(Ciencias de Joseleg)(Biología)(Introducción y biología celular)(La membrana celular) (Introducción)(Historia)(Funciones de las membranas biológicas)(La grasa de las membranas biológicas)(Azúcares y proteínas de las membranas biológicas) (Fluidez de la membrana biológica)(Transporte de sustancias a través de membrana)(Transporte pasivo)(Transporte pasivo facilitado)(Transporte activo)(Transporte vesicular)(Referencias bibliográficas)(Versión documento Word)
Aunque este es un subtema del sistema de membranas internas de la célula, la aplicación es bastante alta al interior de muchos sistemas, en especial del sistema nervioso y de cualquier tejido con función glandular. El transporte de sustancias a través de una membrana permite a la célula realizar procesos de selección, poro no soluciona el asunto del transporte. ¿Cómo transportar una enzima peligrosa desde el punto A hasta el punto B sin autodestruirse? Las células eucariotas dependen de bolsas de transporte que se mueven entre los organelos y la membrana celular para transportar sustancias importantes y/o peligrosas para estar en el citoplasma. A estas estructuras las denominamos vesículas o somas.
Figura 32. Las vesículas son segmentos de membrana que
transportan sustancias.
Las vesículas de transporte membranario son bolsas creadas por membranas biológicas empleadas para transportar sustancias o para realizar procesos bioquímicos en su interior. En la siguiente serie de artículos analizaremos algunos detalles de este sistema de transporte intermembranario.
Figura 33. Transporte vesicular. Las vesículas
transportan sustancias desde un organelo, como el retículo endoplásmico a otro
organelo como el aparato de Golgi.
La imagen clásica de una vesícula es la de una burbuja
formada por una membrana biológica, sin embargo, esto es incompleto. Las
membranas de las vesículas poseen todo tipo de proteínas integrales de
membrana, así como un andamio formado por proteínas periféricas. Las rutas
biosintéticas de las células eucarióticas se encuentran altamente dependientes
de una serie de organelos rodeados por membranas, son las membranas mismas las
responsables de muchas de las reacciones bioquímicas al anclar la mayor parte
de la batería bioquímica, por ejemplo, en la cadena de transporte de electrones
de la respiración celular aeróbica. Adicionalmente, las sustancias formadas
deben poder ser enviadas entre los diferentes organelos o hacia la membrana
externa y de regreso en concentraciones relevantes y en periodos de tiempo
eficaces.
La mayoría de los materiales son transportados entre los
organelos y las membranas externas por secciones más pequeñas de los organelos
que las producen, es decir por membranas biológicas internas, al ser más
pequeñas sus formas tienden a ser esféricas y en consecuencia reciben el nombre
genérico de vesículas de transporte o “somas” que significa cuerpos.
Dependiendo de la función cada soma recibe un prefijo específico, por ejemplo,
si el soma transporta peróxidos oxidantes se lo llama peroxisoma, si el soma se
produjo para digerir un material se llama fagosoma.
A pesar de lo anterior emplearemos de aquí en adelante el
término de vesícula, ya que la expresión soma no solo se aplica a estas,
también es un nombre genérico recurrente para otras estructuras biológicas como
la parte central de una neurona, lo cual genera confusiones. El sistema
membranario del cual nace una vesícula se denomina membrana donante, y el
sistema que lo recibe se llama membrana receptora. El interior de la vesícula
se denomina lumen al igual que el interior de los organelos como los retículos
endoplasmáticos o el aparato de Golgi, mientras que la parte externa de la
vesícula da al citoplasma celular. Finalmente, las vesículas no solo
transportan sustancias, también transportan superficie de membrana, por lo que
los organelos y la membrana externa se encuentran en un equilibrio dinámico de
brotes de vesículas y fusión con vesículas para mantener sus superficies de
membrana constantes.
