Tema 7. Transporte Vesicular PDF

TEMA 7. COMPARTIMENTACIÓN CELULAR II: TRANSPORTE VESICULAR 1. Orgánulos de las vías secretora, endocítica y lisosómica 2. Tráfico vesicular: mecanismos de transporte y clasificación 3. Transporte entre el retículo endoplásmico y el complejo de Golgi 4. Complejo de Golgi: estructura y com...

TEMA 7. COMPARTIMENTACIÓN CELULAR II: TRANSPORTE VESICULAR 1. Orgánulos de las vías secretora, endocítica y lisosómica 2. Tráfico vesicular: mecanismos de transporte y clasificación 3. Transporte entre el retículo endoplásmico y el complejo de Golgi 4. Complejo de Golgi: estructura y compartimentación funcional 5. Exocitosis y endocitosis Ampliación en DINÁMICA INTRACELULAR 6. Sistema lisosómico 1 1. Orgánulos de las rutas biosintética-secretora, endocítica y lisosómica Orgánulos que forman una red coordinada de transporte vesicular de materiales entre el interior y el exterior celular, en ambos sentidos Vesícula de endocitosis Vía por defecto (exocitosis) En rojo: tráfico anterógrado En verde: vía endocítica En gris: compartimentos cuyo lumen es En azul: tráfico retrógrado (de recuperación) topológicamente equivalente al exterior celular Para su transporte entre los orgánulos, las moléculas son cargadas en vesículas rodeadas por una membrana Proteínas de secreción Proteínas de la membrana plasmática (glucocáliz) Experimentos de pulso y caza con aas radiactivos y autorradiografía  La membrana de las vesículas formadas en el compartimento dador se fusiona con la membrana del compartimento receptor Las moléculas (carga) son cargadas selectivamente en las vesículas, manteniéndose su polaridad ¿MECANISMOS? Carga 2. Tráfico vesicular de proteínas: mecanismos de transporte y clasificación 2.1. Proteínas Rab y complejos SNARE 1 contacto inicial y UNIÓN 2 ANCLAJE 3 FUSIÓN de membranas Figure 13-14, 3-16 Molecular Biology of the Cell  Las proteínas Rab guían las vesículas hacia puntos específicos de la membrana T confiriendo especificidad al transporte vesicular Familia de GTPasas monoméricas, >60 miembros unida a membrana soluble en citosol Regulación de las Rab *  Las proteínas SNARE 1) anclan las vesículas a la membrana formando complejos tetraméricos (aportando especificidad adicional al sistema) y 2) facilitan la fusion de membranas y la consiguiente liberación de la carga sinaptobrevina SNARE = Soluble NSF Attachment Protein REceptor = N-ethylmaleimide-sensitive factor) ,Rabs Componentes del complejo SNARE en la sinapsis neuronal 2. Tráfico vesicular de proteínas: mecanismos de transporte y clasificación 2.2. Proteínas de la cubierta vesicular La formación de vesículas revestidas con cubierta proteica ocurre en dominios de la membrana donde se acumulan marcadores de carga (prot. transmembrana y receptores de prot. solubles) Las proteínas de la cubierta reconocen y se unen a los marcadores para una carga selectiva Una GTPasa de control de reclutamiento (Sar1, ARF) permite el anclaje de las proteínas de la cubierta Una vez formada la vesícula con la cubierta proteica esta se desmantela y la vesícula desnuda puede fusionarse con la membrana receptora Transporte de las vesículas TEM Aspecto de las vesículas recubiertas de clatrina  Existen distintos tipos de cubiertas vesiculares que participan en el tráfico entre compartimentos distintos Clatrina (+ adaptinas) Figure 13-4, 13-5 Molecular Biology of the Cell COP = COat-Protein subunits (Coatómero) 7 subunidades 4 subunidades trisquelion 3 subunid. pesadas + 3 subunid. ligeras  Etapas en la formación de la cubierta vesicular de clatrina 1. Las interacciones laterales de los complejos clatrina-adaptina generan fuerzas que deforman la membrana y producen curvatura, conformando una caja poliédrica que provoca la invaginación de la membrana (en zonas de acumulación de receptores específicos de carga) 2. La dinamina (GTPasa citosólica) forma un anillo que acerca las hemimembranas posibilitanto su fusión y la liberación de la vesícula 3. Desensamblaje y reciclado de la cubierta 3 Figure 13-12 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 2 1 dinamina  La composición proteica de la cubierta y las GTPasas asociadas permiten: – el direccionamiento vesicular específico entre los distintos compartimentos (TABLA 17-1) – la carga específica de proteínas mediante el reconocimiento de secuencias señal (subunidades de la cubierta/complejos AP=adaptinas) + AP5 + AP4 adaptinas Lodish et al. (2005) Molecular Cell Biology. 5th ed.  La composición proteica de la cubierta y las GTPasas asociadas permiten: – el direccionamiento vesicular específico entre los distintos compartimentos – la carga específica de proteínas mediante el reconocimiento de secuencias señal (subunidades de la cubierta/complejos AP=adaptinas) (TABLA 17-2) Lodish et al. (2005) Molecular Cell Biology. 5th ed.  