Apuntes Biología Celular y Molecular 2023 PDF

APUNTES DE BIOLOGÍA CELULAR y MOLECULAR – ICBM - FACULTAD DE MEDICINA- UNIVERSIDAD DE CHILE MEDICINA 2023 APUNTES DE APOYO PARA EL CURSO BIOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR 2023...

APUNTES DE BIOLOGÍA CELULAR y MOLECULAR – ICBM - FACULTAD DE MEDICINA- UNIVERSIDAD DE CHILE MEDICINA 2023 APUNTES DE APOYO PARA EL CURSO BIOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR 2023 o t e l e u q s 1  APUNTES DE BIOLOGÍA CELULAR y MOLECULAR – ICBM - FACULTAD DE MEDICINA- UNIVERSIDAD DE CHILE MEDICINA 2023 VÍA ENDOCÍTICA INTRODUCCIÓN La endocitosis es un proceso por el cual la célula incorpora macromoléculas, partículas e incluso otras células por medio del transporte de vesículas. A través de este mecanismo las células se relacionan con su entorno y se regula la composición de lípidos y proteínas de la membrana plasmática y de los endosomas; es un proceso fundamental para la fisiología celular y la mantención de la homeostasis. Existen distintos tipos de endocitosis, entre los que se encuentran: Figura 1. Tipos de endocitosis: Fagocitosis, pinocitosis y endocitosis mediada por receptor. Fagocitosis: Incorporación de células procariontes, eucariontes, virus, y partículas inorgánicas, entre otros. La membrana plasmática (junto con el citoplasma adyacente), emite prolongaciones (pseudópodos) que rodean el componente a fagocitar. La emisión de estas prolongaciones se sustenta en la polimerización de microfilamentos de actina y su asociación con proteínas específicas. Una vez rodeado el material a fagocitar, se forma una vesícula denominada heterofagocitica (fagosoma), de tamaño variable y dependiente del componente fagocitado que al fusionarse posteriormente con vesículas lisosomales llevará a la degradación del contenido. - Los protozoos usan la fagocitosis para alimentarse, incorporan grandes partículas, las llevan a degradación en los lisosomas y los productos pasan al citosol para ser nuevamente utilizados en su metabolismo. - En mamíferos, las células inmunes macrófagos y neutrófilos emplean la fagocitosis como defensa contra patógenos o para degradar células apoptóticas (apoptosis: un tipo de muerte celular) 2  APUNTES DE BIOLOGÍA CELULAR y MOLECULAR – ICBM - FACULTAD DE MEDICINA- UNIVERSIDAD DE CHILE MEDICINA 2023 Pinocitosis: Captación de fluidos (cell drinking) y solutos pequeños. La pinocitosis ocurre permanentemente en todo tipo de células. Se invagina la membrana plasmática y se forman vesículas pequeñas de aproximadamente 100 nm de diámetro las cuales se fusionan con endosomas tempranos, tardíos y finalmente con lisosomas que degradan su contenido. Este tipo de endocitosis puede ser mediada por receptores localizados en la membrana plasmática en regiones llamadas “coated pit” (invaginaciones cubiertas). La cubierta puede ser de clatrina, caveolinas o de otras proteínas aún en estudio. Cabe destacar que las vesículas para fusionarse con el endosoma temprano deben primero perder las proteínas de cubierta. Existen dos tipos de pinocitosis: Macropinocitosis y micropinocitosis. Endocitosis mediada por receptores: Es un mecanismo de incorporación de moléculas específicas reconocidas por receptores de la membrana plasmática. - Los componentes a ser endocitados (ligandos) se unen a los receptores localizados en la membrana plasmática en regiones particulares llamadas invaginación cubiertas (coated pit). - Por su especificidad, la célula puede incorporar de forma muy eficiente moléculas o partículas que presentan una concentración extracelular baja. - Células de mamíferos usan este método para endocitar hierro y macromoléculas como el colesterol. En este caso, también se produce una invaginación de la membrana plasmática. Luego, la dinamina es una GTPasa (enzima que une GTP) que se encarga de “cortar” el cuello de la invaginación con la consiguiente formación de una vesícula cubierta, que luego pierde la cubierta y se fusiona con el endosoma temprano. Las vesículas que ingresan a la célula se fusionan con un endosoma temprano. En la Figura 2 se muestran las distintas vesículas que pueden fusionarse con un endosoma temprano. Figura 2. Distintas vesículas que se fusionan con un endosoma temprano. 