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Atlas de Histología Animal y Vegetal

TRÁFICO VESICULAR

Manuel Megías, Pilar Molist, Manuel A. Pombal

DEPARTAMENTO DE BIOLOGÍA FUNCIONAL Y CIENCIAS DE LA SALUD.FACULTAD DE BIOLOGÍA. UNIVERSIDAD DE VIGO.

(VERSIÓN: SEPTIEMBRE 2017)

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los autores).

ÍNDICE

Introducción .................................................................. 4

Retículo endoplasmático .............................................. 6

Del retículo al Golgi ..................................................... 10

Aparato de Golgi ......................................................... 12

Exocitosis .................................................................... 16

Endocitosis .................................................................. 19

Endosomas ................................................................... 22

Lisosomas .................................................................... 25

En células vegetales .................................................... 27

Vacuolas ...................................................................... 29

Bibliografía ................................................................... 32

Atlas de histología vegetal y animal. Universidad de Vigo.


Una célula eucariota se puede considerar como unagran ciudad con diversos distritos. En ellos se llevan acabo trabajos necesarios como pueden ser laproducción de energía, la fabricación de productos, laelaboración de tales productos, la exportación o laimportación con otras ciudades, el reciclaje de labasura, etcétera. Para que todo este sistema seaeficiente se necesita que los distritos esténcomunicados entre sí por carreteras y portransportadores.

Los distritos están representados en la célula por loscompartimentos intracelulares y en las célulaseucariotas muchos de estos compartimentos estándelimitados por membranas formando lo que llamamosorgánulos. Cada orgánulo celular está especializado enuna o varias funciones. Por ejemplo, el retículoendoplasmático es un gran productor de lípidos yproteínas, el aparato de Golgi modifica tales moléculas,sintetiza glúcidos y los reparte a otros orgánulos, loslisosomas son centros de degradación, las mitocondriasy los cloroplastos son grandes centrales energéticas, lasgotas de lípidos son centros de almacenamiento,etcétera.

La comunicación entre muchos de losorgánulos celulares está mediada porvesículas, las cuales transportan las moléculasen su interior o incluidas en sus membranas.Estas comunicaciones se denominan enconjunto tráfico vesicular. Hay dos grandesrutas de comunicación por vesículas entre losorgánulos. La primera se inicia en el retículoendoplasmático, el cual envía vesículas alaparato de Golgi, que a su vez envía tambiénvesículas a la membrana plasmática en unproceso denominado exocitosis. Ésta es la rutaexportadora, es decir, la que liberará alexterior moléculas producidas por la célula,aunque tiene también otras misiones. La otragran ruta es la importadora y comienza en lamembrana plasmática donde se formanvesículas por un proceso denominadoendocitosis. Estas vesículas se fusionan conlos endosomas, los cuales terminanconvirtiéndose en lisosomas donde sedegradan las moléculas incorporadas del

medio extracelular y de la propia membrana vesicular.Existen otras comunicaciones entre orgánulosmediadas por vesículas, dando la impresión de quetodos los orgánulos están comunicados entre sí. Pareceexistir la regla de que la comunicación entre dosorgánulos es bidireccional, es decir, un orgánulo queenvía vesículas a otro, también suele recibirlas de dichoorgánulo. Por ejemplo, el retículo endoplasmáticoenvía vesículas al aparato de Golgi, el cual a su vezcrea vesículas destinadas al retículo endoplasmático; lamembrana plasmática forma vesículas que se fusionancon los endosomas, pero éstos a su vez envíanvesículas con destino a la membrana plasmática en unaruta de reciclaje.

Orgánulos como las mitocondrias, los cloroplastos ylos peroxisomas no reciben ni forman vesículas paracomunicarse con otros orgánulos. Están fuera de la rutavesicular, pero se comunican con los otros orgánulosmediante otros mecanismos. Uno de ellos son loscontactos directos entre sus membranas. Por ejemplo,es frecuente observar contactos físicos entremembranas de mitocondrias con las del retículoendoplasmático, y en estos contactos se propone que se

Esquema de las principales vías de comunicación mediante vesículas

entre diferentes orgánulos que forman parte de la ruta vesicular.

Existe comunicación bidireccional entre la mayoría de los orgánulos

que se comunican directamente. No todas las conexiones están

representadas.

La célula. Tráfico vesicular. 4

realizan intercambios de moléculas. De hecho, algunosautores proponen que esta transferencia de moléculaspor contactos físicos podría ser un mecanismo decomunicación normal y frecuente en las células. Por

otra parte, existen moléculas transportadoras de lípidosque intercambiarían moléculas entre las membranas deorgánulos diferentes




El retículo endoplasmático es un complejo sistemade membranas dispuestas en forma de sacos aplanadosy túbulos que están interconectados entre sícompartiendo el mismo espacio interno. Susmembranas se continúan con las de la envuelta nucleary se pueden extender hasta las proximidades de lamembrana plasmática, llegando a representar más de lamitad de las membranas de una célula. Sus membranasson más delgadas que las de otros compartimentoscelulares (unos 5 nm).

