Aparato de Golgi, Lisosomas y vacuolas - U

APARATO de GOLGI,
LISOSOMAS, VACUOLAS
Dr. M. T. Núñez
Curso de Biología Celular
2009
Las proteínas sintetizadas en el RE pasan, mediante un
tráfico vesicular, por el APARATO DE GOLGI antes de
alcanzar su destino final
El aparato de Golgi
consiste en 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: cis, medial y trans.
Historia …
Este organelo fue descubierto por el médico e
histólogo Camillo Golgi en 1898.
Dibujos realizados por Golgi del aparato reticular
interno (aparato de Golgi) observado en neuronas
de ganglios espinales.
Los diferentes dibujos ilustran la variedad de
características que
Golgi observó con su
impregnación metálica con nitrato de plata.
UBICACIÓN
El aparato de Golgi se ubica
cerca del núcleo y el RE y
vecino al centrosoma
En las células vegetales
pueden existir cientos de
estos apilamientos
normalmente dispersos en el
citoplasma.
Estructura
Cada pila de Golgi tiene dos caras: una de entrada o cis, adyacente al RE y una de
salida o trans, dirigida hacia la MP.
La cisterna más externa de cada cara esta comunicada a una red de túbulos y
vesículas interconectados: la red Golgi cis (CGN), y la red Golgi trans (TGN).
Secreción
El aparato de Golgi es
especialmente prominente
en células especializadas
en
secreción
como
las
células en copa del epitelio
intestinal que
secretan
grandes cantidades mucus
rico en polisacáridos o en
células
de
los
acinos
pancreáticos que secretan
jugo pancreático.
Compartimentalización funcional
Durante su paso a través del Golgi las
proteínas sufren modificaciones
covalentes de las cadenas de
oligosacáridos.
En las células vegetales el aparato de
Golgi además está involucrado en la
síntesis del los polisacáridos complejos
de la pared celular.
Alberts et al, 2002
Organización y transporte de proteínas en las cisternas del Golgi
Alberts et al, 2002
El paso de material por el Golgi en la ruta secretora puede ser llevado a cabo por un proceso de
tráfico vesicular, uno de maduración de cisternas o a una mezcla de ambos. En ambos casos hay
un flujo retrógrado de tipo vesicular.
Modelo de transporte vesicular: las cisternas son estructuras estáticas y las proteínas en
tránsito se transportan en vesículas COP-I que yeman de un compartimento y se funden con el
siguiente. El flujo retrogado se haría también a través de vesículas COP-I.
Modelo de maduración de las cisternas: Las cistenas 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 COP-I.
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-GTP.
COPI
COPII
ERGIC
El flujo retrógrado, desde el CGN al RE se
realiza por vesículas que salen de CGN que
contienen la proteína de cubierta COP-I y la
proteína G .
Secuencias aminoacídicas en el C-terminal
son señal de retención / recuperación de
proteínas del RE. Ej., proteínas con la
secuencia KDEL (Lis-Asp-Glu-Leu) vuelven
al RE en vesículas que contienen COP-I y la
proteína G ARF-GTP.
Algunas proteínas de transmembrana
retenidas en el RE poseen secuencias
cortas en el C-terminal conteniendo dos
lisinas (KKXX).
Cooper, 2000
Transporte desde el aparato de Golgi
La proteínas que salen por la red Golgi
trans en vesículas de transporte son
destinadas a la superficie celular,
endosomas o lisosomas.
En ausencia de señales específicas de
destinación las proteínas son llevadas por
la ruta de descarte (default). Las proteínas
de la membrana plasmática y las
proteínas secretadas por secreción
constitutiva usan esta ruta.
Cooper, 2000
Alternativamente, las proteínas pueden
desviarse de la ruta de descarte y ser
destinadas a otros organelos (lisosomas)
y en ciertas células a una secreción
regulada por señales (ver transducción de
señales).
Glicosilación de proteínas
La función más importante (conocida) del
aparato de Golgi es la modificación de
proteínas por glicosilación.
La gran mayoría de la proteínas que se
sintetizan en el RE y pasan por el Golgi
son glicoproteínas.
