Clase 15 Golgi, lisosomas y vacuolas - U

APARATO de GOLGI,
LISOSOMAS, VACUOLAS
Dr. M. T. Núñez
Curso de Biología Celular
2011
Las proteínas sintetizadas en el RE pasan, mediante un tráfico
vesicular, por el APARATO DE GOLGI antes de alcanzar su
destino final
Flujo vesicular
Las proteínas solubles y de
membrana entran desde el RE al
Golgi cis en vesículas de
transporte que contienen una
cubierta de proteína COP-II y la
proteína G Sar I.
El flujo retrógrado, desde el Golgi
al RE se realiza por vesículas que
salen de red Golgi cis que
contienen la proteína de cubierta
COP-I y la proteína G ARF.
Cooper, 2000
COPI
COPII
ERGIC
Flujo vesicular
Secuencias aminoacídicas en el
C-terminal son señal de retención
o recuperación de proteínas del
RE. Ej., proteínas con la
secuencia KDEL (Lis-Asp-GluLeu) vuelven al RE en vesículas
que contienen COP-I y ARF.
COPI
COPII
ERGIC
Algunas proteínas de
transmembrana retenidas en el
RE poseen secuencias cortas en
el C-terminal conteniendo dos
lisinas (KKXX).
Cooper, 2000
Estructura del Aparato de Golgi
El aparato de Golgi esta
formado por una serie de
sacos
aplanados
o
cisternas formando pilas.
Cada pila consiste de 3 a 6
cisternas
y
su
número
depende del tipo de célula.
Está
compartimentalizado
en tres regiones: Golgi cis,
medial y trans.
Estructura del Aparato de Golgi
La cisterna más externa de las caras cis y trans están comunicadas a
una red de túbulos y vesículas interconectados: la red Golgi cis
(CGN), y la red Golgi trans (TGN).
UBICACIÓN
El aparato de Golgi se ubica cerca del núcleo y el RE y vecino al centrosoma
UBICACIÓN
Debido a que las células
vegetales están continuamente
sintetizando pared celular,
pueden tener cientos de
aparatos de Golgi dispersos en
el citoplasma.
Secreción
El
aparato
especialmente
de
Golgi
es
prominente
en células especializadas en
secreción como las células
en copa del epitelio intestinal
que secretan gran cantidad
de
mucus
rico
en
polisacáridos o en células de
los acinos pancreáticos que
secretan jugo pancreático.
Organización y transporte de proteínas en las cisternas del Golgi
Dos hipótesis explican el paso de material por el Golgi en la ruta secretora:
1) mediante un proceso de tráfico vesicular, o 2) mediante un proceso de
maduración de cisternas
Alberts et al, 2002
En ambos modelos, el flujo retrógrado (flechas azules) se haría
mediante vesículas que contienen la proteína de cubierta COP-I.
Organización y transporte de proteínas en las cisternas del Golgi
En el modelo de transporte
vesicular, las cisternas son
estructuras estáticas y el cargo
(ej. proteínas a ser secretadas
por la célula) se transporta en
vesículas
con
cubierta
de
proteína COP-I que yeman de
un
compartimento
funsionan
con
(flechas
rojas).
el
y
se
siguiente
El
flujo
retrógado se haría a través de
vesículas con cubierta COP-I.
Alberts et al, 2002
Organización y transporte de proteínas en las cisternas del Golgi
En el modelo de maduración
de cisternas, las cisternas son
estructuras dinámicas que
maduran a medida que se
movilizan al través de la pila.
La compartimentalización de
las enzimas del Golgi se haría
por
flujo
retrógrado
en
vesículas con cubierta COP-I.
Alberts et al, 2002
Transporte desde la red trans Golgi
La proteínas que salen por la red trans
Golgi
tienen
diferentes
destinos:
secreción, membrana celular, sistema
endosomal o lisosomas.
En ausencia de señales específicas de
destinación las proteínas son llevadas por la
ruta de descarte (default) como es el caso
de las proteínas de la membrana
plasmática y las proteínas secretadas por
secreción constitutiva.
