Transporte Vesicular.

El transporte vesicular es uno de los mecanismos que permiten a las proteínas solubles y a las de membrana sintetizadas sobre el retículo endoplásmico rugoso moverse hacia su destino final a través de la vía secretoria. Un único actor interviene en el tránsito de proteínas de membrana y solubles desde un compartimiento delimitado por membrana hasta otro, y estas son las vesículas de transporte, que recogen las proteínas “carga” en brotes que surgen desde un compartimiento y luego entregan las proteínas hasta el compartimiento adyacente, mediante la fusión entre membranas receptoras.

A partir de micrografías electrónicas en busca de vesículas, se descubrió que la mayoría de estas vesículas están cubiertas en su superficie citosólica por una capa electrodensa difusa. Cada vesícula cubierta se desprende para formar una vesícula cubierta de transporte.

Las cubiertas de proteínas tienen por lo menos dos funciones:

1.    Actúan como mecanismo mecánico que hace que la membrana se curve y forme una vesícula desprendible.

2.    Proporcionan un mecanismo para seleccionar los componentes que transporta la vesícula.

Los componentes que transporta y se seleccionan incluyen:

1.    Proteínas secretoras lisósomicas y de membrana que deben transportarse.

2.    La estructura necesaria para dirigir y conectar la vesícula con la membrana receptora correcta.

Las vesículas cubiertas con COP II poseerán en su superficie externa los Complejos Sec23/Sec24 y Sec 13/Sec31, su formación empieza gracias al complejo Sec 12, que cataliza el intercambio de Sar1-GDP por Sar1-GTP, empezando así la formación de la vesícula en la membrana citosolica del Retículo Endoplásmico.

Las vesículas cubiertas con COP I poseen una estructura basada en Coatómeros que contienen siete subunidades COP diferentes, ya armada, que se unen a la superficie de la membrana a través del análogo de GTP; el ARF.

Las vesículas cubiertas con Clatrina consisten en tres cadenas pesadas y tres ligeras unidas para formar un ensamble de tres ramas llamado módulo trípode de clatrina (trisquelión). Cada miembro de un trisquelión de clatrina se extiende hacia afuera en dos aristas de un polígono, las moléculas de clatrina se superponen de modo que cada vértice de un polígono contienen un centro de uno de los trisqueliones componentes.

El adaptador mejor estudiado que opera en conexión con la endocitosis mediada por clatrina es AP2.

AP2 posee dos subunidades, la subunidad U que se acopla a las colas citoplasmáticas de los receptores específicos en la membrana plasmática, y la subunidad B de los adaptadores AP2 que se une y congrega las moléculas de clatrina de la celosía suprayacente. 

Las tres vesículas cubiertas mejor estudiadas son las siguientes:

·         Las vesículas cubiertas con COP II desplazan materiales del retículo endoplásmico “hacia adelante” al ERGIC y al aparato de Golgi.

·         Las vesículas cubiertas con COP I mueven materiales en sentido retrógrado, del ERGIC y pila de Golgi “hacía atrás” al retículo endoplásmico y de las cisternas Golgi trans de “regreso” a las cisternas Golgi cis.

·         Las vesículas cubiertas con clatrina movilizan materiales de la TGN a los endosomas, lisosomas y vacuolas vegetales. También mueven materiales de la membrana plasmática a los compartimientos citoplásmicos a lo largo de la vía endocítica. Así mismo, intervienen en el tránsito de los endosomas y los lisosomas.

1.    Transporte de Cargamento del Retículo Endoplásmico al Aparato de Golgi.  Las cubiertas COP II seleccionan y concentran ciertos componentes para transportar en vesículas. Ciertas proteínas integrales de membrana del ER se capturan en forma selectiva porque contienen señales de “exportación del retículo endoplásmico” como parte de su cola citosólica. Las proteínas seleccionadas por las vesículas cubiertas con COP II incluyen:

·         Enzimas que actúan en las etapas avanzadas de la vía biosintética como las glucosiltransferasa del Aparato de Golgi.

·         Proteínas de membrana participantes de fijación y fusión de las vesículas con el compartimiento blanco.

