membrana plasmática.

Selección de la mercancía, proteínas de la cubierta y gemación vesicular

• Las vesículas de transporte están revestidas con proteínas de cubierta citosólicas para su transporte.
• Las proteínas de cubierta inician la gemación de las vesículas.
• Las cubiertas se eliminan en el destino, permitiendo la fusión con la membrana.
• La selección de la mercancía asegura que las vesículas transporten el contenido correcto a su destino.

La formación de vesículas recubiertas

• La formación de las vesículas está regulada por pequeñas proteínas unidas a GTP (Arf y Sar).
• Estas proteínas, junto con otras proteínas, median el ensamblaje de la vesícula al unirse a la membrana.

La fusión de una vesícula de transporte

• Implica dos procesos: el reconocimiento de la diana correcta y la fusión de las membranas.
• La interacción inicial está mediada por proteínas de anclaje y pequeñas proteínas de unión a GTP (Rab).
• La formación de complejos SNARE proporciona la energía necesaria para la fusión.
• La fusión requiere la interacción de las proteínas SNARE de la vesícula y de la membrana diana.

Lisosomas:

• Son orgánulos rodeados de membrana.
• Contienen enzimas para degradar polímeros biológicos.
• Funcionan como el sistema digestivo de la célula.
• Pueden degradar material del exterior de la célula o componentes obsoletos de la célula.
• Pueden aparecer como vacuolas esféricas, pero su forma puede variar dependiendo del material digerido.

Endocitosis y formación del lisosoma

• Los lisosomas están involucrados en la digestión del material que la célula captura mediante endocitosis.
• Los endosomas forman las vesículas que se fusionan con los lisosomas para la digestión.

Fagocitosis y autofagia

• Los lisosomas participan en el proceso de fagocitosis (ingestión de partículas de otros organismos) y autofagia (degradación de componentes celulares).
• En la fagocitosis, el material ingerido se fusiona con los lisosomas para su digestión.
• En la autofagia, las partes de la célula se encierran en una membrana para ser degradadas por los lisosomas.

Endocitosis y formación del lisosoma

• Las células animales poseen tres tipos de endosomas: tempranos, de reciclaje, y tardíos.
• Los componentes son reciclados a la membrana plasmática y los endosomas maduran a endosomas tardíos.
• Las moléculas destinadas a degradación se transportan por cuerpos multivesiculares y posteriormente a endosomas tardíos.
• Las hidrolasas son transportadas a los endosomas tardíos.
• Estas proteínas están dirigidas a los lisosomas por residuos de manosa-6-fosfato, reconocidos por receptores en la red trans del Golgi para ser posteriormente empaquetadas en vesículas recubiertas.