En presencia de alguna señal, las proteínas
pueden ser destinadas a organelos como
los endosomas y lisosomas, y, en ciertas
células, a una secreción regulada por
señales.
Cooper, 2000
Glicosilación de proteínas
La gran mayoría de la proteínas que se sintetizan en el RE y
pasan por el Golgi son glicosiladas (glicoproteínas).
La glicosilación es un proceso enzimático secuencial llevado a
cabo en el Aparato de Golgi mediante el cual se unen azúcares
(glicanos) a proteínas y lípidos.
En las proteínas ocurren 2 tipos de glicosilación:
Glicosolación N-ligada en la cual se agrega una cadena de
azúcares al amino de la asparagina, y
Glicosilación O-ligada, en la cual se agrega una cadena de
azúcares al OH de la serina o la treonina
N-glicosilación de proteínas
N-glicosilación
El proceso de N-glicosilación se inicia
en el RE, en donde se adiciona a un
residuo
Asp
un
oligosacárido
precursor de 14 residuos de azúcar:
2 N-acetilglucosaminas
9 manosas
3 glucosas
Esta
composición,
llamada
rica
en
manosa, corresponde a la versión más
inmadura de la cadena de azúcares de
una glicoproteína
N-glicosilación de proteínas
Procesamiento en el RE
La cadena de azúcares sufre una
serie de modificaciones que
resultan, finalmente, en un
oligosacárido
complejo
o
maduro.
Este procesamiento se inicia en
el mismo RE, con la remoción
secuencial de tres residuos de
glucosa y uno de manosa.
Las enzimas involucradas son la
glucosidasa I, la glucosidasa II y
la manosidasa de RE.
N-glicosilación de proteínas
N-glicosilación – Golgi
En el Golgi, los oligosacáridos son
procesados en una secuencia
ordenada de reacciones:
2. Remoción de tres residuos manosa
(Golgi cis),
3. Adición de N-acetilglucosamina a
una de las manosas
N-glicosilación de proteínas
4. Remoción de 2 manosas. En
esta etapa las proteínas se hacen
resistentes a endoglicosidasas
específicas (Endo H-resistant)
5.
- Adición de dos Nacetilglucosaminas.
- Adición de tres galactosas
-Adición de tres ácido siálico.
-Se obtiene un oligosacárido
complejo o maduro.
Glicosilación de unión-O
Las proteínas también pueden ser modificadas por adición de azúcares a residuos
serina o treonina presentes dentro de secuencias específicas de AAs (Ej. CXSXPC;
PTEIP, PTQA, PTQAP). A esto se le llama O-glicosilación o glicosilación de unión-O.
El proceso comienza en el Golgi cis y finaliza en el trans.
¿Cuál es el propósito de la glicosilación?
La N-glicosilación ocurre desde arqueas a eucariontes, una indicación de
su antiguo origen evolutivo. La generalidad del proceso y el gran número
de enzimas involucradas sugieren una función ventajosa.
Además de ser parte importante del proceso de plegamiento en el RE,
puede estar involucrada en el paso de las proteínas de membrana a través
del Golgi.
Una cubierta de oligasacáridos en la superficie celular (glicocalix)
protege a las proteínas de ataques proteolíticos.
Ciertos oligosacáridos de la superficie son reconocidos por lectinas,
importantes en ciertas funciones celulares. Por ejemplo, en la respuesta
inmune, las selectinas ayudan a anclar los linfocitos circulantes en
determinados centros de producción de anticuerpos.
Ciertas glicoproteínas participan como receptores de señales externas y
la transmisión de estas al interior celular.
Retención de proteínas del aparato de Golgi
citosol
Clase 1, TipoII
lumen Golgi
Alberts et al, 2002
Las señales de retención de varias proteínas de membrana del Golgi están localizadas
en sus dominios de transmembrana, lo que previene que sean empacadas en
vesículas que abandonan la red Golgi trans. Sin embargo, no hay una secuencia
común y es posible que la señal sea la estructura secundaria o la terciaria.