3  APUNTES DE BIOLOGÍA CELULAR y MOLECULAR – ICBM - FACULTAD DE MEDICINA- UNIVERSIDAD DE CHILE MEDICINA 2023 ¿qué ocurre con el componente endocitado unido al receptor? Ambos se separan por efecto de un cambio de pH Una baja en el pH endosomal hace que los receptores liberen su contenido y sigan una de las siguientes tres rutas: 1. Reciclaje: Regreso del receptor a la membrana plasmática. 2. Transcitosis: Endocitosis en un polo de la célula, transito por el citoplasma y exocitosis en el polo opuesto. 3. Degradación: Vía lisosomal. Desde el endosoma temprano, pueden liberarse vesículas de reciclaje que regresan los receptores a la membrana plasmática o vesículas que se fusionan con endosomas tardíos (Figura 3). En algunos tipos celulares, los endosomas tardíos pueden corresponder a “cuerpos multivesiculares”, formados por la invaginación y gemación de su membrana dentro del lumen del compartimento formando vesículas intraluminales (Figura 3). Figura 3. Endosoma tardío con estructura de “cuerpo multivesicular” (MVB, multivesicular body y sus rutas hacia la membrana plasmática, lisosoma y aparato de Golgi. En su interior se pueden evidenciar las vesículas intraluminales Transcitosis: Una molécula ingresa desde una vesícula al endosoma temprano desde un dominio de la membrana plasmática particular (dominio apical, por ejemplo), atravesando la célula hasta llegar a otro dominio de membrana (basal, por ejemplo). Este proceso también puede re-ubicar proteínas mal destinadas, como un receptor que no corresponde a ese dominio de membrana. Ejemplo de transitocis: Paso de inmunoglobulinas (anticuerpos) de la leche materna ingerida por un neonato, la que ingresa por el dominio apical de una célula epitelial intestinal formando una vesícula que posteriormente se fusiona con el endosoma temprano. Mediante trancitosis, vesículas provenientes del endosoma temprano se fusionan con en endosoma de reciclaje del cual a su vez se liberan vesículas que se fusionan con el dominio basolateral de la célula intestinal, alcanzando posteriormente el tejido conectivo y vasos sanguíneos del neonato 4  APUNTES DE BIOLOGÍA CELULAR y MOLECULAR – ICBM - FACULTAD DE MEDICINA- UNIVERSIDAD DE CHILE MEDICINA 2023 Figura 4. Transcitosis de inmunoglobulinas maternas a la sangre del neonato. Se distinguen dos dominios: el basolateral en contacto con vasos sanguíneos y el apical, en contacto con el lumen del intestino del lactante EJEMPLOS DE ENDOCITOSIS 1. Melanocitos Los melanocitos son células especializadas en la producción de melanina, el principal pigmento responsable de la coloración de la piel, los ojos y el pelo. Se encuentran en la piel donde son críticos en la respuesta a los rayos UV, protegiendo a las células de la piel de un potencial daño al DNA, uno de los mayores factores de riesgo para el cáncer de piel, entre ellos el melanoma. Los melanocitos sintetizan y exocitan melanina, la que es endocitada por los queratinocitos de la piel cercanos (Figura 5). La proteína melanina capta fotones de alta energía (luz solar), impidiendo el daño a macromoléculas como el DNA de las células de la piel. Un único melanocito provee de melanina a aproximadamente 30 queratinocitos. Figura 5. Relación entre melanocito y queratinocito en la piel. 5  APUNTES DE BIOLOGÍA CELULAR y MOLECULAR – ICBM - FACULTAD DE MEDICINA- UNIVERSIDAD DE CHILE MEDICINA 2023 2. Lipoproteína de baja densidad (Low density lipoprotein-LDL) Las lipoproteínas son complejos macromoleculares (que reciben el nombre de partículas) que se organizan como una monocapa de fosfolípidos que forma una esfera y tiene interacciones hidrofóbicas con proteínas (apolipoproteínas o apoproteínas) y colesterol; esta esfera tiene un centro apolar, con moléculas de triglicéridos y ésteres de colesterol (Figura 6). Dependiendo de su composición, estos complejos varían en su densidad, hay de alta densidad (HDL), baja densidad (LDL) y muy baja densidad (VLDL). La partícula LDL transportan moléculas colesterol desde el plasma sanguíneo a todas las células del organismo. Figura 6. Estructura de una lipoproteína. La endocitosis de las partículas LDL esta mediada por receptores de LDL localizados en la membrana plasmática de las células en “coated pits” que contienen clatrina como proteína de cubierta (Figura 7). Por el lado citosólico los receptores de LDL se asocian a una proteína llamada adaptina AP2 y AP2 que también se asocian a clatrina. AP2 reconoce en el dominio citoplasmático del receptor 4 aminoácidos específicos; si se produce una mutación en esta secuenci, AP2 no se une a ellos, se altera la endocitosis y se producen alteraciones como por ejemplo la hipercolesterolemia familiar. Dado que esta mutación impide la endocitosis, las partículas LDL se acumulan en la pared de los vasos sanguíneos y terminan depositándose y formando placas de ateromas, que estrechan la luz del vaso y se puede generar bloqueo del flujo sanguíneo llegando a provocar infartos. Figura 7. Endocitosis mediada por receptores para la lipoproteína de baja densidad (LDL). 