Tema 7 - Endomembranas - Biología Celular - PDF

Biología T E M A 7 : E N D O M E M B R A N A S : R E T Í C U L O E N D O P L Á S M I C O, C O M P L E J O D E G O L G I Y T R A F I C O V E S I C U L A R Y D E P R OT E Í N A S. M I T O C O N D R I A S E I N T E R C A M B I O...

Biología T E M A 7 : E N D O M E M B R A N A S : R E T Í C U L O E N D O P L Á S M I C O, C O M P L E J O D E G O L G I Y T R A F I C O V E S I C U L A R Y D E P R OT E Í N A S. M I T O C O N D R I A S E I N T E R C A M B I O D E M AT E R I A Y E N E R G Í A Paula Sáez Espinosa [email protected] TEORIA MÓDULO I: Biología Celular General BLOQUE 1: INTRODUCCIÓN Tema 1: Contexto histórico e importancia de la Biología Celular en nutrición. Tema 2: La célula: las unidades básicas de la vida. Estructura y organización de la célula procarionte y eucarionte. BLOQUE 2: MEMBRANAS CELULARES Y CITOSOL Tema 3: Estructura, composición y función de las membranas celulares. Membrana celular y endomembranas. Dominios de membrana, cubiertas celulares y compartimentación celular. Tema 4: Compartimento citosólico: citosol, ribosomas, síntesis de proteínas y cambios postraduccionales de las mismas. Proteínas de estrés (chaperonas, ubiquitinas y proteasomas) BLOQUE 3: CITOESQUELETO Y DIFERENCIACIONES DE LA SUPERFICIE CELULAR Tema 5: Citoesqueleto. Filamentos de actina, microtúbulos y Filamentos Intermedios. Tema 6: Especializaciones de la superficie celular. Mecanismos y moléculas de adhesión celular. Comunicación celular. Mecanismos fundamentales de comunicación celular. BLOQUE 4: ORGÁNULOS MEMBRANOSOS Tema 7: Endomembranas: retículo endoplásmico, complejo de Golgi y trafico vesicular y de proteínas. Mitocondrias e intercambio de materia y energía. Tema 8: Compartimentación nuclear. Carioteca y láminas nucleares. Cromatina, cromosomas y nucléolo. Poros nucleares. Transporte núcleo/citoplasma. BLOQUE 5: RESPUESTA CELULAR Tema 9: El ciclo celular. Mitosis y meiosis. Diferenciación celular. Tema 10: Concepto y mecanismos del crecimiento, diferenciación y renovación celular. Viabilidad y muerte celular. Apoptosis. Biología celular del cáncer. ÍNDICE Distribución de las proteínas Transporte a través del núcleo Transporte a través de las membranas Transporte vesículas Vías secretoras Vías endocíticas Distribución de las proteínas  Ribosomas libres Elaboración de las proteínas Interior del núcleo Mitocondrias Peroxisomas Ribosomas unidos a membrana Retículo endoplasmático Complejo de Golgi Lisosomas Endosomas Membranas nucleares Introducción a la Biología Celular - Alberts Introducción a la Biología Celular - Alberts Mecanismos de ingreso de las proteínas a los orgánulos Introducción a la Biología Celular - Alberts  ¿Cómo saben las proteínas hacia donde tienen que dirigirse? La señal de distribución típica de las proteínas es un segmento continuo de la secuencia de aminoácidos, por lo general, de 15 a 60 aminoácidos de longitud. Con frecuencia (pero no siempre) esta secuencia señal se elimina de la proteína terminada, una vez que se realizó la distribución. Transporte a través de los poros nucleares Mecanismos de ingreso de las Ribosomas libres proteínas a los Interior del núcleo orgánulos Mitocondrias Peroxisomas Ribosomas unidos a membrana Retículo endoplasmático Complejo de Golgi Lisosomas Endosomas Membranas nucleares Introducción a la Biología Celular - Alberts Las proteínas ingresan en el núcleo a través de los poros nucleares Introducción a la Biología Celular - Alberts La membrana nuclear externa se continúa con la membrana del RE Introducción a la Biología Celular - Alberts Introducción a la Biología Celular - Alberts  Las proteínas son transportadas al núcleo en su conformación plegada mediante un receptor de importanción nuclear Introducción a la Biología Celular - Alberts Transporte a través de las membranas Mecanismos de ingreso de las Ribosomas libres proteínas a los Interior del núcleo orgánulos Mitocondrias Peroxisomas Ribosomas unidos a membrana Retículo endoplasmático Complejo de Golgi Lisosomas Endosomas Membranas nucleares Introducción a la Biología Celular - Alberts Mitocondrias