Varias enzimas localizadas en la membrana del Golgi como galactosiltransferasa y
sialiltransferasa, tienen una estructura similar: un solo dominio de transmembrana
con un corto N-terminal hacia el citosol y un largo dominio C-terminal, que contiene el
sitio catalítico hacia el lumen.
Lisosomas
Los
lisosomas
son
organelos
involucrados en la degradación de
material
intracelular.
Contienen
hidrolasas
ácidas
(nucleasas,
proteasas, glicosidasas, lipasas, etc),
enzimas
que requieren un pH de
alrededor de 5,5 en su interior para su
actividad óptima.
El pH acídico del lumen del organelo se
mantiene debido a la presencia de su
membrana de una bomba de H+ tipo V
que impulsa la acumulación de
protones.
La membrana del lisosoma mantiene
estas enzimas fuera del citosol,
aunque
éstas
no
funcionarían
optimamente allí pues éste tiene un pH
de aprox. 7,2.
Lisosomas
Los lisosomas presentan una gran
diversidad de formas y tamaños
(0.25 to 0.5 μm).
Sus enzimas hidrolíticas (~40
tipos), catalizan
la digestión
controlada de macromoléculas
tales como proteínas, ácidos
nucleicos, carbohidratos y lípidos
provenientes de componentes
obsoletos de la célula y de
material
extracelular
(i.e.
destrucción de microorganismos
fagocitados).
Visualización histoquímica de lisosomas: se
observan precipitados de fosfato de plomo
indicando la presencia de una fosfatasa
ácida, marcadora de lisosomas.
Modificación de proteínas destinadas a lisosomas
Las proteínas destinadas a lisosomas son reconocidas y modificadas por la adición al
oligosacárido de grupos fosfato en la posición 6 de residuos manosa.
Primero se adiciona N-acetilglucosamina fosfato a residuos manosa en el Golgi cis. La
enzima reconoce determinantes estructurales característicos de proteínas lisosomales
(i.e. hidrolasas ácidas).
Los grupos N-acetilglucosamina son luego removidos, dejando el fosfato unido a
manosa en posición 6 (M6P). Esta modificación impide la remoción de estos residuos
durante el procesamiento posterior.
Golgi cis
Cooper, 2000
Sorting a lisosomas
Las enzimas lisosomales se seleccionan por su señal topogénica manosa-6P
que es reconocida por el receptor de manosa 6-P (M6P-R), el que tiene en su
segmento citosólico señales de destinación al lisosomas.
Sorting a lisosomas
Los lisosomas están en equilibrio dinámico con los endosomas tardíos a través de
mecanismos que involucran transporte vesicular, y fusión directa.
Los endosomas tardíos contienen el 20% del pool de hidrolasa total y son el principal
sitio de proteólisis. En contraste, los lisosomas contienen la mayor parte del pool de
hidrolasa lisosomal pero solo el 20% de la proteólisis total se realiza en ellos.
Esto ha llevado a postular que los lisosomas principalmente serían organelos de
almacenamiento de estas hidrolasas
Vacuolas
Las vacuolas de las células vegetales son
organelosos multifuncionales que son
fundamentales para las estrategias de
desarrollo y sobrevivencia de las plantas.
Comparten algunas de sus propiedades
básicas con las vacuolas de las algas y
levaduras y con los lisosomas de las células
animales.
Además de ser compartimentos líticos,
funcionan como reservorios de iones y
metabolitos, incluidos pigmentos vegetales,
y son cruciales para los procesos de
desintoxicación y la homeostasis celular .
Funciones de las vacuolas
1.- Almacenamiento: de azúcares, polisacáridos, aminoácidos y
grandes cantidades de proteínas, especialmente en las semillas.
2.- Digestión: contienen hidrolasas ácidas, proteasas, nucleasas,
glicosidasas y lipasas.
3.- Homeostasis iónica y de pH: típicamente mantienen pHs
entre 5.0 y 5.5 pero algunas mucho mas bajo (limón: 2.5).
