Función del Retículo Endoplásmico

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).
• El guion de la unidad didáctica 5 incluye subtemas 5.1 Retículo endoplásmico, 5.2 Aparato de Golgi, 5.3 Mecanismo de transporte de las vesículas y 5.4 Lisosomas.
• Las células eucariotas tienen orgánulos rodeados de membrana que realizan funciones específicas de manera eficaz.
• El transporte de proteínas entre los orgánulos celulares es un proceso complejo que comienza durante la traducción.
• Las proteínas destinadas al retículo endoplásmico (RE), aparato de Golgi (AG), lisosomas (L), membrana plasmática y secreción se sintetizan en ribosomas unidos a la membrana del RE.
• En el RE, las proteínas son plegadas y procesadas.
• Desde el RE, las proteínas se transportan a través de vesículas hasta el AG para su procesamiento y distribución a su destino final (lisosomas, membrana plasmática o secreción).

Retículo endoplásmico (RE)

• El RE es una red de túbulos y sacos rodeados de membrana que se extiende desde la membrana nuclear a todo el citoplasma.
• Constituye el orgánulo más grande en la mayoría de las células.
• Su membrana representa el 50% de todas las membranas celulares y su luz el 10%.
• Existen dos tipos de RE:
  • RE rugoso (RER): asociado con ribosomas en su cara externa e implicada en la síntesis y procesado de proteínas.
  • RE liso (REL): no se asocia a ribosomas y participa en el metabolismo de lípidos.

RER y secreción de proteínas

• El experimento pulso-caza (George Palade, años 60) demostró el proceso de secreción de proteínas.
• Las proteínas marcadas viajan a través del RER hasta el aparato de Golgi.

Esquema general de la distribución de proteínas

• Las proteínas sintetizadas en ribosomas libres permanecen en el citosol, o se transportan al núcleo, mitocondrias, cloroplastos o peroxisomas.
• Las proteínas sintetizadas en el RE se translocan directamente a su destino.
• Las proteínas pueden ser translocadas al RE durante la traducción (cotraduccional) o después de la traducción (postraduccional).

Marcaje de las proteínas para dirigirse al RE

• Las proteínas destinadas al RE tienen una secuencia señal en su extremo amino terminal.
• Esta secuencia consiste en aminoácidos hidrófobos, a menudo precedidos por aminoácidos básicos.
• Los ribosomas libres y los unidos a la membrana son funcionalmente indistinguibles, ambos inician la síntesis proteica.

Marcaje de las proteínas para dirigirse al RE

• Los ribosomas implicados en la síntesis de proteínas para la secreción están marcados para dirigirse al RE mediante una secuencia señal localizada en el extremo amino terminal de la cadena polipeptídica.
• La secuencia señal está constituida por aminoácidos hidrófobos que son escindidos durante el paso a la luz del RE.
• Cuando las células se rompen, el retículo endoplasmático se fragmenta en pequeñas vesículas llamadas microsomas.

Dirección cotraccional de proteínas de secreción al RE

• A medida que las proteínas salen del ribosoma, sus secuencias son reconocidas y unidas a una partícula de reconocimiento de la señal (PRS).
• La PRS detiene la traducción, y acompaña al ribosoma hasta el receptor de la PRS en el RE.
• La PRS se libera, y el ribosoma se une al translocón.
• La traducción se reanuda, y la secuencia señal es escindida por una peptidasa señal.
• El polipéptido se libera a la luz del RE.

Dirección cotraduccional al RE

• En las células de levadura y mamíferos los translocones que atraviesan la membrana del RE son complejos de tres proteínas transmembrana denominadas Sec61
• La inserción de la secuencia señal en el translocón lo retira, permitiendo la transferencia de la cadena polipeptídica a través del translocón.
• El proceso de síntesis de la proteína crea directamente la transferencia de las cadenas polipeptídicas al RE.
• Una señal peptidasa escinde la secuencia señal separando el polipéptido de la secuencia señal, liberando la proteína a la luz del RE.

Translocación postraduccional

• Las proteínas traducidas por ribosomas citosólicos libres se incorporan al RE postraduccionalmente.
• Necesitan del complejo Sec62/63 y de chaperonas Hsp70 para mantener la conformación primaria y entrar al translocón.
• Las chaperonas BiP son esenciales para guiar la cadena polipeptídica a través del canal interno del RE.
• Las chaperonas ayudan al plegamiento correcto de las proteínas.

Inserción de proteínas en la membrana del RE

• Las proteínas destinadas a las membranas del RE, AG o lisosomas se insertan inicialmente en la membrana del RE.
• Siguen una ruta similar a las proteínas secretoras.
• Las proteínas transmembrana se integran en la membrana por regiones hidrofóbicas que atraviesan la bicapa lipídica.
• Las regiones que cruzan la bicapa lipídica suelen adoptar una estructura de hélice α, con 20 a 25 aminoácidos hidrofóbicos.
• Las proteínas integrales de membrana pueden atravesar la membrana una o varias veces.
• Las proteínas transmembrana se orientan de forma que las secuencias señal apuntan hacia el citosol durante la inserción.

Orientación de las proteínas transmembrana

• La orientación de las proteínas transmembrana en el RE se establece durante su translocación.
• Las diferencias de las regiones polipéptidas que atraviesan la membrana.

Inserción de proteínas con una secuencia señal escindible y una secuencia transmembrana interna

• Algunas proteínas transmembrana se insertan en la membrana del RE de forma alternativa.
• Estas proteínas tienen una secuencia señal amino terminal normal.
• Una hélice α interrumpirá la translocación, y la cadena polipeptídica permanecerá en el citosol.
• Las proteínas que atraviesan varias veces la membrana, contienen varias secuencias transmembrana que forman bucles dentro de la luz del RE.