Los complejos tetraméricos AP se unen a la cola citoplasmática de la proteína carga y a los trisqueliones de clatrina, acoplando así la carga selectiva de la proteína en la vesícula con la polimerización de la cubierta vesicular Las subunidades AP experimental cambios conformacionales y fosforilación reversible, ciclando entre sus estados activo e inactivo AP1 se une a membranas ricas en PI4P en la red de trans-Golgi AP2 se une a membranas ricas en PI4,5biP en la membrana plasmática Traffic.2019;20:741–751 13 3. Transporte entre el Retículo Endoplásmico y el complejo de Golgi Transporte anterógrado de proteínas a través de agregados túbulo-vesiculares o ERGIC (Endoplasmic Reticulum-Golgi Intermediate Compartment); en vesículas COPII Transporte retrógrado (de recuperación) de proteínas residendes del RE y reciclaje de componentes del sistema de transporte (proteínas SNARE, Rabs, proteínas de cubierta, etc.); en vesículas COPI agregados túbulo- vesiculares ERGIC cis cis trans trans ERGIC reciclaje de prot. del RE (residentes, SNAREs, …) Figure 13-23, 13-25 Molecular Biology of the Cell  retención en RE retención en RE Sec24 RE cis-Golgi  Las proteínas salen del RE mediante su interacción con las proteínas de la cubierta COPII  3) Unión de otras proteínas COPII (Sec13/Sec31) para formar la cubierta externa, 2) Unión de Sar1-GTP a seguida de la liberación de la proteínas adaptadoras de COPII 1) Activación de la GTPasa vesícula Sec23/Sec24 que reconocen las Sar1, cambio conformacional e señales de carga; formación de la inserción en la membrana; cubierta interna inducción de curvatura carga selectiva y (unida a inhibidor concentración en las GDI) vesículas activador 16  Las proteínas residentes del lumen del RE (con señal KDEL) son recuperadas en vesículas con cubierta COPI 4. El complejo de Golgi: estructura y compartimentación funcional Célula animal Golgi ribbon Célula vegetal Golgi mini-stacks  La estructura, organización y localización del complejo de Golgi están implicadas en el mantenimiento del estado polarizado de las células y su tráfico vesicular Positioning of the Golgi apparatus in different contexts of cell polarity (a). In most (but not all) migrating cell types, the Golgi apparatus is positioned with the centrosome in front of the nucleus in the direction of migration. Leucocytes are a notable exception. (b). Epithelial cells exhibit basolateral polarity which relies on polarized membrane trafficking. In these cells, the Golgi apparatus is located between the nucleus and the apical surface. (c). During the formation of an immunological synapse between a T-cell and a target antigen-presenting cell, the T-cell polarizes, and its Golgi apparatus reorients toward célula caliciforme de la tráquea the synapse to maintain polarized membrane trafficking toward establishing a target cell-T-cell contact. (d). Transport in the axon from the cell body to the growth cone is crucial to maintain the polarized organization of neuronal cells. In pyramidal neurons, the position of the Golgi apparatus in the cell body correlates with the position of the main axon. (e). Radial glial cells display a nonpericentrosomal Golgi positioning. The centrosome localizes close to the ventral side, while the Golgi apparatus is shifted toward the basal lamina close to the nucleus. Vesicular trafficking is mostly oriented perpendicular to the polarity axis in these cells. También puede tener una localización no polarizada  El complejo de Golgi tiene un papel central en la secreción proteica y el tráfico de membrana Experimentos de pulso y caza con aas radiactivos Dinámica del paso de las proteínas por los y autorradiografía compartimentos de la vía biosintética-secretora Contribuye a la regulación de numerosos procesos celulares: división celular, diferenciación, respuestas al estrés, autofagia, apoptosis, inflamación, etc.  El complejo de Golgi es el lugar de modificación de glucoproteínas, proteoglucanos, lípidos y polisacáridos de plantas (N-glucosilación, O-glucosilación, sulfatación, fosforilación, etc.) Glúcidos añadidos en el RER El resto de son añadidos en el Golgi doi: 10.1101/cshperspect.a005199  El complejo de Golgi está formado por una o varias “pilas” de (4-6) cisternas aplanadas llamadas dictiosomas ERGIC RECICLAJE La red del cis Golgi distribuye proteínas procedentes del RE hacia la siguiente cisterna Modificación de glucoproteínas y otras moléculas La red del trans Golgi clasifica y distribuye las proteínas hacia la membrana plasmática y otros destinos celulares Especialización funcional de cisternas, con dotación específica de enzimas residentes siguiendo gradientes de concentración Figure 13-27 Molecular Biology of the Cell CGN cisterna trans TGN La dotación de enzimas puede variar entre tipos celulares 22  Glúcidos añadidos Glúcidos eliminados Actúan secuencialmente distintas: glucosil-hidrolasas 2, 4 glucosil-transferasas 3,5 transportadores de nucleótidos de oligosacáridos 5 Figure 13-28, 13-32 Molecular Biology of the Cell  Organización y compartimentación funcional del complejo de Golgi ¿transporte vesicular o maduración de cisternas? cisternas