El retículo organiza sus membranas en regiones odominios que realizan diferentes funciones. Los dosdominios más fáciles de distinguir son el retículoendoplasmático rugoso, con sus membranas formandocisternas aplanadas, a veces también túbulos más omenos rectos, y con numerosos ribosomas asociados, yel retículo endoplasmático liso, sin ribosomasasociados y con membranas organizadas formandotúbulos muy curvados e irregulares. La membranaexterna de la envuelta nuclear se puede considerar

como parte del retículo endoplasmático rugoso puestoque es una continuación física de él y se puedenobservar ribosomas asociados a ella realizando latraducción.

El retículo endoplasmático rugoso y el liso suelenocupar espacios celulares diferentes como ocurre en loshepatocitos, en las neuronas y en las células quesintetizan esteroides. Sin embargo, en algunas regionesdel retículo no existe una segregación clara entreambos dominios y se aprecian áreas de membrana conribosomas mezcladas con otras sin ribosomas. Ladisposición espacial del retículo endoplasmático en lascélulas animales depende de sus interacciones con losmicrotúbulos, mientras que en las vegetales son losfilamentos de actina los responsables.

Retículo endoplasmático rugoso

El dominio rugoso del retículo endoplasmático secaracteriza por organizarse en una trama de túbulosalargados o sacos aplanados y apilados, más o menos

regulares en su forma, con numerosos ribosomasasociados a sus membranas. La cantidad de ribosomasasociados a sus membranas condiciona la forma deeste orgánulo, de tal manera que cuando el número deribosomas asociados aumenta, los túbulos seexpanden adoptando la forma de cisternas aplanadas.

La principal misión del retículo endoplasmáticorugoso es la síntesis de proteínas que irán destinadas adiferentes lugares: el exterior celular, el interior deotros orgánulos que participan en la ruta vesicular,como los lisosomas, o formarán parte integral de lasmembranas, tanto plasmática como de otros orgánulosde la ruta vesicular. Las proteínas transmembrana dela membrana plasmática se sintetizan en el retículoendoplasmático. Además, el retículo endoplasmáticorugoso tiene que sintetizar proteínas para sí mismo,denominadas proteínas residentes, las cuales, para serretenidas, deben poseer una secuencia de cuatroaminoácidos concretos localizados en el extremocarboxilo (COOH).

Cualquier proteína que se secrete o que forme partede los orgánulos o compartimentos de la rutavesicular empieza su proceso de síntesis en ribosomaslibres del citosol, pero dicha síntesis terminará en el

El retículo endoplasmático se extiende por toda la célula,

llegando hasta las proximidades de la membrana plasmática.

Está formado por cisternas y una red de túbulos, existindo

continuidad entre estos compartimentos. Los ribosomas se

encuentran tanto en túbulos como en cisternas. Toda este

sistema membranoso se continúa con la envuelta nuclear.


interior de una cisterna del retículo oformando parte de su membrana. El procesocomienza con la unión de un ARNmensajero (ARNm) a una subunidadpequeña ribosomal y posteriormente a unasubunidad grande ribosomal para comenzarla traducción. Lo primero que se traduce deestos ARNm es una secuencia inicial denucleótidos a partir de la cual se sintetizauna cadena de unos 70 aminoácidosdenominada péptido señal. Una moléculaconocida como SRP (sequence recognizingparticule), reconoce al péptido señal yenlentece el proceso de traducción. Elcomplejo formado por ribosoma, ARNm,péptido señal más SRP difunde por el citosolhasta chocar con una membrana del retículoendoplasmático, a la cual se une gracias a laexistencia de un receptor de membrana quereconoce al SRP. Todo el complejo anteriorinteracciona con un translocador, que es uncomplejo proteico transmembrana que formaun canal por el cual penetra la cadenapolipeptídica naciente hacia el interior de lacisterna del retículo endoplasmático. Elpéptido señal queda unido al translocadormientras que el resto de la cadenapolipeptídica se va traduciendo y liberando

hacia el interior. Una peptidasa presente en el retículoescinde el péptido señal del resto de la cadena deaminoácidos, quedando ésta libre en el interior. Unavez completada la síntesis, la cadena de aminoácidosadopta su conformación tridimensional, ayudada porchaperonas, y el ribosoma se libera de la membrana delretículo.

La cadena polipeptídica de proteínas transmembranatiene secuencias de aminoácidos hidrófobos quecuando se traducen facilitan su inserción directamenteentre los ácidos grasos de la membrana gracias a laacción del translocador. El proceso es muy complejo ydiverso para los diferentes tipos de proteínas integralespuesto que, por ejemplo, algunos receptorestransmembrana tiene siete cruces de membrana. Sóloen raras ocasiones el retículo importa proteínas que sesintetizan completamente en el citosol gracias a ciertostransportadores presentes en su membrana.