Introducción a la Biología Celular - Alberts Mitocondrias Biología celular – Ricardo Paniagua Proteínas translocadoras en las membranas mitocondriales Molecular Biology of the Cell - Alberts Las proteínas precursoras mitocondriales se despliegan durante la importación Transporte al espacio de la matriz interna Molecular Biology of the Cell - Alberts Mecanismos de Ribosomas libres ingreso de las Interior del núcleo proteínas a los Mitocondrias orgánulos Peroxisomas Ribosomas unidos a membrana Retículo endoplasmático Complejo de Golgi Lisosomas Endosomas Membranas nucleares Introducción a la Biología Celular - Alberts Las proteínas ingresan en los peroxisomas principalmente desde el citosol pero también desde el retículo endoplasmático Los peroxisomas están rodeados por una sola membrana y no contienen ADN ni ribosomas. Debido a que los peroxisomas carecen de genoma, todas sus proteínas están codificadas en el núcleo. Contienen enzimas oxidativas, como la catalasa y las oxidasas flavínicas, en concentraciones tan altas que, en algunas células, los peroxisomas se destacan en micrografías electrónicas debido a la presencia de un núcleo proteico cristaloide. Molecular Biology of the Cell - Alberts Los peroxisomas levan a cabo reacciones oxidativas utilizando oxígeno y peróxido de hidrógeno Mediante su dotación enzimática los peroxisomas pueden intervenir en diversas vías metabólicas, que difieren según los organismos y el tipo de tejido. Las funciones específicas mejor conocidas son el catabolismo de las purinas, el metabolismo de los lípidos y el metabolismo del ácido glicólico. Biología celular – Ricardo Paniagua Formación de un peroxisoma Las enzimas del peroxisoma se sintetizan en los ribosomas libres. Estas enzimas poseen un péptido señal aminoterminal, denominado PTS (peroxisomal targeting signal) PTS1 o PTS2. A estas señales se une una proteína citosólica receptora (PTS1R o PTS2R) que transporta las enzimas hasta receptores específicos denominados peroxinas. La entrada de estas enzimas requiere Hsp70 citosólicas y ATP, aunque la proteína no necesita desplegarse para penetrar. Mientras que la señal PTS1 permanece siempre unida a la enzima, la señal PTS2 es lisada en el interior del peroxisoma. Biología celular – Ricardo Paniagua Mecanismos de Ribosomas libres ingreso de las Interior del núcleo proteínas a los Mitocondrias orgánulos Peroxisomas Ribosomas unidos a membrana Retículo endoplasmático Complejo de Golgi Lisosomas Endosomas Membranas nucleares Introducción a la Biología Celular - Alberts  El retículo endoplasmático es la red de membranas más extendida de las células eucariotas A diferencia de los orgánulos estudiados hasta ahora, sirve como punto de entrada para proteínas destinadas a otros orgánulos, así como al propio RER. Las proteínas destinadas al aparato de Golgi, los endosomas y los lisosomas, así como las proteínas destinadas a la superficie celular, ingresan primero en el RER desde el citosol y luego son dirigidas mediante vesículas de transporte. Introducción a la Biología Celular - Alberts Las proteínas ingresan en el retículo endoplasmático mientras son sintetizadas en los ribosomas de la membrana Introducción a la Biología Celular - Alberts  Retículo endoplasmático rugoso Los ribosomas que traducen proteínas que contienen una secuencia señal de RE (amarilla) en la cadena polipeptídica en crecimiento serán dirigidos a la membrana del RE. Muchos ribosomas se unen a cada molécula de mRNA y forman un polirribosoma. Biología celular – Ricardo Paniagua Variaciones en los péptidos señal según el destino de la proteína (1) Las proteínas hidrosolubles, que son translocadas por completo a través de la membrana del RE y liberadas en su luz. (2) Las futuras proteínas transmembrana, que son translocadas solo en forma parcial a través de la membrana del RE e incluidas en esta. Las proteínas hidrosolubles están destinadas a secreción (por liberación en la superficie celular) o a la luz de un orgánulo del sistema de endomembranas. Las proteínas transmembrana están destinadas a residir en la membrana de uno de estos orgánulos o en la membrana plasmática. Todas estas proteínas son dirigidas inicialmente al RE por una secuencia señal de RE Glucosilación La misión del retículo endoplasmático rugoso es el almacenamiento de las proteínas sintetizadas por sus ribosomas para su glucosilación y empaquetamiento, con objeto de ser transferidas a otro orgánulo membranoso o ser secretadas al exterior. Las proteínas sintetizadas por los ribosomas libres no se glucosilan ni son empaquetadas, y permanecen en el hialoplasma. Si han de pasar a algún orgánulo, lo hacen a través de la membrana de éste por un sistema de bombeo.  