·         Proteínas de membrana que pueden unirse con cargamentos solubles.

La formación de la vesícula empieza gracias al complejo Sec12, que recluta al complejo Sar1 unido a una molécula de GDP, denominada Sar1-GDP. El complejo Sec12 cataliza el intercambio de la molécula de GDP por una molécula de GTP, causando un cambio conformacional en la estructura de Sar1, permitiendo el anclaje de Sar1-GTP a la membrana, que origina al mismo tiempo la deformación de la membrana.

Sar1-GTP atrae al complejo Sec23-24, que se une a Sar1-GTP, formando el andamio de la vesícula. A Sec24 se le une la cola citosolica de la proteína de cargo, permitiendo la exposición del receptor de cargo, permitiendo la unión de las proteínas a transportar, desde el retículo endoplásmico.
Se une Sec13-31 al complejo Sec23-24, formando de este modo la estructura externa de la vesícula.

Una vez que se ensambla toda la cubierta COP II, la yema se separa de la membrana del retículo endoplásmico en la forma de una vesícula cubierta por COP II. Antes que la vesícula cubierta pueda fusionarse con una membrana blanco, la cubierta proteínica debe desensamblarse y sus componentes se liberan al citosol. Este desacoplamiento se inicia por la hidrólisis del GTP unido, para producir nuevamente el complejo Sar1-GDP.

La secreción a través de vesículas es de dos tipos:

·         Secreción constitutiva. La realizan todas las células continuamente. Corresponde a sustancias destinadas al medio extracelular (como la lámina basal de las células epiteliales y los proteoglucanos y proteínas de la matriz extracelular), a la propia superficie celular (como los receptores de la membrana plasmática), e incluso puede incluirse en este tipo de secreción la renovación de la membrana plasmática y de su glicocálix.

·         Secreción regulada. Se produce sólo en algunas células, denominadas células secretoras, e implica la secreción celular propiamente dicha (enzimas digestivas, por ejemplo) y también la renovación de la membrana plasmática a partir de las membranas de las vesículas (gránulos de secreción o de cimógeno). Mientras que las vesículas de secreción constitutiva se fusionan con la membrana plasmática nada más llegar, las de secreción regulada esperan hasta que reciben la señal para que la célula segregue. Esta señal es una hormona u otro ligando que se une a su receptor de la membrana y activa las señales intracelulares. En la sinapsis, la secreción es un neurotransmisor que genera una señal eléctrica.

2.    Transporte de Proteínas escapadas de regreso al Retículo Endoplásmico. Las vesículas cubiertas con COP I se acumulan en presencia de un análogo de GTP no hidrolizable porque la cubierta posee una proteína de unión con GTP llamada ARF1, cuyo GTP debe hidrolizarse antes de desarticularse de la membrana.

Las vesículas cubiertas con COP I median el transporte retrógrado de proteínas, incluido el movimiento de:

·         Las enzimas residentes en el Aparato de Golgi en dirección Trans a Cis.

·         Enzimas residentes del retículo endoplásmico del ERGIC y el aparato de Golgi de regreso al retículo endoplásmico.

¿Qué determina, si una proteína particular en la membrana del retículo endoplásmico permanece en éste o se traslada al Aparato de Golgi?

Los estudios sugieren que las proteínas se mantienen en un organelo por una combinación de dos mecanismos.

·         Retención de las moléculas residentes que se excluyen de las vesículas de transporte.

·         Recuperación de las moléculas “prófugas” para devolverlas al compartimiento en que se encuentran normalmente.

Las proteínas que residen en el retículo endoplásmico, contienen secuencias cortas de aminoácidos en su extremo C que sirven como señales de recuperación, lo que asegura su regreso al retículo endoplásmico en caso que se trasladen por accidente hacia el ERGIC o al Aparato de Golgi. Tienen una señal de recuperación KDEL, estas proteínas se reconocen y regresan al retículo endoplásmico por el receptor KDEL, una proteína integral de la membrana que se traslada entre los compartimentos cis Golgi y los de retículo endoplásmico. Si la secuencia KDEL se borra de una proteína del retículo, las proteínas prófugas no regresan al retículo, sino que se trasladan al Aparato de Golgi.

