Tráfico de Proteínas: Ruta Exocítica Sergio Cabrera Programa de Biología Celular y Molecular Kinesiología 2011 Células eucariotes tienen un sistema elaborado de estructuras membranosas internas: ORGANELOS Cada organelo: •Tiene una composición única de (glico)proteínas y (glico)lípidos). •Está formado por uno o más compartimentos de membrana. •Desempeña funciones particulares. •Puede actuar de manera autónoma o cooperativa para desarrollar una función. • Sistema de endomembranas celulares: •Envoltura nuclear •Retículo endoplásmico (liso/rugoso) •Aparato de Golgi •Endosomas •Lisosomas Hay traspaso de material entre estos compartimentos, mediante VESÍCULAS DE INTERCAMBIO. •Figura 12-1 El Mundo de la Célula(Pearson Educación 2006) • 1. ¿Donde se sintetizan las membranas de los compartimientos? • 2.¿Cómo se originan y mantienen los compartimentos celulares? • 3.¿Qué ocurre en cada compartimento? • 4.¿Cómo se mueven las moléculas entre los compartimentos? 1. ¿Donde se sintetizan las membranas de los compartimientos? LÍPIDOS LÍPIDOS • Para la biosíntesis de lípidos, los precursores están en el citosol, y las enzimas que catalizan el proceso están en la membrana del REL (con su sitio-activo hacia el citosol). • Los lípidos se sintetizan en la CARA CITOSÓLICA de la membrana del REL. • ¿Cómo pasan al otro lado de la membrana? • Con ayuda de enzimas llamadas FLIPASAS. 2.¿Cómo se originan y mantienen los compartimentos celulares? ♦ de novo”: Los organelos no pueden formarse “ ♦ Requieren información del organelo original. ♦ Durante la división celular, las células primero “agrandan” sus organelos por incorporación de nuevas moléculas a los organelos originales, que luego se dividen y son repartidos en las dos células hijas. ♦ Por lo tanto, los organelos no pueden desarrollarse de la nada!! ♦ Los LÍPIDOS que forman las membranas se generan en el retículo endoplásmico liso. ♦ Las PROTEÍNAS de los organelos se sintetizan en ribosomas asociados al retículo endoplásmico rugoso o en polirribosomas libres del citosol PROTEÍNAS • Sitio de síntesis Polirribosomas libres CITOSOL Destinación Citosol Citoesqueleto Núcleo Mitocondrias Cloroplastos Peroxisomas Enzimas de la Glicólisis RER del citosol; continuación en REL polirribosomas asociados al RER Aparato de Golgi Lisosomas Membrana plasmática Proteínas de secreción Inicio en polirribosomas libres Si todas las proteínas inician su síntesis en polirribosomas libres del citosol, ¿qué mecanismo las guía posteriormente hasta el compartimento donde deben ejercer su función? • SEÑALES DE DESTINACIÓN: • Están en la secuencia peptídica de la proteína, y son señales de exporte del citosol (al núcleo, RE, mitocondrias, cloroplastos, peroxisomas). • Las proteínas que no tienen estas señales son retenidas en el citosol. • Son secuencias de 15-60 aminoácidos, generalmente en el extremoN-terminal de las proteínas. • También hay señales de destinación del RE hacia otros compartimentos celulares • Hay 3 mecanismos por los cuales las proteínas se mueven de un compartimento a otro: • Transporte regulado: transporte entre citosol y núcleo a través del PORO NUCLEAR. El poro permite la difusión pasiva de moléculas pequeñas, pero regula el importe activo de macro moléculas o agregados macromoleculares. • Transporte transmembrana: transporte facilitado por PROTEÍNAS TRANSLOCADORAS presentes en las membranas. Proteínas sintetizadas parcial o totalmente en el citosol son así incorporadas a las membranas de los organelos donde ejercerán su función. Proteínas deben desplegarse durante el proceso y volver aplegar se correctamente una vez que quedan incorporadas en la membrana. Ej: Incorporación de proteínas a la membrana mitocondrial, o al RER. • Transporte vesicular: transporte de proteínas solubles de un compartimento a otro, utilizando VESÍCULAS TRANSPORTADORAS. Ej:Transporte entre el RE y el aparato de Golgi 3.