Glucosilación – oligosacáridos N En el retículo endoplasmático rugoso se transfiere a las proteínas sintetizadas un tipo único de oligosacárido, compuesto por 14 azúcares: 2 moléculas de N-acetil-glucosamina, 9 moléculas de manosa y 3 de glucosa. Este oligosacárido está unido a la cadena lateral (en el -NH2) de los residuos de asparagina que se encuentran en las secuencias Asn-X-Ser o Thr, siendo X cualquier aminoácido diferente a la prolina. Molecular Biology of the Cell - Alberts Destino de las proteínas sintetizadas en el retículo endoplasmático rugoso Formación de las membranas del retículo endoplasmático rugoso y liso, de la envoltura nuclear y del complejo de Golgi, junto con las enzimas que forman parte de estas membranas o que están contenidas en su luz. Secreción celular -> Proteínas sintetizadas en el retículo endoplasmático rugoso pasan al complejo de Golgi y desde éste se emiten en el interior de vesículas de secreción que se unen a la membrana plasmática, vertiendo el contenido por exocitosis. La membrana de estas vesículas contribuye a la reposición de la membrana plasmática, incluyendo el glicocálix. Enzimas lisosómicas (hidrolasas ácidas), que pasan por el complejo de Golgi para emitirse desde éste en vesículas que forman los lisosomas o se unen a lisosomas ya existentes. Retículo endoplasmático liso En las células que poseen abundante retículo endoplasmático liso (hígado, corteza suprarrenal, cuerpo lúteo, células de Leydig), éste se distingue morfológicamente del rugoso porque, además de carecer de ribosomas, forma túbulos y no cisternas. Molecular Biology of the Cell - Alberts Funciones del retículo endoplasmático liso Síntesis de lípidos -> En el REL se sintetizan los fosfolípidos, la ceramida y el colesterol (el de las membranas celulares y el que queda en el citosol como gotitas lipídicas). Síntesis de derivados lipídicos -> Entre los derivados lipídicos sintetizados en el REL se encuentran las hormonas esteroideas, los quilomicrones de los enterocitos, las lipoproteínas de los hepatocitos y los ácidos biliares también de los hepatocitos. Detoxificación -> Muchas sustancias tóxicas liposolubles (barbitúricos, etanol, insecticidas, herbicidas, conservantes, medicamentos, desechos industriales, etc.), así como muchos de los productos tóxicos liposolubles del metabolismo se degradan en el REL. Regulación del nivel de calcio -> El calcio se almacena en el retículo endoplasmático liso unido a la proteína calsecuestrina. Transporte vesícular  Las proteínas ingresan en los Ribosomas del citosol orgánulos por Interior del núcleo medio de tres Mitocondrias Peroxisomas mecanismos A través de RE Complejo de Golgi Lisosomas Endosomas Membranas nucleares Introducción a la Biología Celular - Alberts  El transporte vesicular permite que los materiales entren a la célula o salgan de ella El transporte desde el RE al aparato de Golgi -y desde el aparato de Golgi a otros compartimentos del sistema de endomembranas- se lleva a cabo mediante la gemación y fusión de vesículas de transporte. Introducción a la Biología Celular - Alberts  En el aparato de Golgi se modifican y clasifican las proteínas y los lípidos para el envío a otros sitios Por lo general, el ingreso en la luz del RE es solo el primer paso de la vía hacia otro destino. Ese destino, por lo menos, al principio, suele ser el aparato de Golgi. Introducción a la Biología Celular - Alberts Las proteínas son modificadas y especializadas en forma adicional en el aparato de Golgi Introducción a la Biología Celular - Alberts