Proteínas que se extienden a la membrana varias veces

• Las proteínas que se extienden a la membrana varias veces se insertan como consecuencia de secuencias transmembrana con orientaciones alternas.
• Una proteína transmembrana interna puede llevar a la inserción en la membrana de una cadena polipeptídica.
• Si se encuentran entonces un segundo dominio extendido a la membrana, la cadena polipeptídica saldrá del translocón para formar un bucle en la luz del RE.
• Si hay una secuencia transmembrana adicional, la cadena polipeptídica volverá a entrar al RE, formando otro bucle.

Algunas proteínas con una secuencia transmembrana en su extremo carboxi-terminal se insertan en la membrana del RE por una vía postraduccional alternativa

• Estas proteínas no son reconocidas por las PRS debido a que su dominio transmembrana no emerge del ribosoma hasta que termina la traducción.
• Los dominios transmembrana son reconocidos por un factor de direccionamiento denominado TRC40 o GET3.
• El TRC40 acompaña a la proteína transmembrana a la membrana del RE, donde se inserta a través del receptor GET1-GET2.

Plegamiento y procesamiento de las proteínas del RE

• En el RE, la translocación y el proceso de plegamiento y procesamiento ocurren en la luz del RE o a través de su membrana, simultáneamente a la traducción.
• El RE es el lugar para el plegamiento de proteínas.
• El RE cataliza el plegamiento, el ensamblaje de proteínas, el ensamblaje de proteínas y la formación de puentes disulfuro, la N-glicosilación y la adición de anclajes glicolipídicos.

Plegamiento de proteínas en el RE

• Las proteínas se translocan como cadenas polipeptídicas en el RE.
• Los polipéptidos se pliegan en su conformación tridimensional asistidos por chaperonas, como Hsp70 (BiP).
• Las chaperonas unen las cadenas polipeptídicas sin plegar y luego median su plegamiento.
• Las proteínas ensambladas correctamente son liberadas de las chaperonas y disponibles para el Golgi

Formación de enlaces disulfuro

• Los enlaces disulfuro se forman entre los residuos de cisteína (-SH) dentro del RE, en un ambiente oxidante.
• La proteína disulfuro isomerasa cataliza la formación de estos enlaces.

Glicosilación de proteínas (N-glucosilación)

• Se añaden unidades oligosacáridas a los residuos de Asn en las cadenas polipeptídicas durante su translocación dentro del RE.
• Los oligosacáridos son sintetizados en un transportador lípidico (dolico).
• Una enzima (oligosacaril-transferasa) transfiere los oligosacáridos a los residuos aceptors Asn.
• Se eliminan algunos residuos de glucosa de los oligosacáridos dentro del RE.

Anclajes de glicolípidos

• Algunas proteínas se anclan a la membrana plasmática mediante glicolípidos (GFI).
• Los anclajes GFI contienen cadenas de ácidos grasos, un resto de oligosacárido e inositol y otros azúcares..
• La secuencia C-terminal de una proteína es escindida, y un ancla GFI se une por un enlace glicolipídico a la membrana.

Control de calidad en el RE

• Muchas proteínas sintetizadas en el RE son degradadas si no se pliegan correctamente.
• El proceso de degradación asociada al RE (ERAD) identifica y remueve las proteínas mal plegadas del RE, y las envía al citosol para su degradación por el proteosoma.
• Las chaperonas y las enzimas de procesamiento de proteínas en la luz del RE actúan como sensores que detectan proteínas con defectos de plegamiento.

Exportación de proteínas y lípidos desde el RE

• Las proteínas y los lípidos son exportados desde el RE en vesículas de transporte que se forman en sitios especializados llamados sitios de salida del RE (SSER).
• Las vesículas se fusionan con otros compartimentos de la vía secretora.
• Las proteínas y los lípidos siguen diferentes trayectorias (si son secretoras, o proteínas de membrana.).
• Las proteínas residentes en el RE tienen secuencias de recuperación (ej. KDEL) que las devuelven al RE.

RE liso y síntesis de lípidos

• El retículo endoplasmático liso (REL) es el principal sitio de síntesis de lípidos en las células eucariotas.
• Los lípidos son extremadamente hidrófobos y se sintetizan asociados a las membranas existentes.
• Los lípidos sintetizados en el REL son transportados a otras partes de la célula a través de vesículas o proteínas transportadoras.

La membrana plasmática y sus componentes

• Los fosfolípidos son los componentes clave de la membrana plasmática.
• Derivan del glicerol y se sintetizan en la cara citosólica del RE.
• Los fosfolípidos contienen componentes hidrofóbicos e hidrofílicos.
• Otras membranas incluyen colesterol y glicolípidos.

Translocación de fosfolípidos

• La translocación de fosfolípidos a través de la membrana del RE utiliza proteínas llamadas flipasas.
• Las flipasas ayudan al movimiento de fosfolípidos entre las capas de la bicapa lipídica.

Síntesis adicionales de lípidos

• El RE también es el principal lugar para la síntesis de otros lípidos de membrana, como el colesterol y ceramida.
• La ceramida se convierte en glicolípidos o esfingomielina en el aparato de Golgi.
• El RE liso abunda en células con actividad metabólica lipídica, como las productoras de esteroides (ej. gónadas) y en células hepáticas para la desintoxicación de drogas.