Tema 2. Sistema endomembranós - Reticle endoplasmàtic PDF

TEMA 2. SISTEMA ENDOMEMBRANÓS 1. Sistema endomembranós 1.1. Què és el sistema endomembranós? Conjunt d'estructures internes formades per membranes que treballen conjuntament per produir, modificar, empaquetar, transportar i destruir lípids i proteïnes. És fonamental per a la fu...

TEMA 2. SISTEMA ENDOMEMBRANÓS 1. Sistema endomembranós 1.1. Què és el sistema endomembranós? Conjunt d'estructures internes formades per membranes que treballen conjuntament per produir, modificar, empaquetar, transportar i destruir lípids i proteïnes. És fonamental per a la funció i l'organització de les cèl·lules eucariotes. 1.2. Principals components Cooperen per produir distribuir i destruir biomolècules. Membrana nuclear Reticle endoplasmàtic ○ Reticle rugòs (RER) ○ Reticle llis (REL) Aparell de Golgi Lisosomes Endosomes Vesícules de transport Vacúoles 1. La membrana nuclear està conectada amb el RER, el qual està connectat amb REL. 2. Les membranes i proteïnes produïdes pel RE (en forma de vesícules son transportades cap el aparell de Golgi). 3. El Golgi, produeix noves vesícules que seran lisosomes i vacuoles. 4. Els lisosomes fan digestió de les substanciés que no interessen. 5. Vesícules de transport van fins la membrana plasmàtica per la secreció. 6. La membrana plasmàtica es fusiona amb les vesícules, secreció proteica 2. Reticle endoplasmàtic Sistema de membrana interna més gran. Format d’una xarxa interconnectada de sacs aplanats i túbuls units a la membrana nuclear. Es pot dividir en dos: RE rugós (superfície recoberta per ribosomes) ○ Sintesi de proteïnes ○ Modificació de proteïnes ○ Transport de proteïnes ○ Producció de membrana RE llis (superfície llisa) 1  ○ Síntesi i magatzem de lñipids ○ Detoxificació (fetge) ○ Reserva de Calci (múscul) ○ Metabolisme hormones (g.superarenals) ○ Metabolisme carbohidrats (fetge) 2. Reticle endoplasmàtic rugòs 2.1. Morfologia Estructura membranosa més gran de la cèl·lula amb forma de sacs aplanats i apilats. S’estén com una xarxa per tot el citoplasma sostinguda pel citoesquelet. Les cisternes representen un 10% del volum cel·lular. Continua amb el REL. Presenta ribosomes adherits a la superfície que li dona l’aspecte rugós. Les cèl·lules que produeixen molta proteïna presenten un RER major (exemple: Cèl. Glandulars). 2.2. Funció Síntesi de proteïnes Modificació de proteïnes Transport de proteïnes Producció de membrana Aquestes proteïnes de membrana i secreció segueixen les vies de secreció (representen ⅓ del total) 2.3. Ribosoma Veiem molts ribosomes al RE, ja que hi ha diferents proteïnes que creixen constantment i s’han de sintetitzar. Un cop sintetitzades, es dirigeixen al lumen (interior del reticle endoplasmtic). Els ribosomes són dues subunitats. Un dels escenaris possibles després de la traducció és que s'introdueixi al reticle endoplasmàtic per a la maduració. La proteïna acabada de formar ha de passar pel plegament de proteïnes o modificacions posteriors a la traducció per convertir-se en proteïnes "madures". El citosol és reductor a diferència del lumen oxidatiu (definició: cavitat plena de líquid dins del reticle endoplasmàtic i l'aparell de Golgi).Això vol dir que hi ha passos post-traduccionals, com la formació d'enllaços disulfur, que preferirien passar dins del lumen d'aquests orgànuls (que és oxidatiu) més que al citosol (que és reductor). 