El proceso de N-glicosilación (cadena
azúcares unidos a una asparagina)
proteínas se inicia en el RE, en donde
adiciona a un residuo Asp
oligosacárido precursor de 14 residuos
azúcar:
de
de
se
un
de
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
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 - Golgi
En el Golgi, los oligosacáridos son procesados en una secuencia ordenada de reacciones:
1. Remoción de tres residuos manosa (Golgi cis).
2. Adición de una N-acetilglucosamina
3. Remoción de otras dos manosas
4. Adición de dos N-acetilglucosaminamás.
En esta etapa las proteínas se hacen resistentes a endoglicosidasas específicas (Endo H-resistant)
6. Adición de tres residuos galactosa
7. Adición de tres ácido siálico.
Glicosilación de proteínas secretadas o destinadas a la membrana
plasmática
O
H
fucosa
Cooper, 2000
ácido siálico
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 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.
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 presentes en esas proteínas (i.e. hidrolasas
lisosomales) no presentes en las proteínas secretadas o en las destinadas a membrana.
Los grupos N-acetilglucosamina son luego removidos, dejando grupos manosa-6-fosfato
(M6P) en el oligosacárido. Esta modificación impide la remoción de estos residuos durante el
procesamiento posterior.
Golgi cis
Cooper, 2000
Destinación de proteínas a lisosomas
lisosoma
endosoma tardío
Las proteínas con el marcador manosa 6-fosfato (M6P) son reconocidas por proteínas
receptoras presentes en las membranas de la red trans Golgi y transportadas a lisosomas vía
endosomas tardíos en vesículas de transporte recubiertas de la proteína clatrina.
Las proteínas receptor M6P se unen a las proteínas (hidrolasas) lisosomales en el lado luminal
de la membrana y a adaptinas de cubiertas de clatrina en formación por el lado citosólico.
Esto ayuda a almacenar las hidrolasas en vesículas de clatrina que geman de la red trans
Golgi.
Lisosomas
Los lisosomas son organelos limitados por una membrana que presentan una gran
diversidad de formas y tamaños (0.25 to 0.5 μm) y que contienen un conjunto de
enzimas hidrolíticas (~40 tipos), que catalizan la digestión controlada de macromoléculas
tales como proteínas, ácidos nucleicos, carbohidratos y lípidos.
Presentan gran diversidad morfológica y una variedad de funciones digestivas que
incluyen la degradación de componentes obsoletos de la célula y de material extracelular
(i.e. destrucción de microorganismos fagocitados).
vesículas con hidrolasas desde el Golgi
Visualización histoquímica de lisosomas: se observan precipitados de
fosfato de plomo indicando la presencia de una fosfatasa ácida, marcadora
de lisosomas.
Lisosomas
Son considerados como una colección de diferentes organelos que 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.
La membrana del lisosoma normalmente mantiene estas enzimas digestivas fuera del
citosol, aunque éstas no funcionarían allí pues éste tiene un pH de aprox. 7,2.
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.
H+
lumen
citosol
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
Sistemas de transporte en lisosomas
En la membrana de los lisosomas existen proteínas de transporte lo que permite que
los productos finales de la digestión de las macromoléculas tales como amino ácidos,
azúcares, nucleótidos, etc., sean transportados al citosol donde pueden ser reutilizados
o exportados fuera de la célula.
Ej.:El cotransportador LYAAT1/PAT1 que exporta aminoácidos neutros y H+s al citosol.
Vacuolas
Vacuolas
Las vacuolas son
organelos
típicos de las células vegetales,
limitados por una membrana
denominada tonoplasto.
Están relacionados con los
lisosomas de las células animales
y aunque contienen enzimas
hidrolíticas tienen funciones muy
diversas.
Pueden actuar como un organelo
de almacenamiento de nutrientes
(i.e.
acumulan
sacarosa)
y
desechos, como compartimiento
degradativo y como controlador de
la presión de turgor.
Vacuolas
En las células grandes maduras, la vacuola puede llegar a ocupar el 90% del
volumen celular, con al citoplasma confinado a una delgada capa periférica.
Almacenan
diferentes moléculas, iones, ácidos orgánicos, azúcares,
enzimas, metabolitos secundarios, etc.
Vacuolas
meristemas
En los tejidos en crecimiento como el meristema apical, las células
contienen numerosas vacuolas que coalecen para formar una o pocas a
medida que la célula madura y se expande.
La vacuola en el crecimiento celular
La acumulación de solutos impulsa la
acumulación osmótica de agua
produciendo presión de turgor necesario
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.
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.
FIN