Seminario 7 Mecanismos de distribución de macromoléculas y membranas - Tomas Falzone

Mecanismos de Distribución Celular

Introducción al Seminario

• Bienvenida al seminario siete, continuación del seminario seis, enfocado en mecanismos de distribución celular.

• Se abordarán las macromoléculas y su direccionamiento a diferentes lugares dentro de la célula.

Objetivos del Seminario

• Describir componentes celulares y membranas, vías de síntesis de proteínas y su distribución.

• Comprender cómo las vesículas se dirigen a diferentes orientaciones y procesos como maduración, transporte, degradación y secreción.

Estructura Celular

• Presentación de microscopía electrónica que muestra la complejidad organizativa dentro de la célula.

• Discusión sobre el sistema complejo de membranas: envoltura nuclear, retículo endoplasmático (rugoso y liso), aparato de Golgi, lisosomas y mitocondrias.

Polaridad Celular

• Importancia de la organización polarizada en células epiteliales para facilitar el transporte interno.

• Relación entre compartimentos celulares y señales que dirigen proteínas a distintas localizaciones.

Señales Direccionadoras

• Las señales son cruciales para entender cómo una proteína es dirigida a diferentes lugares dentro de la célula.

• La síntesis proteica comienza en ribosomas libres; el direccionamiento depende del tipo de proteína (membrana, secreción o lisosomas).

Proceso de Síntesis Proteica

• Diferenciación entre proteínas que permanecen en el citosol versus aquellas dirigidas al retículo endoplasmático rugoso o mitocondrias.

• Importancia del entendimiento sobre las señales que permiten la traducción adecuada en ribosomas libres.

Envoltura Nuclear

• Características diferenciadas del núcleo eucariota que separan el componente genético del citoplasma.

• Proceso de maduración del ARN mensajero en el núcleo antes del transporte al citosol para su traducción.

Regulación Génica

Estructura y Función de los Poros Nucleares

Estructura de los Poros Nucleares

• Los poros nucleares están compuestos por estructuras de doble membrana que regulan el transporte entre el núcleo y el citoplasma, evidenciado a través de microscopía electrónica.

• Es crucial entender que las proteínas deben atravesar estos poros para entrar o salir del núcleo, lo que implica un mecanismo de regulación específico.

Señales de Localización Nuclear

• Las proteínas que ingresan al núcleo requieren una señal de incorporación, mientras que aquellas que salen necesitan una señal de exportación; estas señales son esenciales para la función celular.

• La estructura del poro nuclear incluye nucleoporinas y filamentos que facilitan este proceso, mostrando cómo se organizan en relación con la doble membrana.

Mecanismos de Transporte

• Las señales pueden estar presentes en la estructura desnaturalizada o ser parte de la conformación tridimensional final de la proteína, permitiendo su reconocimiento durante el transporte.

• Se identifican secuencias específicas en las proteínas (como prolina y leucina) que actúan como señales para su importación o exportación a través del poro nuclear.

Experimentos sobre Señales Proteicas

• Al introducir señales específicas en proteínas fluorescentes, se puede observar su localización en el núcleo; romper estas secuencias impide su entrada al núcleo.

• Este tipo de experimentos ayuda a determinar qué secuencias son necesarias para dirigir correctamente las proteínas hacia el núcleo.

Rol de RAN en el Transporte Nuclear

• Las GTPasas llamadas RAN son fundamentales para dar direccionalidad al transporte nuclear; se unen a las proteínas con señales específicas para facilitar su localización.

• En el citoplasma, RAN-GDP asocia las proteínas hacia el núcleo; al entrar al núcleo, intercambia GDP por GTP y libera la proteína dentro del mismo.

Ciclo Importador/Exportador

• Una vez dentro del núcleo, RAN-GTP puede arrastrar consigo una proteína con señal de exportación hacia fuera del núcleo.

Mecanismos de Transporte y Direccionamiento de Proteínas

Tipos de ARN y su Función

• Existen distintos tipos de ARN, donde el ARN mensajero no utiliza el sistema RAN, sino un sistema de transportinas que facilita su paso a través del poro nuclear.

• El ARN mensajero debe eliminar ciertas proteínas en el núcleo para permitir la salida de las proteínas estabilizadoras como el CAP y polias.

Importación Nuclear y Mitocondrial

• Las proteínas con señalización nuclear son sintetizadas en el citoplasma y ensambladas en estructuras tridimensionales reconocidas por señales de localización nuclear.

• Las proteínas destinadas a la mitocondria tienen señales crípticas que son reconocidas por chaperonas específicas, manteniéndolas desenrolladas durante su transporte.

Proceso de Translocación a la Mitocondria

• La internalización hacia la matriz mitocondrial requiere gasto de ATP, utilizando translocadores externos (TOM) e internos (TIM).