3.    Ordenamiento de proteínas en la red trans de Golgi. 1) Las proteínas lisosómicas se sintetizan en ribosomas unidos con la membrana en el ER y se transportan al aparato de Golgi junto con otros tipos de proteínas. Una vez en las cisternas de Golgi ciertas enzimas reconocen a las enzimas lisosómicas solubles y catalizan la adición de un grupo fosfato en dos pasos a ciertos azúcares manosa de las cadenas de carbohidrato con enlaces N, las enzimas lisosómicas tienen residuos de manosa fosforilada que actúan como señales de clasificación.

Los receptores para manosa 6-fosfato (MPR) reconocen y capturan a las enzimas lisosómicas que llevan la señal manosa 6-fosfato; los receptores son proteínas integrales de la membrana que cruzan las membranas de la TGN. Las enzimas lisosómicas se transportan desde la TGN en vesículas cubiertas con clatrina. Las enzimas lisosómicas están flanqueadas desde la TGN por una familia recién descubierta de proteínas adaptadoras llamadas GGA.

2) Las proteínas de membrana destinadas a la membrana plasmática y los materiales secretores destinados a la exportación fuera de la célula también se transportan desde la TGN, pero se sabe poco de los mecanismos implicados. Se cree que las proteínas que se descargan a la célula mediante un proceso de secreción regulada, como el caso de las enzimas digestivas y las hormonas, forman agregados selectivos que al final se retienen en gránulos secretores grandes y muy concentrados. En algunas células, se observan túbulos largos que son jalados de la TGN por proteínas motoras que operan a lo largo de trayectos microtubulares. Luego, estos túbulos se dividen en varias vesículas o gránulos por fisión de membrana. Una vez que salen de la TGN, el contenido de los gránulos secretores se concentra. Al final, los gránulos maduros se almacenan en el citoplasma hasta que su contenido se libera después de la estimulación de la célula por una hormona o impulso nervioso.  

4.    Direccionamiento de las vesículas a un compartimiento particular. Para comprender la naturaleza de estas proteínas, se consideran los pasos que ocurren entre el desprendimiento de la vesícula y la fusión de la misma.

·         Movimiento de la vesícula hacia el compartimiento blanco específico. En muchos casos, las vesículas membranosas deben viajar distancias considerables en el citoplasma antes de llegar a su objetivo final. Estos tipos de movimiento están mediados sobre todo por microtúbulos, que actúan como las vías de un tren que lleva contenedores con cargamento a lo largo de un trayecto definido hacia un destino predeterminado.

·         Fijación de las vesículas al compartimiento blanco. Se cree que los contactos iniciales entre una vesícula de transporte y sus membranas blanco, como una cisterna de Golgi, están mediados por proteínas fijadoras (proteínas fibrosas cilíndricas, capaces de formar un puente molecular entre las membranas y grandes complejos de múltiples proteínas). Gran parte de esta especificidad podría derivar de una familia de pequeñas proteínas G llamadas Rab, que fluctúan entre el estado activo unido con GTP y el estado inactivo unido con GDP. En su estado unido con GTP, las Rab tienen una función clave en la dirección hacia un blanco mediante la atracción de proteínas fijadoras citosólicas específicas hacia superficies de membrana específicas.

·         Acoplamiento de las vesículas al compartimiento blanco. Las proteínas clave que participan en estas interacciones se conocen como SNARE. Las SNARE pueden dividirse en dos categorías, SNARE-v, que se incorporan en las membranas de vesículas de transporte durante el desprendimiento, y SNARE-t, que se localizan en las membranas de los compartimientos blanco.

·         Fusión entre las membranas de la vesícula y el blanco. Las vesículas que se encuentran en esta etapa permanecen acopladas con la membrana y listas para descargar su contenido en forma casi instantánea una vez que reciban una señal de activación en la forma de un incremento de la concentración de Ca2+. La disociación del complejo SNARE de cuatro cadenas se logra con una proteína citosólica con forma de rosquilla llamada NSF que se une con el haz SNARE y, usando energía procedente de la hidrólisis de ATP (trifosfato de adenosina), lo tuerce para separarlo.