Las cadenas de oligosacáridos sufren modificaciones en el aparato de Golgi Molecular Biology of the Cell - Alberts Las vesículas de transporte brotan de una membrana y se fusionan con otra, y transportan componentes de la membrana y proteínas solubles entre los compartimentos del sistema de endomembranas y la membrana plasmática Molecular Biology of the Cell - Alberts Vesículas recubiertas Introducción a la Biología Celular - Alberts El desprendimiento de las vesículas es impulsado por el ensamblado de una cubierta proteica. Las moléculas de clatrina forman estructuras semejantes a cestas que ayudan a modelar las membranas en forma de vesículas Introducción a la Biología Celular - Alberts Después de que una vesícula de transporte brota de una membrana debe encontrar el camino a su destino correcto y entregar su contenido. La vesícula es transportada en forma activa por proteínas motoras que se mueven a lo largo de las fibras del citoesqueleto. Molecular Biology of the Cell - Alberts Las proteínas Rab, ancladas y SNARE ayudan a dirigir las vesículas de transporte a sus membranas diana Introducción a la Biología Celular - Alberts Vías secretoras / endocíticas Vías secretoras Las tres vías de clasificación de proteínas en la red trans del aparato de Golgi Molecular Biology of the Cell - Alberts Introducción a la Biología Celular - Alberts  Secreción constitutiva: La realizan todas las células continuamente. Corresponde a sustancias destinadas al medio extracelular (como la lámina basal de las células epiteliales y los proteoglucanos y proteínas de la matriz extracelular), a la propia superficie celular (como los receptores de la membrana plasmática), e incluso puede incluirse en este tipo de secreción la renovación de la membrana plasmática y de su glicocálix. Secreción regulada: Se produce sólo en algunas células, células secretoras, e implica la secreción celular propiamente dicha (enzimas digestivas, por ejemplo). Mientras que las vesículas de secreción constitutiva se fusionan con la membrana plasmática nada más llegar, las de secreción regulada esperan hasta que reciben la señal para que la célula segregue. Por ejemplo, un aumento en la glucosa sanguínea da la señal a las células del páncreas para que segreguen la hormona insulina. Molecular Biology of the Cell - Alberts Vías endocíticas Endocitosis Las células fagocíticas especializadas ingieren partículas grandes Molecular Biology of the Cell - Alberts Se captan líquido y macromoléculas mediante pinocitosis Molecular Biology of the Cell - Alberts Los virus pueden ingresar en las células a través de endocitosis mediada por receptores Introducción a la Biología Celular - Alberts La endocitosis mediada por receptores proporciona una vía específica en las células animales Introducción a la Biología Celular - Alberts  Esta vía de captación de colesterol está alterada en aquellas personas que heredan una versión defectuosa del gen que codifica el receptor proteico de LDL. Dado que las células son deficientes en la captación de LDL, se acumula colesterol en la sangre y predispone al individuo a presentar ateroesclerosis y ataques cardíacos. La endocitosis mediada por receptores también se utiliza para captar otros metabolitos esenciales, como la vitamina B12 y el hierro. Por ejemplo, se requiere tanto vitamina B12 como hierro para sintetizar hemoglobina. Otros receptores de superficie celular que se unen a moléculas señal extracelulares también son ingeridos por esta vía: algunos son reciclados a la membrana plasmática, mientras que otros son degradados en los lisosomas. Los lisosomas son los principales sitios de digestión intracelular Los lisosomas contienen alrededor de 40 tipos de enzimas hidrolíticas, incluidas las que degradan proteínas, ácidos nucleicos, oligosacáridos y lípidos. La membrana lisosómica contiene transportadores que permiten que los productos finales de la digestión de macromoléculas, como aminoácidos, azúcares y nucleótidos, sean transferidos citosol; desde allí, estos materiales pueden ser exportados o utilizados por la célula. Introducción a la Biología Celular - Alberts  