• Chaperonas como HCP70 ayudan a trasladar las proteínas a través de los traslocadores hasta llegar a HCP60, que permite el plegamiento adecuado en la matriz.

Direccionamiento Específico dentro de la Mitocondria

• Dependiendo del destino (matriz o membranas), las proteínas pueden ser dirigidas adecuadamente mediante señales hidrofóbicas.

• Algunas interacciones entre mitocondrias y retículo endoplasmático rugoso permiten transferencias tanto de lípidos como de proteínas estructurales.

Síntesis y Exportación desde el Retículo Endoplasmático Rugoso

• Las proteínas que deben ser exportadas o incorporadas a estructuras como lisosomas requieren una señal específica para ser dirigidas al retículo endoplasmático rugoso.

• Una partícula de reconocimiento se asocia al retículo endoplasmático rugoso para frenar temporalmente la síntesis hasta que se reconozca un receptor específico.

Continuación del Proceso Sintético

• La interacción entre ribosomas y traslocones permite continuar con la síntesis proteica dentro del retículo endoplasmático rugoso.

¿Cómo se modifican y dirigen las proteínas en el retículo endoplasmático y Golgi?

Modificaciones en el Retículo Endoplasmático

• La membrana plasmática del retículo endoplasmático es crucial para la síntesis de proteínas estructurales que se transfieren a través de la membrana.

• En el retículo, se producen mecanismos de modificación de proteínas, siendo la N-glicosilación una modificación importante que ocurre en residuos de asparagina.

• La transferencia de oligosacáridos a la asparagina modifica las propiedades estructurales y funcionales de las proteínas, afectando su carga y dirección.

• Se forman uniones glico-fosfatidilinositol (GPI), permitiendo que las proteínas sintetizadas se unan covalentemente a fosfolípidos en la membrana.

• Esta unión GPI proporciona una conexión directa con los componentes de la membrana, facilitando su anclaje sin estar enterradas dentro de ella.

Plegamiento y Degradación de Proteínas

• El plegamiento correcto de las proteínas es esencial; chaperonas como calbindina o calreticulina ayudan en este proceso dentro del retículo.

• Si una proteína no se pliega adecuadamente, puede ser marcada para degradación mediante sistemas como el proteasoma, lo cual implica un gasto energético significativo.

• Las modificaciones en el retículo incluyen N-glicosilación y formación de uniones GPI, además del control del plegamiento por monosacáridos que indican si deben ser degradadas o continuar su síntesis.

Transferencia al Sistema Golgi

• Después del retículo endoplasmático rugoso, las proteínas son empaquetadas en vesículas y enviadas al sistema Golgi para más modificaciones.

• El sistema Golgi está compuesto por sacos secuenciales donde ocurren procesamientos adicionales para dirigir las proteínas a diferentes destinos celulares (lisosomas, membranas plasmáticas o secreción).

• Existen dos caras en Golgi: cis y trans. A medida que las proteínas avanzan entre cisternas, pueden sufrir modificaciones adicionales importantes.

Modificaciones Específicas en Golgi

• En Golgi, los hidratos de carbono asociados a las proteínas pueden modificarse para adquirir cargas negativas significativas que facilitan su direccionamiento hacia la membrana plasmática.

• Una modificación específica como manosa 6-fosfato actúa como señal para dirigir ciertas proteínas hacia los lisosomas.

• Las distintas modificaciones iniciadas tanto en el retículo como en Golgi determinan el destino final de cada proteína según sus características estructurales adquiridas durante estos procesos.

Conclusión sobre Direccionamiento Celular

Vías de Direccionamiento y Funciones del Retículo Endoplasmático

Direccionamiento de Vesículas

• Las vesículas pueden dirigirse hacia el citosol o la membrana plasmática, dependiendo de si contienen proteínas con cargas negativas modificadas por hidratos de carbono.

• Existen dos vías principales de direccionamiento:

• Vía secretoria constitutiva: las vesículas del Golgi se transportan directamente a la membrana plasmática.

• Vía dependiente de señal: requiere un receptor en la membrana para que las vesículas se incorporen masivamente.

• En la vía mediada por señal, las vesículas cargadas esperan una señal específica antes de fusionarse con la membrana plasmática, lo que resulta en la liberación del contenido.

Ejemplo Práctico

• Se presenta un ejemplo visual mediante microscopía electrónica mostrando un mastocito cargado con vesículas que liberan histamina al ser estimuladas.

Funciones del Retículo Endoplasmático

Retículo Endoplasmático Liso (REL)

• El REL está involucrado principalmente en la producción de fosfolípidos y lípidos de membrana.

• La densidad diferente entre el retículo endoplasmático rugoso (RER) y liso se debe a los ribosomas asociados al RER, permitiendo su separación mediante técnicas como centrifugación en gradientes de sacarosa.