2.4. Traducció El reticle endoplasmatic no interve en si en el proces de traducció pero si dona les condicions necessaries perque aquesta tarducció es doni. Hi ha 2 mecanismes de generació de proteïnes: Translocació post-traduccional: En ribosomes lliures en el citoplasma (proteïnes sintetitzades al citosol entren dins d’un compartiment) Translocació co-traduccional: Les proteïnes se sintetitzen en els ribosomes que estan units a la membrana del RER. La proteïna mentre se sintetitza va entrant dins del reticle, i seguint la via secretora. * També trobem ribosomes en la mitocondria on tradueixen ADN mitocondrial 2  Translocació co-traduccional: Nom (descripció) Localització Proteïnes o molècules Característiques addicionals implicades Inici de la Traducció Citoplasma Ribosoma lliure / ARNm / ARN de transferència Formació de la cadena Citoplasma Ribosoma / ARNm Seqüència senyal a N-term (SS), polipeptídica aà hidrofòbics precedits d’1 o 1 aà (de càrrega positiva) Unió de partícula SRP a la Citoplasma Ribosoma / ARNm / SRP Quan SRP s’uneix a la SS i al seqüència senyal (SS) de la (riboproteïna) ribosoma, la traducció para cadena polipeptídica Unió del complex SRP, Membrana del RER Ribosoma / ARNm / SRP La unió del SRP al receptor té lloc ribosoma i cadena (riboproteïna) del citoplasma / quan estan ambdós units a GTP polipeptídica amb el receptor receptor SRP del RER de SRP de la membrana Acoblació del ribosoma al Membrana del RER Ribosoma / ARNm / SRP El translocó és un canal proteic i la translocó (canal proteic (riboproteïna) del citoplasma / hidròlisi de GTP permet la anomenat Sec61) receptor SRP del RER / transferència al translocó Sec61 Disslocació de la SRP Membrana del RER Ribosoma / ARNm / Sec61 La traducció és reprèn Translocació al lumen RER RER, membrana i Ribosoma / ARNm / Sec61 L’energia de l’elongació és la que lumen impulsa la translocació de la cadena polipeptídica Hidròlisi de la SS per part de RER, membrana i Ribosoma / ARNm / Sec61 / Pot tenir lloc durant o després de la peptidasa senyal lumen peptidasa de senyal la tranaslocació i la peptidasa està associada al translocó Alliberació de la proteïna RER, membrana i Ribosoma / ARNm / Sec61 sintetitzada al lumen RER lumen 2.4.1. Traducció co-traduccional Procés mitjançant el qual les proteïnes que estan destinades a seguir la via de secreció o a ser integrades a la membrana es sintetitzen directament en el reticle endoplasmàtic rugós (RER). Passos de la translocació co-traduccional: La traducció de l'ARNm comença en un ribosoma lliure en el citoplasma. Quan la cadena polipeptídica naixent conté una seqüència senyal (SS), formada per aminoàcids hidrofòbics precedits per 1 o 2 residus amb càrrega positiva, a l'extrem N-terminal que és reconeguda per una partícula especialitzada. La partícula de reconeixement de senyal (SRP) s'uneix a la seqüència senyal de la cadena polipeptídica emergent i al ribosoma. Aquesta unió provoca una pausa temporal en la traducció. El complex format per la SRP, el ribosoma i la cadena polipeptídica naixent s'uneix al receptor de SRP de la membrana del RER. Un cop la SRP ha portat el complex ribosomal a la membrana del RER, el ribosoma s'acobla al translocó, un canal proteic anomenat Sec61. La SRP es dissocia i la traducció es reprèn. A mesura que la traducció continua, la cadena polipeptídica en creixement es dirigeix directament a través del canal Sec61 cap al lumen del RER. L'energia necessària per impulsar la translocació sembla provenir de l’energia derivada de l’elongació. Durant o després de la translocació, la seqüència senyal és escindida per un enzim anomenat peptidasa de senyal, proteïna del RE transmembrana associada al translocó. Alliberació de la proteïna acabada de sintetitzar dins del lumen del RER. 3  Un cop dins del RER, la proteïna pot plegar-se en la seva conformació tridimensional correcta (xaperones) i pot ser sotmesa a modificacions post-traduccionals (glicosilació, etc). Després de ser processades al RER, les proteïnes són empaquetades en vesícules de transport que les portaran al complex de Golgi per a més modificacions, classificació i eventual transport cap a la seva destinació final. La unió del SRP al seu receptor té lloc quan ambdós estan units a GTP. La hidròlisi de GTP fa que el complex es dissociï, i d’alguna manera que no es coneix, s’iniciï la transferència del complex al translocó. Al mateix temps es dissocia la SRP i el receptor i queden lliures per tornar a repetir el procés. 