Conceptos esenciales Las células eucariontes contienen numerosos orgánulos limitados por membrana, entre los que se incluye un núcleo, un retículo endoplasmatico (RE), un aparato de Golgi, lisosomas, endosomas, mitocondrias, cloroplastos (en las células vegetales) y peroxisomas. El RE, el aparato de Golgi, los peroxisomas, los endosomas y los lisosomas forman parte del sistema de endomembranas. La mayoría de las proteínas de los orgánulos se sintetizan en el citosol y son transportadas al orgánulo donde funcionan. Las señales de distribución de la secuencia de aminoácidos guían a las proteínas al orgánulo correcto; las proteínas que actúan en el citosol no contienen estas señales y permanecen donde son sintetizadas. Las proteínas nucleares contienen señales de localización nuclear que ayudan a dirigir su transporte activo desde el citosol al núcleo a través de los poros nucleares, que atraviesan la doble membrana de la envoltura nuclear. Las proteínas son transportadas en su conformación totalmente plegada. La mayoría de las proteínas de las mitocondrias y los cloroplastos son producidas en el citosol y, después, transportadas a los orgánulos por translocadores de proteínas de sus membranas. Durante el proceso de transporte, las proteínas se despliegan. EI RE produce la mayoría de los lípidos de la célula y muchas de sus proteínas. Las proteínas son sintetizadas por ribosomas que son dirigidos al RE por una partícula de reconocimiento de señal (SRP) del citosol, que reconoce una secuencia señal de RE en la cadena polipeptídica en crecimiento. El complejo ribosoma-SRP se une a un receptor de la membrana del RE, que pasa el ribosoma a un translocador de proteínas que enhebra la cadena polipeptídica en crecimiento a través de la membrana del RE. Las proteínas hidrosolubles destinadas a la secreción o a la luz de un orgánulo del sistema de endomembranas pasan por completo a la luz del RE, mientras que las proteínas transmembrana destinadas a la membrana de estos orgánulos o a la membrana plasmática permanecen ancladas en la bicapa lipídica. En la luz del RE, las proteínas se pliegan, se ensamblan con sus proteínas asociadas, forman enlaces disulfuro y son modificadas por el agregado de oligosacáridos.  Conceptos esenciales El transporte de proteínas del RE al aparato de Golgi y del aparato de Golgi a otros destinos es mediado por vesículas de transporte que se desprenden continuamente de una membrana y se fusionan con otra, un proceso denominado transporte vesicular. Las vesículas de transporte que se fusionan con la membrana para salir de las células presentan proteínas de cubierta distintivas en su superficie citosólica; el ensamblado de la cubierta ayuda a impulsar tanto el proceso de desprendimiento como la incorporación de receptores de carga, con sus moléculas de carga unidas, en la vesícula en formación. La fijación y la fusión son mediados por proteínas de la superficie de la vesícula y la membrana, incluidas proteínas Rab, ancladas y SNARE. El aparato de Golgi recibe proteínas recién producidas del RE; modifica sus oligosacáridos, clasifica las proteínas y las distribuye desde la red de trans Golgi a la membrana plasmática, los lisosomas (vía endosomas) o vesículas secretoras. En todas las células eucariontes, las vesículas de transporte brotan continuamente de la red trans del Golgi y se fusionan con la membrana plasmática; este proceso de exocitosis constitutiva entrega proteínas a la superficie celular para secreción, e incorpora lípidos y proteínas en la membrana plasmática Las células secretoras especializadas también tienen una vía de exocitosis regulada, en la que se liberan moléculas concentradas y almacenadas en vesículas secretoras por exocitosis, cuando la célula recibe una señal de secreción. Gran parte del material endocitado es entregado a endosomas, que se transforman en lisosomas, en los que el material es degradado por enzimas hidrolíticas; sin embargo, la mayor parte de los componentes de la membrana de la vesícula endofítica son reciclados en vesículas de trans- porte y devueltos a la membrana plasmática para su reutilización.