Producción y Balance de Fosfolípidos

• El REL genera lípidos a partir de ácidos grasos y glicerol fosfato, incorporándolos en la cara citosólica de la membrana.

• Para mantener el balance estructural, existen flipasas que permiten el intercambio de fosfolípidos entre las caras interna y externa de la membrana.

Regulación del Calcio y Detoxificación

• El RER actúa como reservorio significativo de calcio, regulando su liberación al citoplasma según demanda.

• Además, el REL participa en procesos como detoxificación, síntesis hormonal esteroide y almacenamiento/calibración del calcio dentro celular.

Procesos Endocíticos

Tipos de Endocitosis

• La endocitosis permite incorporar material extracelular mediante estructuras vesiculares. Este proceso puede incluir:

• Fagocitosis: incorporación de grandes partículas como bacterias.

• Pinocitosis: entrada de fluidos o moléculas pequeñas.

Estructuras Involucradas

Mecanismos de Endocitosis y Transporte Vesicular

Estructuras de Membrana y Receptores

• Las estructuras especializadas de la membrana concentran receptores específicos que, al ser estimulados por un ligando, producen modificaciones en los receptores de membrana. Esto permite la invaginación y formación de vesículas endocíticas para incorporar componentes extracelulares en alta concentración.

Endocitosis Mediadas por Receptor

• La endocitosis mediada por receptor está asociada a la formación de estructuras de canasta debido a la interacción entre receptores y adaptinas. La clatrina es una proteína clave que forma un trielion, permitiendo englobar la membrana e invaginarla.

Formación y Liberación de Vesículas

• Una vez que se forma la estructura tridimensional con clatrina, esta es cortada por dinamina, lo que permite liberar la vesícula dentro del citoplasma. Posteriormente, las proteínas como clatrina son direccionadas a diferentes regiones celulares.

Direccionamiento hacia Endosomas y Lisosomas

• Las vesículas pueden dirigirse a los endosomas o lisosomas desde el retículo o Golgi. Los endosomas actúan como estaciones intermedias para recibir proteínas desde diversas fuentes antes de su degradación en lisosomas.

Mecanismos Alternativos de Internalización

• Existen mecanismos alternativos para la internalización celular, como aquellos mediado por caviolas que dependen de caviolinas, implicadas en patologías como inflamación crónica y dislipemias. Estas estructuras permiten invaginaciones distintas a las mediadas por clatrina.

Proteínas Canasta COP 1 y COP 2

• Las proteínas COP 1 y COP 2 también son esenciales para el transporte vesicular; mientras COP 2 dirige las vesículas del retículo hacia Golgi, COP 1 facilita el retorno al retículo mediante nuevas vesículas empaquetadas con esta proteína adaptadora.

Chaperonas en el Retículo Endoplasmático

• Algunas chaperonas residentes del retículo ayudan al plegamiento proteico pero pueden ser internalizadas en vesículas que van hacia Golgi; estas deben regresar al retículo para mantener su función adecuada dentro del sistema celular.

Señales Moleculares para Direccionamiento Vesicular

Mecanismos de Transporte Vesicular y Autofagia

Interacción de Proteínas SNARE en la Fusión Vesicular

• La vesícula contiene proteínas SNARE, específicamente las vesiculares en rojo, que interactúan con las T-SNARE en celeste al acercarse a la membrana plasmática.

• Esta interacción forma un lazo fuerte que facilita la fusión de la vesícula con la membrana plasmática, permitiendo la liberación de componentes extracelulares como RAV.

Ciclo de RAV y su Función

• Tras cumplir su función, el GTP se disocia por hidrólisis, convirtiendo RAV-GTP en RAV-GDP soluble que regresa a la membrana de Golgi para reiniciar el ciclo.

• Las proteínas RAV son cruciales para el direccionamiento vesicular; diferentes variantes guían a las vesículas hacia destinos específicos como membranas plasmáticas o vías endocíticas.

Vías de Direccionamiento Vesicular

• Las vesículas pueden seguir diversas rutas: endocitosis hacia endosomas tempranos o tardíos, o transitosis hacia membranas apicales en células polarizadas.

• Los lisosomas actúan como estructuras degradativas rodeadas por una membrana que contiene enzimas hidrolíticas activas a pH ácido.

Función Lisosomal y Degradación Celular

• Los lisosomas degradan materiales internos y externos mediante enzimas que funcionan mejor en un ambiente ácido, contribuyendo al sistema digestivo celular.

• Se observa alta condensación electrónica en los lisosomas debido a su densidad proteica y pH bajo generado por bombas de protones.

Procesos de Autofagia

• La autofagia implica invaginación del citoplasma mediante estructuras similares a fagocitosis; permite degradar mitocondrias y otros componentes celulares.