Figura 34. Formación de una vesícula La formación de una
vesícula no es algo arbitrario, existen lugares prefijados de la membrana,
marcados con proteínas receptoras de la sustancia, que al conectarse con esta
inician la formación de la vesícula por medio de interacciones con el
citoesqueleto.
Cuando la vesícula esta por formarse un polímero de homólogo de dinamina se forma estrangulando el puente entre la vesícula y la membrana donante. Estos procesos son dependientes de GTP y por lo tanto agotan energéticamente a la célula.
Figura 35. Importancia de las
vesículas. Las úlceras pancreáticas se generan por la mala señalización de
las vesículas de transporte de las proteínas líticas encargadas de finalizar la
digestión de los nutrientes, liberadas cuando no hay alimento en el duodeno
dichas enzimas digieren el duodeno rompiendo su pared.
Las vesículas no se forman espontáneamente como las bombas
de jabón, por el contrario, su formación se encuentra altamente regulada por
proteínas integrales de membrana y por proteínas periféricas de membrana que
forman andamios, las proteínas individuales se encuentran disueltas en el
citoplasma, y por la acción de algunas señales de proteínas integrales de la
membrana “proteínas de tipo G” se polimeriza el andamio externo o cota. Las proteínas
tipo G generalmente requieren energía en forma de GTP para activarse.
La cota de proteínas extrae el fragmento de membrana
vesicular brotándola a partir de la membrana donante, a medida que la esfera va
tomando forma más cota proteínica se forma creando una estructura con forma
esférica, es decir la vesícula madura. Las proteínas de la cota de una vesícula
poseen dos funciones básicas: (1) actúan mecánicamente para que la membrana se
curve y forme el brote,, básicamente son un molde; (2) actúan como un mecanismo
para elegir cual es la sección de la membrana donante que será extraída, sería
un problema extraer una vesícula sin contenido de importancia. Los componentes
que se encuentran al interior de las vesículas pueden ser: (1) proteínas
líticas, ácidos, mucosas, hormonas, biomoléculas de diverso orden, iones
inorgánicos entre otras sustancias, las cuales se emplean para descargar en
otros organelos o en el exterior de las células (2) las proteínas integrales de
la membrana con dos dominios, el dominio receptor y el dominio efector.
El dominio receptor atrapa los materiales a ser
transportados como si fueran cinturones de seguridad, cuando se forma el par
sustancia-receptor el domino efector se activa formando la cota al otro lado de
la membrana.
Dejando de lado la discusión sobre el transporte y formación
de un soma o vesícula al interior de la célula, hay que examinar algunos
detalles sobre el modo en que las proteínas sintetizadas en un sistema de
membranas internas hacia su destino particular. Muchas de las sustancias
producidas por las células son dependientes de su blanco, es decir solo actúan
bien si llegan al blanco concreto donde son requeridas, de lo contrario hay dos
opciones generales:
1- No funcionan, perdiendo por lo tanto toda su actividad,
así como la energía que empleó la célula para formarlas, sin embargo, esto es
el menor de los problemas si se compara con la otra posibilidad.
2- Alteración funcional, las sustancias actúan en otro lugar
causando una consecuencia diferente de la original, esto generalmente es muy
malo, por ejemplo, en las enzimas pancreáticas que van al duodeno, si su blanco
es equivocado ya sea en lugar o en ritmo provoca serias úlceras. En algunas
ocasiones estos errores pueden acusar algunas novedades evolutivas, por
ejemplo, las hipótesis para la formación de la cascada de coagulación dependen
de este tipo de errores. La correcta señalización y envío a un blanco de
vesícula se logra mediante una serie de proteínas cuyas estructuras básicas se
encuentran relacionadas con el músculo, sin embargo, eso lo veremos en el
siguiente artículo.
Una vez liberada la vesícula su movimiento hacia el blanco
no es estocástico “al azar”, sin embargo, para entender esto debemos alterar
fundamentalmente el modo en que imaginamos el citoplasma de la célula.