2.4.1.1. Estructura del SRP La SRP és una partícula ribonucleoprotèica citosòlica, constituïda per 6 proteïnes i un ARN S'uneix de manera transitòria tant al pèptid senyal com a la unitat gran del ribosoma, formant un complex gran. Permet el direccionament cap al RER ja que aquesta SRP és reconeguda pel seu receptor que es troba a la membrana del RER. Domini d'unió a la seqüència senyal: la proteïna bacteriana Ffh és homòloga a la porció de P54 que s'uneix a les seqüències senyal del RE en eucariotes. ○ Gran esquerda revestida d'aminoàcids hidrofòbics (grocs) les cadenes laterals dels quals interaccionen amb les seqüències senyal. 2.4.1.2. Unió del SRP al Receptor La interacció entre aquestes proteïnes es controla mitjançant la unió i hidròlisi de GTP. Quan SPR i el Receptor estan units a GTP, i quan s'uneixen entre si, les dues molècules de GTP unides encaixen a la interfície entre les subunitats proteiques i estabilitzen el dímer. L'assemblatge del dímer permet la formació de dos llocs actius per a la hidròlisi de les dues molècules de GTP unides. La hidròlisi a GDP desestabilitza la interfície, causant la desassemblatge del dímer. 2.4.1.3. Estructura del translocador Sec61 Sec61 està format per 10 hèlices transmembrana que formen un canal central. El canal s’estreny en un punt format per aminoàcids hidrofòbics. Aquest punt interacciona amb el pèptid que es va translocant i s’obre, actua com a tap del canal central. Si no hi ha translocació no es permet el pas de ions i molècules petites. 2.4.1.4. Pèptid senyal a l’extrem Nterm Presenta 2 grans funcions: ○ Reconeixement per SRP i direccionament cap al RER ○ Senyal d’inici de translocació 2.4.1.5. Eliminació del pèptid senyal Durant o després de la translocació, la seqüència senyal és eliminada per una peptidasa de senyal, proteïna del RE transmembrana associada al translocó. 4  Un cop ha entrat la proteïna al lumen del RE, el canal translocador es tanca i s’obre lateralment per deixar difondre sobre la bicapa al pèptid senyal. La proteïna entre al lumen del RE i es manté desplegada per unió a xaperones i Quan s’ha acabat la síntesi es desenganxen les xaperones i es plega. La proteïna formada pot quedar-se al reticle o esser transportada cap al Golgi. ○ Exemple de cotranslocació d'una proteïna soluble i eliminació del pèptid senyal (El pèptid senyal s’elimina per proteases que hi ha dins del RE) 2.4.1.6. Proteïnes de membrana La orientació de les proteïnes de membrana ve establerta en la seva biosíntesi sobre la membrana del RE. Les seqüencies topogèniques dirigeixen la inserció i orientació en la membrana. Els elements que determinen la topologia son els fragments que s'expandeixen a l’interior de la membrana; habitualment hèlix alpha que contenen 20-25aa hidrofòbics. ○ La seqüència senyal reconeix el translocó, la proteïna va entrant fins que s’arriba a una seqüència interna de parada de transferència hidròfoba que ancora la proteïna a la membrana. Això provoca un canvi de conformació del translocó i fa que s’obri lateralment. La proteïna s’allibera a la membrana del RE. Regions hidròfobes en alfa hèlix de 20 a 25 aa creuen la membrana i es transporten fins el destí. 2.4.1.7. Síntesi proteïnes de membrana La traducció s'inicia de la mateixa manera que en les proteïnes del lumen del RE. El complex unit el translocó permet que la proteïna travessi la membrana en direcció al lumen del RE fins que s’arriba a una seqüència interna de parada de transferència hidròfoba. Canvi de conformació del translocó que fa que s’obri lateralment. La proteïna es desplaça fora del canal quedant insertada a la membrana del RE. Després la traducció continua en el ribosoma. 2.4.1.8. Eliminació del pèptid senyal Exemple de cotranslocació d'una proteïna de membrana i eliminació del pèptid senyal. 