estáticas con una cisternas que maduran dotación específica de enzimas conforme migran residentes Figure 13-35 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)  Las golginas son proteínas de la matriz del Golgi que mantienen la estructura del dictiosoma Las golginas de distintas cisternas del Golgi se unen a diferentes poblaciones de vesículas  Las golginas participan en la reorganización y fragmentación del Golgi durante la división celular y la apoptosis Papel del citoesqueleto en la organización y función del complejo de Golgi Nucleación y polimerización de microtúbulos (el Golgi como MTOC) 1 in cell periphery “search and capture” 2 towards cell centre 3 Figure 2. The role of microtubules in Golgi ribbon formation and polarized secretion. A, Assembly of the Golgi ribbon occurs in 2 phases. The first phase involves 1) nucleation and polymerization of microtubules at Golgi stacks. The microtubules act in a ‘search and capture’ manner to contact other Golgi stacks in the vicinity that move along the microtubules towards the minus end, bringing the stacks together in the cell periphery. 2) The clustered stacks move along centrosomally-nucleated microtubules towards the minus ends, bringing them together in the cell centre. 3) Tubular connections are made between the stacks resulting in the formation of a continuous Golgi ribbon (not shown). B, Golgi nucleated microtubules extend towards the leading edge of a migrating cell. TGN-derived transport carriers move along these microtubules towards the plus ends to mediate delivery of new membrane and secretory cargo at the leading edge of the cell. 27 Papel del citoesqueleto en la organización y función del complejo de Golgi Funciones de los filamentos de actina 28  5. Exocitosis y endocitosis La célula introduce partículas o moléculas en su Proceso de fusión de vesículas con la membrana interior mediante la formación de vesículas a partir plasmática, liberándose su contenido al exterior e de invaginaciones de la membrana plasmática incorporándose los componentes de su membrana Clases y mecanismos de endocitosis a la membrana plasmática: - Renovación de la membrana plasmática - Secreción de componentes de la MEC - Secreción de moléculas señalizadoras Los flujos de membrana anterógrado (exocitosis) y retrógrado (endocitosis) deben compensarse entre sí para mantener la homeostasis y el tamaño celular DINÁMICA INTRACELULAR El endosoma constituye un reservorio de proteínas de membrana (transportadores, receptores, etc) que permite su rápida movilización  Ruta secretora constitutiva: funciona a un ritmo constante en todas las células para mantener la membrana plasmática y la MEC. Es una ruta no selectiva (vía por defecto) Ruta secretora regulada: presente en células especializadas en la secreción rápida (hormonas, neurotransmisores, enzimas digestivas, etc.) en respuesta a mensajeros químicos que producen una señalización intracelular sinapsis neuronal desgranulación de las células cebadas Figure 13-63 Molecular Biology of the Cell  Proteínas de secreción: concentración progresiva de las durante su tránsito desde el RE (por modificación bioquímica, recuperación retrógrada en vesículas COPI y acidificación del lumen) hasta abandonar el trans-Golgi; vesículas de clatrina Recuperación posterior de membrana y contenido luminal “sobrante”, y mayor concentración de la carga secreción en grandes cantidades ¿Señales de clasificación? fusión de ↑ memb. membranas plasmática Figure 13-65, 13-66, 13-68 Molecular Biology of the Cell 6. Sistema lisosómico: heterofagosomas y autofagosomas Los lisosomas son orgánulos que contienen enzimas El endosoma hidrolíticas utilizadas en la digestión intracelular constituye un (fagocitosis): procesamiento de moléculas ingeridas por reservorio de la célula o propias, reciclaje de componentes celulares. proteínas de membrana Son orgánulos de aspecto heterogéneo (transportadores, receptores, etc) que permite su rápida movilización Las hidrolasas lisosomales funcionan a pH ácido (su defecto provoca enfermedades de acúmulo lisosomal) heterofagia autofagia DINÁMICA INTRACELULAR Figure 13-36,13-56 Molecular Biology of the Cell  La señal de clasificación que dirige las hidrolasas lisosomales desde el trans-Golgi hacia el endosoma tardío/lisosoma son monosacáridos manosa-6-fosfato (M6P) unidos en residuos de asparagina La unión de la M6P a las hidrolasas lisosomales se produce en el cis-Golgi La carga selectiva en vesículas de clatrina se produce por unión de la M6P a su receptor en el trans- Golgi (o en la membrana plasmática para su recuperación por endocitosis) Figure 13-64 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) TEMA 7: LECTURAS RECOMENDADAS Alberts et al., 2010, 4/5ª ed., Ed. Omega - Cap. 13. Tráfico vesicular intracelular Becker et al., 2008, 6/7ª ed., Pearson/B. Cummings - Cap. 12. Compartimentos intracelulares Karp, 2010, Cell Biology 6ª ed., Wiley eds. - Cap 12. Cellular organelles and membrane trafficking 34