¿Qué ocurre en cada uno de los compartimentos celulares? Retículo Endoplásmico Red continua de sacos aplanados, túbulos y vesículas que se distribuyen por todo el citoplasma de las células. Tiene continuidad estructural con la envoltura nuclear Retículo Endoplásmico Liso (REL): No presenta ribosomas; sus cisternas son tubulares; es muy abundante en células que sintetizan hormonas esteroidales y en músculo esquelético. Retículo Endoplásmico Rugoso (RER): Tiene ribosomas unidos a su cara citosólica; sus cisternas son aplanadas; es muy abundante en células con activa síntesis proteica (ej:células secretoras). Funciones del REL • Sintetiza ácidos grasos y fosfolípidos (triglicéridos, fosfoglicéridos, ceramidas y esteroides). • Sintetiza hormonas esteroidales. • Tiene enzimas que detoxifican compuestos hidrófobos, como pesticidas y agentes cancerígenos, al convertirlos químicamente en productos conjugados más hidro solubles, que pueden ser excretados del organismo. Es abundante en los hepatocitos. • En los hepatocitos tiene enzimas de membrana que participan en la degradación del glucógeno (glucogenolisis). • Reservorio de calcio intracelular; liberación controlada de calcio al citosol en respuesta a estímulos extracelulares. Muy abundante en músculo esquelético y fundamental en contracción muscular. REL RER REL en el metabolismo del Glicógeno RER funciones •Funciones del RER • Sintetiza y almacena proteínas de la ruta exocítica. Sintetiza determinadas proteínas de membrana plasmática y de los organelos y casi todas las proteínas secretadas por la célula. • Es especialmente abundante en células secretoras: células plasmáticas que sintetizan los anticuerpos circulantes y células acinares pancreáticas que sintetizan enzimas digestivas. • Modificaciones post- traduccionales: inicio de glicosilación; plegamiento correcto y ensamblaje de proteínas multiméricas por formación de puentes disulfuro. • Control de calidad: sistema de reconocimiento y envío a degradación de proteínas mal plegadas. Membrana del RER Citosol Lumen del RER Ápice Base RER Control de calidad del RER Aparato de Golgi • Red de cisternas aplanadas de membrana, apiladas. Cada agrupación (de 3 - 8 cisternas) se llama PILA DE GOLGI o DICTIOSOMA. •La red CIS GOLGI es la región del Dictiosoma más cercana al RER (recibe vesículas cargadas que vienen del RER). • La red TRANS GOLGI es la región del dictiosoma más cercana a la membrana plasmática (de ella emergen vesículas desecreción que llevan proteínas procesadas hacia la MP, los endosomas y los lisosomas). • Las CISTERNA CIS – INTERMEDIAS Y TRANS GOLGI: son regiones bioquímicamente distintas. Cada una tiene enzimas diferentes que le permitirán cumplir funciones determinadas. Funciones del Aparato de Gol •Selección y destinación de proteínas provenientes del RER. •N-Glicosilación terminal de glicoproteínas provenientes del RER. •O-glicosilación de proteínas •Glicosilación de lípidos provenientes del REL. •Síntesis de heteropolisacáridos de matriz extracelular (glicosaminoglicanos). •Síntesis de polisacáridos de pared celular en células vegetales (hemicelulosa,pectinas). •Maduración o conversión proteolítica de proteínas. •Las glicosilaciones ocurren sólo en la cara interna (lumen) del RE y el Golgi → en el caso de las proteínas que vayan a insertarse en la MP, esa región quedará expuesta al EXTRACELULAR. La presencia de glicosilaciones sólo en el extra celular de la MP contribuye a la asimetría de la membrana. •N-glicosilación: adición de oligosacárido a residuos Asparagina(Asn,N) de las proteínas. Ocurre entre RE y Golgi. •O-glicosilación: adición de oligosacárido a residuos Serina o Treonina de las proteínas. Ocurre sólo en el Golgi N-glicosilación se inicia en el RER Proteína Se le unen 14 monómeros a un átomo de nitrógeno de una Asparragina Glicosilación de las Proteínas en el R E R ¿De donde aparece este oligosacárido? Oligosacárido es sintetizado en la cara CITOSÓLICA del RER, sobre la molécula de DOLICOL. Posteriormente ocurre una translocación por una flipasa, y el oligosacárido queda en la cara luminal del RER, listo para ser transferido a una proteína. Fig 12-7 El Mundo de la Célula (Pearson Educación 2006) En los distintos compartimentos del Golgi ocurre el procesamiento final de la N-glicosilación En el Golgi también ocurre la MADURACIÓN de proteínas por proteólisis En las vesículas de secreción del trans-Golgi algunas proteínas (albúmina sérica, insulina, glucagón) sufren un proceso de maduración o conversión proteolítica llevado a cabo por “proteasas” 4. ¿Cómo se mueven las moléculas entre los