6  APUNTES DE BIOLOGÍA CELULAR y MOLECULAR – ICBM - FACULTAD DE MEDICINA- UNIVERSIDAD DE CHILE MEDICINA 2023 3. Transferrina El fierro es fundamental para la formación de hemoglobina, mioglobina y citocromos, debido a su gran capacidad de ganar y perder electrones. El fierro (Fe+3) se transporta en la sangre unido a la proteína plasmática transferrina (Tf). Esta proteína es reconocida por un receptor (TfR) presente en la membrana plasmática de los precursores de eritrocitos y otros tipos celulares, induciendo su endocitosis. La vesícula endocítica que se forma se fusiona con el endosoma temprano y luego tardío cuyo lumen tiene pH ácido (pH 5,5). Esta baja en el pH induce la liberación del Fe+3 desde la transferrina, denominándose ahora como apotransferrina. Ésta se mantiene unida al receptor TfR y ambos son reciclados mediante vesículas hacia la membrana plasmática. El pH 7,2 del medio extracelular permite que la apotransferrina se libere de su receptor y regrese al plasma sanguíneo para unir más Fe+3 (Figura 8). En el endosoma existe una enzima denominada ferrireductasa (codificada por el gen STEAP3) que reduce al Fe+3 a Fe+2 y de ahí a través de transportadores de fe+2 presente en su membrana se transporta el fierro al citosol. Figura 8. Endocitosis de Fierro mediada por receptor de transferrina Lisosomas Los lisosomas son organelos endomembranosos que contienen enzimas hidrolíticas que llevan a cabo la degradación intracelular controlada, tanto de moléculas provenientes del extracelular (internalizadas mediante endocitosis), así como de macromoléculas y organelos intracelulares que ya han cumplido con su vida útil (Fig. 9). Los lisosomas contienen cerca de 40 tipos de enzimas hidrolíticas capaces de degradar proteínas, ácidos nucleicos, oligosacáridos y fosfolípidos. Estas enzimas tienen su punto óptimo de actividad en condiciones de pH ácido (pH ~ 5 al interior de lisosoma). 7  APUNTES DE BIOLOGÍA CELULAR y MOLECULAR – ICBM - FACULTAD DE MEDICINA- UNIVERSIDAD DE CHILE MEDICINA 2023 Figura 9. Degradación intracelular de macromoléculas, mediada por lisosomas Las enzimas hidrolíticas de los lisosomas provienen de la vía RER-Golgi desde donde se dirigen en vesículas hacia el endosoma tardío (también llamado como endolisosoma). Desde este último, se liberan vesículas conteniendo en su interior tanto las enzimas hidrolíticas como moléculas que deben ser degradadas y forman el lisosoma activo o maduro (Figura 10). Previamente, en las cisterna cis-Golgi, estas enzimas reciben una marca molecular que consiste en la fosforilación de una de sus manosas (manosa6- fosfato o M-6_P) que permite su direccionamiento con destino final a los lisosomas. En el retículo trans Golgi, las enzimas son reconocidas por un receptor de M-6-P, desde donde se generan las vesículas pre- lisosomales hacia el endosoma tardío con las enzimas lisosomales aun en estado inactivo Figura 10. Destinación de enzimas hidrolíticas desde Golgi trans hacia el lisosoma vía endosoma tardío. ¿Cómo se explica que la membrana lisosomal no sea hidrolizada por las enzimas activas a pH = 5? En la membrana lisosomal existen bombas que internalizan protones hacia el lumen del lisosoma y de esta manera se logra un pH 5,0, con lo cual las enzimas lisosomales quedan activas. ➔ Múltiples glicoesfingolípidos recubren la membrana lisosomal interna, impidiendo que sea digerida por las enzimas lisosomales. ➔ Adicionalmente, las proteínas glicosiladas protegen la membrana de los lisosomas contra las hidrolasas. 