2.4.2. Traducció posttraduccional Procés essencial per garantir que les proteïnes es dirigeixin correctament a les seves destinacions finals dins de la cèl·lula. Les proteïnes són completament sintetitzades en els ribosomes lliures del citoplasma abans de ser importades a l'orgànul final gracies a un pèptid senyal. Proteïnes translocació postraduccional: ○ Mitocòndria ○ Peroxisoma ○ Cloroplast ○ Nucli 5  ○ Proteïnes molt petites (RE) Seqüència senyal: dirigeix la proteïna cap a l'orgànul. Xaperones: la translocació posttraduccional sovint requereix ajuda de xaperones (Hsp70), manté la proteïna desplegada per la translocació. Complex Sec: complex que permet el pas de la proteïna. Energia: sovint requereix energia addicional en forma ATP. 2.4.2.1. Modificacions posttraducionals Són el tràfic de proteïnes pels diferents compartiments del sistema endomembranós. ○ Les proteïnes solubles i les integrals de membrana sintetitzades a reticle pateixen modificacions post-traduccionals. Començen a reticle i segueixen a diferents compartiments com el Golgi i les vesícules. Existeix un gran nombre de modificacions posttraduccionals en les proteïnes (>100). Les més freqüents són la glicosilació i la fosforilació. Les proteïnes membranes i solubles que se sintetitzen en el RER pateixen 4 modificacions principals abans d’arribar al seu destí final: ○ Adició covalent i processament del carbohidrats (glicosilació) → RER i Golgi ○ Formació d’enllaços disulfur → RER ○ Plegament adequat de les cadenes peptídiques i el assemblatge de proteïnes de múltiples subunitats → RER ○ Hidròlisi proteolítica especifica → RE, Golgi i vesícules de secreció Les proteïnes mal plegades, parcialment plegades, o no plegades son retingudes al RE i després degradades. Glicosilació ○ La majoria de proteïnes que se sintetitzen en el RE sofreixen glicosilació, obtenint-se glicoproteïnes. ○ Podem tenir O-glicosilació, el glúcid s’uneix a través del –OH a la Ser o Thr o N-glicosilació units al Nitrogen amida de l’Asn. ○ La N-glicosilació s’inicia en el RE amb l’addició d’un precursor oligosacàrid de 14 residus. ○ El precursor conté 3 Glucoses (Glc), 9 manoses (Man) i 2 N- acteilglucosamina (GlcNAc), aquest precursor s’escriu com a Glc3Man9(GlcNAc)2 ○ Un cop s’ha agregat a la proteïna, aquesta estructura de carbohidrats ramificada es modifica per eliminació o addició de monosacàrids en els compartiments de RER i Golgi. ○ Abans de la transferència en una cadena naixent de proteïna en el lumen del RE, l’oligosacàrid precursos s'uneix a un dolicol fosfat (lípid de cadena llarga) que es troba ancorat a la membrana. ○ El precursor de 14 residus es transferit des del portador dolicol a un residu d’Asn del polipèptid a mesura que aquest creix i surt al lumen del RE. ○ Reacció catalitzada per un enzim de la transferasa oligosacàrid, que està lligat a la membrana associada al translocó. La glicosilació és l’addició d'oligosacàrids en el reticle i en el Gogi. Els oligosacàrids són senyals que ajuden al destí final de la proteïna i eviten agregacions de diferents proteïnes. Aquest oligosacàrid precursor està unit a un lípid, el dolicol i es troba al lumen del reticle. 6  Quan la proteïna entra , l’oligosacàrid es transfereix a residus d’asparagina (N-oligosacàrids). 2.4.3. Plegament de proteïnes El RER controla en correcte plegament de proteïnes. El ràpid plegament de les proteïnes de nova síntesi depèn de l’acció seqüencial de diferents proteïnes del RER. La calnexina (membrana RER) i la calreticulina (lumen RER) s’uneixen selectivament a Noligosacàrids amb una Glc terminal atrapant les proteïnes mal plegades al RER. Una Glicosiltransferasa del lumen del RER es l’encarregada de localitzar les proteïnes mal plegades per transferir N-oligosacàrid de reconeixement. 2.4.3.1. Xaperones: heat-shok-protein family HSP60/HSP10 family Les xaperones actuen en etapes primerenques, reconeixent un petit tram d'aminoàcids hidrofòbics a la superfície d'una proteïna. S'uneix a la proteïna (cadena polipeptidica) objectiu i gràcies a la hidròlisi d'ATP l'ajuden a plegar-se correctament. Quan hi ha excés de proteïnes mal plegades el reticle respon amb un increment de xaperones. 