compartimentos celulares? Tránsito de proteínas en el sistema de endomembranas Fig 12-8 El Mundo de la Célula(Pearson Educación 2006) Descarga continua de vesículas en la membrana plasmática. CONSTITUTIVA Vía Exocítica Exocitosis Secreción Desplazamiento de proteínas desde el RE y a través del Golgi hasta las vesículas de secreción que descargan su contenido al exterior REGULADA Ej: Secreción de mucus por células intestinales, secreción de componentes de la matriz extra celular. Descarga rápida y controlada de vesículas, Generalmente en respuesta a una señal extracelular. Vesículas se acumulan en las cercanías de la membrana plasmática y sólo se fusionan con ella y liberan su contenido cuando reciben una orden extracelular específica. Ej: Liberación de neuro transmisores en terminales nerviosos por despolarización de la membrana plasmática. Proteínas de secreción CONSTITUTIVA O REGULADA Ruta exocítica requiere: • Síntesis de la proteína secretable o de membrana (inicio en poli rribosomas libres en el citosol, continuación en la membrana del RE). • Tránsito RE – Golgi para su maduración. • Destinación de las vesículas de secreción a la región adecuada de la membrana plasmática ( fundamental en células polarizadas: epitelios, neuronas). •Fusión de las vesículas con la membrana plasmática y liberación de su contenido al medio extracelular ¿En qué momento las proteínas se anclan a su membrana blanco? Proteínas que se traducen en polirribosomas citosólicos: Translocación post-traduccional (primero se sintetiza la proteína y luego se inserta en la membrana blanco).Ej: •Núcleo •Mitocondrias •Cloroplastos •Peroxisomas Proteínas que se traducen en polirribosomas asociados al R E: translocación co-traduccional (apenas se inicia la síntesis de la proteína, ésta se transloca a la membrana del RE y sigue traduciéndose en este sitio).Ej: • Proteínas de la ruta exocítica ¿Cómo se translocan las proteínas de la ruta exocítica desde los polirribosomas libres a la membrana del RE?Teoría del “péptido señal” (Blobel & Sabatini) •Péptido señal (secuencia de amino ácidos en la proteína naciente) •SRP(signal-recognition particle). Proteína que reconoce al péptido señal. Transita entre el citosol y la membrana del RE. •Receptor para SRP. Está en la membrana del RE. •Translocón. Complejo multiproteico que forma un poro hidrofílico para el ingreso de la proteína naciente al RE. Síntesis de proteína secretable Síntesis de proteína con un paso transmembrana Síntesis de proteína transmembrana multipaso Moléculas “transitan” entre organelos intracelulares dentro de VESÍCULAS DE INTERCAMBIO → Las vesículas emergen de la superficie de un organelo, viajan y se fusionan con la membrana del organelo receptor. → Las vesículas transportan lípidos y proteínas de membrana, así como moléculas solubles Los orgánulos y las vesículas que los conectan forman un sistema único de membrana y espacios Internos al servicio del metabolismo celular. Moléculas “transitan” entre organelos intracelulares dentro de VESÍCULAS DE INTERCAMBIO Las proteínas solubles y de membrana sintetizadas en el RER deben dirigirse a distintos compartimentos celulares. Cada proteína tiene una SEÑAL DE DESTINACIÓN o “etiqueta” que indica en qué tipo de vesícula debe ser incluida o excluida, o en que compartimento debe ser retenida. Señales de destinación: •Secuencia de aminoácidos. Ej: Señales de destinación al polo baso lateral; Señales de recuperación al RER (KDEL) •Cadenalateraldeoligosacáridos •Dominio hidrofóbico. Ej: proteínas de membrana del Golgi Todas las proteínas residentes del Golgi son transmembrana; la retención en una región particular del Golgi dependerá del tamaño del segmento transmembrana: si es pequeño se quedará en el cis-Golgi y si es más grande se retendrá en las cisternas trans Golgi (esto porque el grosor de la membrana aumenta desde el RE hacia la membrana plasmática). Múltiples PROTEÍNAS comandan el tráfico de vesículas dentro de la célula •Las proteínas confieren a cada organelo sus características estructurales y funcionales. •Las proteínas sirven como señales de reconocimiento que incluyen o excluyen material en las vesículas que serán transportadas. •Las proteínas sirven como marcadores de superficie “organelo-específicos” para dirigir el flujo de vesículas hacia el compartimento apropiado. •Las proteínas favorecen la formación de las vesículas, y su fisión y fusión. VESÍCULAS RECUBIERTAS (“coated vesicles”) Lasvesículas de transporte se forman en regiones especializadas de las membranas de los organelos,recubiertas de proteínas específicas Hay 3 tipos de vesículas recubiertas: •Recubiertas de clatrina ( MP , Golgi-endosomas) •Recubiertas de COPI (Golgi) •Recubiertas de COPII (RE) Ensamblaje / desensamblaje de la cubierta de vesículas El ensamblaje de los complejos adaptadores con las proteínas de cubierta genera la fuerza para la formación de la vesícula Proteínas transmembrana Proteínas solubles (“cargo”) Receptor “cargo” Proteínas adaptadoras Proteína de cubierta Vesícula Dinámina y sus proteínas asociadas participa en el “estrangulamiento” y la fisión (“pinching off”) de la membrana para liberar las vesículas Selección de la “carga” de una vesícula es generalmente regulada Viajan en una vesícula proteínas que tienen SEÑALES, y no proteínas “por defecto” Además, unicamente las plegadas en forma correcta • Tráfico “por defecto” En células no polarizadas, muchas proteínas sintetizadas llegan a la membrana plasmática POR DEFECTO, a menos que tengan señales específicas que las dirijan a compartimentos determinados “Flujo retrógrado”: Cómo el retículo endoplásmico RECUPERA sus proteínas residentes Las proteínas residentes del RE que han pasado al Golgi tienen en su región C-terminal una secuencia KDEL, que es reconocida por un receptor que las devuelve al RE dentro de vesículas EXOCITOSIS: Transporte desde la red trans-Golgi hacia el exterior Formación de vesículas secretoras Las proteínas secretables se concentran en las vesículas secretoras por dos mecanismos •Selección y acumulación en vesículas inmaduras que emergen del trans-Golgi. •Eliminación de membrana y material nosecretable por flujo vesicular retrógrado Vesículas secretoras permanecen cerca de la superficie celular esperando la señalización para ser liberadas. Mastocitos secretores de histamina No estimulado Estimulado con molécula soluble extra celular La exocitosis regulada es una respuesta LOCALIZADA frente a un estímulo. Anclaje de vesículas a la membrana aceptora y proceso de fusión es mediado por proteínas de ambas membranas inmovilización acoplamiento En células polarizadas, ¿cómo reconoce la maquinaria exocítica a qué región debe destinar a cada proteína? CÉLULAS POLARIZADAS: Destinación diferencial de proteínas a regiones especializadas de la membrana plasmática Señales de destinación baso-lateral: •Señales peptídicas (NPXY / YXX Φ ) N=asparagina P= prolina Y = tirosina X = cualquier aminoácido Φ = aminoácido hidrofóbico Señales de destinación apical: •Anclaje a GPI (glicosil fosfatidil inositol) •N-glicosilaciones En resumen 1. Ruta Exocítica:RER →Golgi → Vesículas de Secreción → Superficie Celular (MP o liberación 2. Síntesis Citosol Lípidos→ REL Proteínas Citosol Solubles citosol /núcleo Mitocondrias Peroxisomas Ribosomas Ruta exocítica RER RE Golgi MP Secreción Lisosomas 3. Tipo de secreción: CONSTITUTIVA (en todas las células) o REGULADA (en células secretoras especializadas) 4. Destinación de proteínas a distintos compartimentos celulares: depende de señales PEPTÍDICAS, de OLIGOSACÁRIDOS, o DOMINIOS HIDROFÓBICOS. 5. Formación de vesículas es un proceso altamente regulado y requiere de múltiples proteínas accesorias para la generación, fisión, transporte y fusión. 6. La ruta exocítica puede destinar proteínas a regiones especializadas de la membrana plasmática (células polarizadas) Bibliografía 1. 2. 3. 4. Molecular Biology of the Cell. Bruce Alberts, Alexander Jhonson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts & Peter Walter. Garland Science. 5ª edición. 2008. El Mundo de la célula Wayne Becker, Lewis Kleinsmith & Jef fHardin. Pearson Addison Wesley. 6ª edición. 2006. VIDA: La Ciencia de la Biología. David Sadava, H. Craig H Editorial Médica Panamericana Eller, Gordon H. Orians, William H. Purves & David M. Hillis. 8ª edición. 2008. Exocytosis and Endocytosis. AndreiIvanov. Methods in Molecular Biology. Humana Press. 2008 En procariontes Transcripción y Traducción es simultánea