Normalmente lo visualizamos como un gel acuoso con materiales disueltos y
flotando. Esto no es del todo cierto, el citoesqueleto no solo se encuentra dándole
forma a la membrana, también se extiende hacia el interior de la célula,
formando autopistas de transporte. Dichas autopistas están formadas por
carriles de actina, la misma proteína del sarcómero. Al ser actina posee
dominios para insertarse a una proteína con dos cabezas móviles como manos, en
el transporte esta proteína es la familia dineina o quinesina, homólogas a la
miosina del sarcómero.
La dineina y sus homólogas operan bajo el mismo principio de
la miosina "por eso son homólogas", es una proteína dependiente de la
energía suministrada por el ATP. La dineina posee un dominio que se ancla a la
cota o lo que quede de la cota alrededor de la vesícula y como si fuera una
grúa o un globo la mueve de un organelo a otro. Las células que presentan la mejor
de estas autopistas y sistemas de transporte son las neuronas, en estas células
los organelos de síntesis como el aparato de Golgi se encuentra a centímetros
de distancia de las puntas de sus citoplasma llamados dendritas, distancias que
para una célula son enormes.
Cuando la vesícula se acerca a la membrana receptora las
proteínas de la superficie de ambas membranas deben acoplarse entre sí, una vez
hecho esto se genera una fuerza de acercamiento entre las superficies de
lípidos, al ser estos fluidos y vibrantes se fusionan sin mayor esfuerzo,
permitiendo la fusión de membranas y la descarga de materiales.
Son moléculas que anclan las vesículas al citoesqueleto, son
típicas en el sentido de que el dominio que genera el movimiento es semejante a
dos piernas que caminan.
La dineína es, junto con la kinesina, la proteína motora más
importante asociada a los microtúbulos. Proteína enorme, 9 a 10 cabezas
grandes, globulares, generadoras de fuerza. La dineína se mueve hacia el
"extremo menos" (Minus End) del microtúbulo (movimiento retrógrado).
La dineína es clave en el transporte retrógrado de sustancias en la célula.
Este hecho reviste gran importancia en el axón neuronal, y en el movimiento de
cilios y flagelos. Generador de fuerza para el movimiento del cromosoma durante
la mitosis.
Típicamente ha sido estudiado en fragmentos celulares ricos
en microtúbulos y con un transporte vesicular altamente ordenado y frecuente:
esto es, en los axónes de neuronas, más frecuentemente en el calamar gigante.
Las técnicas más empleadas para su estudio han sido: las puramente
morfológicas, como la microscopía electrónica de barrido o de transmisión; las
bioquímicas, como la electroforesis; las biofísicas, como la trampa óptica; las
de inmunomarcaje por fluorescencia o enzimas; y las genéticas, por deleción de
dominios proteicos o mediante animales knockout.
La dineína es una molécula de estructura similar a la
kinesina: consta de dos cadenas pesadas idénticas que conforman dos cabezas
globulares y de un número variable de cadenas intermedias y de cadenas ligeras.
Se sugiere que la actividad de hidrólisis de ATP, fuente de energía de la
célula, se encuentra en las cabezas globulares. La dineína transporta vesículas
y orgánulos, por lo que debe interaccionar con sus membranas, y, para
interactuar con ellas, requiere de un complejo proteico, de cuyos elementos
cabe destacar la dinactina. Además de las dineínas citoplasmáticas antes
descritas, las dineínas axonémicas son cruciales en el mantenimiento de la estructura
y funcionalidad de los flagelos. Estructuralmente, las dineínas del axonema son
más complejas que las citoplasmáticas.