• Existen tres mecanismos principales: macroautofagia (degradación de grandes componentes), autofagia mediada por chaperonas (selectiva para proteínas), y microautofagia (invaginación directa).

Etapas del Proceso Autofágico

• En macroautofagia, se forma un autofagosoma alrededor del material citoplasmático antes de ser dirigido al lisosoma para su degradación.

Estructura y Función de las Vesículas Extracelulares

Proceso de Degradación Celular

• La degradación celular se lleva a cabo mediante una estructura cerrada de membranas que envuelve componentes citosólicos, fusionándose con la membrana del lisosoma para permitir la degradación por enzimas lisosomales en un pH ácido.

Mitofagia y Autofagia

• El sistema de mitofagia regula la degradación de mitocondrias a través de la formación y maduración del autofóforo, facilitando así el reciclaje de componentes intracelulares.

Vesículas Extracelulares: Definición y Clasificación

• Las vesículas extracelulares son estructuras limitadas por membranas lipídicas que se liberan controladamente al medio extracelular, actuando como vehículos de comunicación que transportan proteínas, lípidos y material genético.

Tipos de Vesículas Extracelulares

• Los exosomas (30-150 nm) se originan por liberación de cuerpos multivesiculares dentro del sistema endomembranal; su fusión con la membrana plasmática permite la comunicación intercelular.

• Las microvesículas (100-1000 nm), generadas por gemación directa desde la membrana plasmática, contienen diversos componentes citoplasmáticos y participan en procesos como inflamación y respuesta inmune.

• Los cuerpos apoptóticos son más grandes y resultan del proceso controlado de muerte celular programada, facilitando la eliminación segura sin inducir inflamación.

Funciones Biológicas de las Vesículas Extracelulares

• Estas vesículas están asociadas a fenómenos como proliferación, diferenciación y respuesta al estrés. Son utilizadas por el sistema inmune para regular mecanismos inflamatorios mediante transferencia de antígenos y citoquinas.

Papel en el Cáncer

• Juegan un papel crucial en la progresión tumoral al facilitar metástasis e interacción entre células vecinas a través de receptores específicos.

Potencial Terapéutico

• Se investiga el uso terapéutico de exosomas para transferir biomoléculas específicas entre células, lo cual podría modular respuestas celulares en enfermedades neurodegenerativas o promover reparación tisular.

Enfermedades Asociadas a Anomalías en Vesículas

• Existen enfermedades congénitas relacionadas con defectos en la degradación proteica debido a acumulaciones no procesadas en los lisosomas, conocidas como enfermedades de depósito lisosomal.

Ejemplos Específicos

• Estas condiciones son causadas por deficiencias en enzimas específicas responsables del direccionamiento hacia los lisosomas. Ejemplos incluyen enfermedad de Tay-Sachs, Gaucher y Hunter.

Conclusiones sobre Mecanismos Moleculares

Enfermedades por Fallos en el Direccionamiento de Proteínas

Problemas con la Manosa-6-Fosfato

• La manosa-6-fosfato no está funcionando correctamente, lo que impide que las proteínas lisosomales lleguen al lisosoma. Esto resulta en una enfermedad caracterizada por rasgos faciales toscos, anomalías esqueléticas, hepatomegalia y retraso mental.

• Actualmente, no existe un tratamiento para estas condiciones relacionadas con el fallo en el direccionamiento de proteínas.

Ejemplo de Fibrosis Quística

• La fibrosis quística es un ejemplo recurrente donde diferentes mutaciones en el gen de la fibrosis quística pueden causar mal funcionamiento del canal de cloro.

• Existen mecanismos de mutación que impiden el pasaje adecuado de la proteína a través del retículo endoplásmico.

Estrés del Retículo Endoplásmico

• Las mutaciones pueden causar acumulación de proteínas dentro del retículo endoplásmico debido a fallas en su plegamiento, generando estrés y problemas en la degradación.

• Las mutaciones tipo dos no permiten la presentación adecuada de la proteína en la membrana plasmática, afectando así el manejo del cloro.

Relación con Enfermedad de Parkinson

• La etiología del Parkinson es variada; sin embargo, hay una asociación directa entre anomalías mitocondriales y muerte neuronal dopaminérgica.

• Mutaciones en proteínas como parquina y PINK1 están asociadas con casos familiares tempranos de Parkinson. Estas proteínas son cruciales para la degradación mitocondrial.

Función Mitocondrial y Degradación

• Parquina y PINK1 se asocian a la membrana externa mitocondrial, señalizando modificaciones necesarias para su degradación.

• Un mal funcionamiento de estas proteínas puede llevar a defectos en la eliminación de mitocondrias dañadas, contribuyendo al parkinsonismo.

Conclusión del Seminario