2.4.3.2. Visió actual del plegament de proteïnes Els domini d'una proteïna acabada de sintetitzar assoleix ràpidament un estat de "glòbul fos". El plegament posterior es produeix de manera més lenta i a través de múltiples vies, sovint amb l'ajuda d'una xaperona molecular. Algunes molècules poden seguir sense plegar-se correctament; aquestes són reconegudes i degradades per proteases específiques. 2.4.3.3. Eliminació de proteïnes mal plegades Les proteïnes mal plegades en el RE es transloquen de nou al citosol on són deglicosilades, ubiquitinades i degradades en els proteasomes. Les proteïnes mal plegades s'exporten a través del mateix tipus de translocador que va mediar el seu import. ○ no volem proteïnes mal plegades perque causa un mal funcionament de la cèl·lula 2.4.3.4. Els agregats proteics són causa de malalties en humans Alzheimer Huntington Demència 3. Reticle endoplasmàtic llis 3.1. Morfologia Xarxa de túbuls membranosos (no sacs) interconnectats. Poden variar en grandària i forma segons el tipus cel·lular. Continuació del RER Superfície llisa, no presenta ribosomes. 7 3.2. Funció Síntesi i magatzem de lípids; fosfolípids, colesterol i ceramida (precursor esfingolípids) ○ Exemple sintesi de fosfolípis de membrana: Múltiples etapes i en la interfase entre la membrana i el citosol. Enzims en la cara citosòlica del REL. Inserció a la membrana, cara citosòlica Asimetria: Síntesi de fosfolípids a la cara citosòlica del REL: els fosfolípids nous es localitzen en aquesta meitat de la bicapa lipídica. Flip-flop dels fosfolípids: Per equilibrar la distribució dels fosfolípids les flipases i flopases mouen elsfosfolípids Manteniment de l'asimetria funcional: la distribució dels diferents tipus de fosfolípids no és simètrica. Detoxificació ○ Hi ha reaccions de detoxificació per enzims, de la família del citocrom P450, que catalitzen una sèrie de reaccions que permeten que fàrmacs insolubles en aigua es converteixin en hidrosolubles Tòxics endògens (hormones, productes del metabolisme...) Tòxics exògens (pesticides, medicaments,...) són liposolubles i s’acumulen en membranes els toxics són liposolubles i s’acumulen en membranes REL d’hepatòcits, cèl. renals i pulmonars transformació en substancies hidrosolubles (eliminables) Regulació i magatzem de Ca2+ (contracció muscular) ○ Actua com a magatzem de ions calci (Ca²⁺ ), alliberant-los segons les necessitats de la cèl·lula, especialment en les cèl·lules musculars durant la contracció. ○ Permet el control precís i ràpid dels nivells de calci. ○ Miòcit / Cèl·lula muscular → Reticle Sarcoplasmàtic Reticle Sarcoplasmàtic ○ Xarxa de membranes que s'estén per tota la cèl·lula muscular. ○ Està organitzat al voltant de les miofibril·les (les unitats contràctils de la cèl·lula muscular) ○ Aquesta estructura envolta les miofibril·les de manera que pugui regular el flux de calci de manera eficient. ○ Funcions: Emmagatzematge de calci: El reticle sarcoplasmàtic emmagatzema grans quantitats de ions de calci (Ca²⁺ ). Alliberament de calci: Quan es desencadena un potencial d'acció, el calci és alliberat ràpidament del reticle sarcoplasmàtic al citoplasma de la cèl·lula muscular, permetent la contracció muscular. Reabsorció de calci: Després de la contracció, el calci és reabsorbit pel reticle sarcoplasmàtic, provocant la relaxació muscular Metabolisme d’hormones 8  Metabolisme de carbohidrats (glucosa-6-P) On trobarem nivells més alts de REL? ○ Cèl·lules adrenals: síntesi d’hormones (adrenalina, noradrenalina) (hormones de base lipídica) ○ Ovari: síntesi d’hormones (FSH,LH, estrògens) ○ Testicle: Testosterona ○ Epitelials: lipoproteïnes (els 4 anteriors) biosíntesi, base lípids/colesterol (g. Suprarrenals, gonadals) ○ Múscul: magatzem de Calci (R. Sarcoplasmàtic) ○ Hepatòcits: Biosíntesi dels components liposolubles (triglicèrids, colesterol, etc) Biosíntesi d’àcids biliars a partir de colesterol Catabolisme del glicogen per acció de la Glucose-6-phosphatase (G6P) Detoxificació 9