La importancia de la dineína radica en su relación directa
con el movimiento de los cilios y los flagelos. Encontramos la parte basal de
la dineína unida a un microtúbulo, y la cabeza unida a otro microtúbulo que
conforma el par adyacente. En este caso el movimiento de la dineína axonémica
se ve frustrado pues los pares de microtúbulos que conforman el axonema están
anclados mediante una proteína denominada nexina. De este modo un par de
microtúbulos se desliza sobre el otro provocando que toda la estructura del
axonema se doble. La regulación del movimiento coordinado de cilios y flagelos
es todavía un terreno desconocido.
Las kinesinas, quinesinas o cinesinas (YouTube) son una familia de proteínas
motoras que median el transporte intracelular anterógrado sobre los
microtúbulos, que son componentes del citoesqueleto. La palabra kinesina
etimológicamente proviene del griego kinetos que significa móvil. Típicamente
ha sido estudiado en fragmentos celulares ricos en microtúbulos y con un
transporte vesicular altamente ordenado y frecuente: esto es, en los axones de
neuronas, más frecuentemente en el calamar gigante. Las técnicas más empleadas
para su estudio han sido: las puramente morfológicas, como la microscopía
electrónica de barrido o de transmisión; las bioquímicas, como la
electroforesis; las biofísicas, como la trampa óptica; las de inmunomarcaje por
fluorescencia o enzimas; y las genéticas, por deleción de dominios proteicos o
mediante animales knockout.
La kinesina I es un dímero de dos cadenas pesadas, cada una
de las cuales está asociada a una cadena liviana, con un peso molecular total
de 380.000 Da. Consta de dos dominios cabeza, globulares, un tallo central y un
par de dominios cola, también globulares pero más pequeños. El dominio cabeza
posee la actividad ATPasa y une los microtúbulos, y el dominio cola reconoce a
la membrana lipídica de las vesículas a transportar, probablemente por
mediación de las cadenas ligeras.
La mayoría de las kinesinas intervienen en el transporte
anterógrado de vesículas, es decir, que implican un movimiento hacia la parte
más distal de la célula o la neurita, hacia el extremo (+) de los microtúbulos,
sobre los que se desplazan. Por el contrario, otra familia de proteínas
motoras, las dineínas, emplean los mismos rieles, pero dirigen las vesículas a
la parte más proximal de la célula, por lo que su transporte es retrógrado. En
neuronas los extremos positivos de los microtúbulos se dirigen hacia las
terminales sinápticas.
La endocitosis es el proceso por el cual una célula cuya
membrana externa es flexible rodea a otra partícula, puede ser otra célula u
sustancia química, cuando termina de rodearla genera una vesícula interna
llamada endosoma. La endocitosis puede dividirse en dos categorías principales,
la endocitosis no específica y la endocitosis específica. La endocitosis no específica
también denominada pinocitosis engloba fluidos y todo material que se encuentre
diluido en este.
La endocitosis específica también se denomina endocitosis mediada por receptores. En este caso la célula o partícula debe tener una serie de proteínas en si membrana que sirven como marcadores de reconocimiento. La célula que va a realizar la endocitosis también tiene otras proteínas que sirven como reconocedores. Cuando ambos marcadores entran en contacto íntimo activan a la célula que realiza la endocitosis para iniciar el proceso.
Figura 36. Endocitocis. Izquierda,
endocitocisis no específica o pinocitosis; derecha, endocitosis específica
mediada por receptores que interactúan con el citoesqueleto.
Independientemente del tipo de endocitosis, el resultado
final es un endosoma, es decir una vesícula del sistema de membranas internas
de la célula eucariota. Esta vesícula y su contenido pueden sufrir diferentes
destinos dependiendo del contexto, ya sea en el sistema inmune, en la digestión
celular o como una manipulación de endoparásitos para atacar a la célula.
Figura 37. Fagocitosis. La fagocitosis
involucra la endocitosis de sustancias en una vesícula o endosoma que luego se
fusiona con otras vesículas portadoras de enzimas digestivas, la absorción de
los componentes de interés y la exocitosis de los desechos.