8  APUNTES DE BIOLOGÍA CELULAR y MOLECULAR – ICBM - FACULTAD DE MEDICINA- UNIVERSIDAD DE CHILE MEDICINA 2023 Autofagia En la célula hay dos vías clave de degradación de proteínas celulares para asegurar proteostasis (proceso que regula el balance adecuado de proteínas dentro de la célula): el sistema ubiquitina/proteosoma (UPS) y la autofagia. En la autofagia se degradan componentes celulares: macromoléculas, agregados de proteínas e incluso organelos completos. Existen tres tipos de autofagia: macroautofagia, microautofagia y autofagia mediada por chaperonas. Tanto en la macroautofagia como en la microautofagia se fagocitan inespecíficamente componentes citosólicos; la autofagia mediada por chaperonas, por el contrario, es bastante específica, pues depende de la presencia de unas secuencias pentapeptídicas especificas que deben estar presente en los sustratos que serán autofagocitados. La macroautofagia se inicia con el material citoplasmático que comienza a ser rodeado por una doble membrana que va creciendo y formando un autofagosoma. El autofagosoma posteriormente se fusiona con lisosomas formando autolisosoma con lo que las hidrolasas presentes en ellos degradan el contenido (Figura 11). Por su parte, en la microautofagia el cual el contenido citoplásmico es introducido al lisosoma a través de invaginaciones que se producen en la membrana de dicho organelo. Una vez introducidas en el lisosoma, las vesículas producidas por estas invaginaciones flotan libremente en el lumen hasta que son lisadas y su contenido es liberado y degradado por enzimas específicas (Figura 11). La autofagia mediada por chaperonas requiere el reconocimiento de proteínas exponiendo el motivo KFERQ por la chaperona HSC70 , la cual dirige a estas proteínas hacia la superficie de los lisosomas desde donde ingresan vía LAMP2A(Figura 11). Figura 11. Tipos principales de autofagia Autofagia y su relación con vías metabólicas que participan en su regulación La proteína mTOR, del inglés “mammalian Target of Rapamycin”, es una quinasa evolutivamente muy conservada y ampliamente conocida por integrar una gran cantidad de estímulos que influyen en la actividad de rutas metabólicas relacionadas con el crecimiento celular. mTORC1 es activado por factores de crecimiento, nutrientes y el estado energético celular. En condiciones ricas en nutrientes, la quinasa mTOR inhibe la autofagia, fosforilando a la quinasa ULK1, lo que previene la formación del autofagosoma (Figura 12A). En condiciones contrarias, la falta de nutrientes y energía (ATP) es censada por la proteína 9  APUNTES DE BIOLOGÍA CELULAR y MOLECULAR – ICBM - FACULTAD DE MEDICINA- UNIVERSIDAD DE CHILE MEDICINA 2023 quinasa AMPK que fosforila e inhibe a mTOR y en consecuencia gatilla la autofagia (Figura 12B). Así, el adecuado funcionamiento de este sistema permite, en condiciones de falta de nutrientes, la degradación y reciclaje de macromoléculas desde proteínas defectuosas y organelos dañados, proporcionando así nutrientes reciclados a la célula Figura 12.Disponibilidad de nutrientes y quinasa mTOR en la regulación de la autofagia Referencias 1. Alberts, Bruce; Bray, Dennis; Hopkin, Karen; Johnson, Alexander; Lewis, Julian; Raff, Martin; Roberts, Keith; Walker, Peter. Compartimientos y transporte intracelulares. En: López Gabriela, editora. Introducción a la Biología Celular. Tercera Edición. México: Editorial Médica Panamericana; 2011. p. 495-530. 2. Aris Mariana. Origen del melanocito normal y maligno. Acta bioquím. clín. latinoam. [Internet]. 2009 Sep [citado 2018 Mayo 05]; 43(3):333-337. Disponible en: http://www.scielo.org.ar/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0325-29572009000300007&lng=es 3. Cabrera Silva, Sergio. Vía endocítica, ME01021106008: Biología Celular y Molecular (Santiago, Universidad de Chile, Viernes 15 de Octubre de 2017). Clase expositiva. 4. Campbell, Neil A.; Reece, Jane B. Biología [Internet]. 2007 Ed. Médica Panamericana [citado 2018 Mayo 05]. Disponible en: https://books.google.com.ec/books?id=QcU0yde9PtkC&hl=es&source=gbs_navlinks_s 5. Medline Plus [Internet]. Bethesda (MD): U.S. National Library of Medicine; Colesterol malo (LDL); 6 de Diciembre 2017 [citado 2018 Mayo 05]. Disponible en: https://medlineplus.gov/spanish/ldlthebadcholesterol.html 6. La Via endocitica, para Medicina 2022, Facultad de Medicina, Universidad de Chile, Maria Julieta González (clase expositiva, martes 11 de octubre, 2022). Por: Valentina M. Cariqueo Cares, Gonzalo Cabrera y María Julieta González Revisión 2022: María Julieta González Edición 2023: Valeria Sabaj Diez. 10