4.- Defensa contra patógenos y herbívoros: acumulan
compuestos muy tóxicos que reducen la alimentación de los
herbívoros y destruyen microbios patógenos.
5.- Secuestro de compuestos tóxicos: metales pesados y
metabolitos como oxalato. Transportadores tipo ABC transportan
a la vacuola compuestos xenobióticos (compuestos fabricados
por el hombre).
6.- Pigmentación: contienen pigmentos de antocianina en
pétalos y frutos. Otros pigmentos, en células de las hojas,
empantallan los rayos UV.
Vacuolas
Las vacuolas están delimitadas
por una membrana denominada
el tonoplasto.
Las vacuolas de células jóvenes
a menudo contienen muchas
vacuolas pequeñas, pero a
medida
que
las
células
maduran, estas se unen para
formar una gran vacuola central
En las células maduras, la
vacuola puede llegar a ocupar el
90% del volumen celular, con el
citoplasma confinado
a una
delgada capa periférica.
Vacuolas
La vacuola juega un papel
importante en el crecimiento
celular
La acumulación de solutos impulsa
la acumulación osmótica de agua
produciendo una presión de turgor
necesaria para el crecimiento
celular.
Se puede alcanzar un gran aumento
del volumen celular sin aumentar el
volumen del citosol. Zonas
debilitadas de la pared celular
orientan un crecimiento celular
dirigido por el turgor que se
acompaña de la acumulación de
agua en la vacuola en expansión.
Sistemas de transporte en vacuolas
citosol
+H
+H
lumen
Poseen en su membrana una V-ATPasa y
una pirofosfatasa (H+-PPasa) vacuolar
que impulsan la acumulación de protones
Esto genera un gradiente de potencial
electroquímico de H+’s a través del
tonoplasto (pH 3-6 interior y un ∆ψ ∼20
mV positivo en el interior).
Este
gradiente
de
potencial
electroquímico impulsa el transporte y
acumulación de diversos solutos desde el
citosol: Cl- and NO3-, Na+, Ca2+, Mg2+ y
azúcares como sacarosa. En transporte
de agua se hace a través de acuaporinas
(TIPs).
PPi = P2O74−
Pi = HPO42−
En el tonoplasto existen diversos canales
de
iones
y
contratransportadores
proton/X a través de los que se acumulan
Na+, Ca2+ y sacarosa.
Experimento:
Brefeldina A inhibe el flujo vesicular anterógrado (RE → Golgi)
FIN
15. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones con respecto a los lisosomas son correctas?
I. Son generados a partir de la maduración de los endosomas
II. Mantienen un pH acido gracias a la acción de una proteína homólga a la bomba F0F1, la cual bombea electrones
hacia el lúmen del lisosoma.
III. Debido a que sus enzimas funcionan mejor en pH ácido, mantienen un pH constante de 6,5.
IV. No contienen lipasas, ya que estas romperían la membrana del lisosoma y matarían a la célula.
V. Sus proteínas componentes son empaquetadas específicamente en vesículas que salen de la red de trans-Golgi.
Respuesta : a: Todas ; b: I, III; c: II, IV; d: I, V; e: Ninguna
13. Indique como falsa (F) o verdadera (V) cada una de las siguientes afirmaciones.
____
El aparato de Golgi consiste en una serie de sacos aplanados o cisternas formando pilas.
____
En las células vegetales el aparato de Golgi tiene una localización estática perinuclear.
____
El procesamiento de oligosacáridos de proteínas secretadas y de membrana plasmática en el
aparato de Golgi comienza en las cisternas cis del organelo con la adición de tres manosas.
____
Las señales de retención de muchas proteínas del Golgi están localizadas en sus dominios de
transmembrana.
____
Las enzimas glicosiltransferasas (incorporan monosacáridos al polisacárido) del aparato de Golgi
son proteínas que presentan el sitio catalítico hacia citosol y un largo dominio carboxilo terminal
hacia el lumen.