La fagocitosis se puede definir literalmente como un tipo de
digestión interna por parte de una célula, y probablemente sea la primera
digestión interna que existió. La fagocitosis es un proceso más complejo que la
endocitosis, aunque muchas veces empleamos estos dos términos de manera
indiferenciada. Sin embargo, la diferencia está en el tratamiento que recibe el
material endocitado, en la fagocitosis en endosoma “llamado en este caso
fagosoma” recibe un tratamiento más complejo, poco después de que el fagosoma
ingresa a la célula este se fusiona con otra vesícula llamada lisosoma. Los
lisosomas son vesículas que contienen las enzimas digestivas y otras sustancias
químicas que degradan a la víctima.
Cuando el fagosoma se fusiona con el lisosoma se forma un
fagolisosoma, las enzimas digestivas y las otras sustancias químicas oxidantes
empiezan a degradar a la víctima transformándola en sus componentes básicos.
Una vez se han degradado, los componentes básicos que se extraen de allí serán
absorbidos por los mecanismos de transporte a través de membrana dependiendo de
la naturaleza del nutriente liberado. Este modo de alimentación es muy común en
los eucariortes de vida libre unicelulares como las amebas. En los eucariotes
multicelulares, especialmente en los animales la fagocitosis cumple una función
inmune más que de nutrición.
Muchas células del sistema inmune como los monocitos activados
pueden fagocitar activamente a otras células para mantener seguro al organismo.
Sin embargo, a pesar de esta pequeña escala, la fagocitosis nos muestra todos
los pasos que intervienen en una digestión interna: (1) captura de la presa en
un compartimiento especializado; (2) digestión de la presa por parte de enzimas
líticas y otras sustancias químicas oxidantes; (3) absorción de los nutrientes
y procesamiento de estos integradolos a alguna ruta metabólica o bioquímica;
(4) eliminación de los desechos que no fueron absorbidos. Aunque ya hemos
hablado fuertemente de los puntos (2) enzimas líticas, (3) absorción y
someramente del (1) captura “del cual se hablará más específicamente en
ecología”. Aún no hemos hablado del (4) eliminación.
La eliminación es el proceso en el cual se desechan
compuestos que no fueron absorbidos y que nunca fueron parte de las rutas
metabólicas del ser vivo. Otro proceso parecido es el de excreción en el cual
se desechan compuestos químicos que hicieron parte de las redes metabólicas y
que potencialmente podrían detenerlas de mantenerse en el cuerpo.
La fusión de una vesícula de transporte con la membrana
externa y la subsecuente descarga de su contenido se denomina exocitosis. La
exocitosis probablemente ocurre de forma continua en la mayoría de las células,
especialmente las que poseen una función glandular. Sin embargo, el caso que
más se ha estudiado de la exocitosis ha sido la descarga de los
neurotransmisores en la sinápsis neuronal, la cual de hecho puede ser señalada
como una función glandular paracrina. En las neuronas la grúa molecular
compuesta por dineina o quinesina se para antes de llegar a la membrana
plasmática en la punta de la dendrita, justo en la sinapsis neuronal. Esto
permite acumular muchas vesículas a la espera de una señal que les permita
reiniciar su recorrido hasta la fusión de membranas.
La señal por lo general es la liberación de iones
calcio(2+), estos iones permiten que miosina cambie a su posición activa, como
si fuera un semáforo o una bandera de arranque los iones calcio(2+) permiten
que la grúa molecular continúe avanzando hacia la membrana. Es probable que la
exocitosis en otras glándulas ocurra por mecanismos análogos, sinembargo la
neurona simplemente es el caso más estudiado. Una vez allí las proteínas
restantes de la cota se acoplan con los receptores internos de la membrana
plasmática fusionando las membranas. En algunos casos cuando la vesícula abre
hacia el medio externo retrocede después de descargar sus materiales, pero n la
mayoría de los casos la vesícula se fusiona totalmente con la membrana externa.
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