Imagen tomada con el microscopio electrónico de

transmisión de una neurona. Se observan las cisternas de

retículo endoplasmático rugoso que se extienden desde la

envuelta nuclear hasta las proximidades de la membrana

plasmática. Los ribosomas aparecen como bolitas negras

asociadas a sus membranas. Obsérvese que también hay

ribosomas asociados la membrana externa de la envuelta

nuclear.

Proceso de síntesis de proteínas solubles, quedan libres en el interior de

las cisternas del retículo.



Las proteínas que se sintetizan en los ribosomasadosados a la membrana del retículo endoplasmáticoson modificadas conforme van siendo sintetizadas. a)Hay una glicosilación (Nglicosilación) de losaminoácidos asparragina. Éstos recibirán un complejode 14 azúcares en su radical, que son transferidos desdeun lípido embebido en la membrana denominadodolicol fosfato, perdiéndose algunos de estos azúcaresen procesos posteriores. b) Se da hidroxilación sólo enalgunas proteínas, sobre todo en aquellas que van aformar parte de la matriz extracelular. Aquí sehidroxilan los aminoácidos prolina y lisina, dandohidroxiprolina e hidroxilisina, que formarán parte delcolágeno. c) Algunas proteínas asociadas a lamembrana plasmática están unidas covalentemente alípidos de la membrana, esta unión también se produceen este compartimento. d) Se establecen puentesdisulfuro entre cadenas de aminoácidos.

En el retículo endoplasmático se produce un controlde la calidad de las proteínas sintetizadas, de modo queaquellas que tienen defectos son sacadas al citosol yeliminadas. Existen unas proteínas denominadaschaperonas que juegan un papel esencial en elplegamiento y maduración de las proteínas reciénsintetizadas. Son también ellas las encargadas dedetectar errores y marcar las proteínas defectuosas parasu degradación. Otras proteínas con dominios tipolectina, reconocen determinados azúcares ycomprueban la adición correcta de glúcidos. El malplegamiento de proteínas es más frecuente de lo quepodría parecer.

Retículo endoplasmático liso

Es un entramado de túbulos membranososinterconectados entre sí y que se continúan con lascisternas del retículo endoplasmático rugoso. No tienenribosomas asociados a sus membranas, de ahí elnombre de liso. Por tanto la mayoría de las proteínasque contiene son sintetizadas en el retículoendoplasmático rugoso. Es abundante en aquellascélulas implicadas en el metabolismo de grasas,detoxificación y almacén de calcio.

El retículo endoplasmático liso está involucrado enuna serie de importantes procesos celulares de los quese pueden destacar:

Síntesis lipídica

En las membranas del retículo endoplasmático lisose producen la mayoría de los lípidos requeridos para laelaboración de las nuevas membranas de la célula,incluyendo glicerofosfolípidos y colesterol. Aunquegran parte de la síntesis de los esfingolípidos se lleva acabo en el aparato de Golgi, su estructura básica, laceramida, se sintetiza también en el retículo. Sinembargo, el retículo es más una plataforma deensamblado que de síntesis desde cero. Los ácidosgrasos se sintetizan en el citosol y son insertadosposteriormente en las membranas del retículoendoplasmático liso donde son transformados englicerofosfolípidos, inicialmente en la hemicapacitosólica de esta membrana. Como el cambio pasivode los lípidos entre hemicapas, o movimiento "flipflop", es difícil por el ambiente hidrófobo de lascadenas de ácidos grasos de la membrana, para quealgunos de ellos lleguen a la hemicapa interna desde lacitosólica se requiere la existencia de transportadoresde lípidos, denominados flipasas y flopasas y

"mezcladoras" (scramblases en inglés).

El colesterol es otro importante componente de lasmembranas, sobre todo de la plasmática, que sesintetiza mayoritariamente en el retículoendoplasmático liso. Desde aquí es transportado por lavía vesicular o por transportadores proteicos solubles.Por ejemplo, las levaduras, que poseen ergosterol ensus membranas en vez de colesterol, usan vías novesiculares para transportar el ergosterol desde elretículo hasta la membrana plasmática. Estos

Esquema de los caminos propuestos para el transporte de

lípidos desde el retículo endoplasmático hasta otras

membranas celulares: en vesículas y mediante

transportadores.


transportadores son diversos y sus movimientos sonindependientes de ATP.

Por la vía vesicular, formando parte de vesículas, loslípidos sintetizados en el retículo endoplasmático lisose reparten a las membranas de otros orgánulos. Lasmitocondrias y los peroxisomas no forman parte de laruta vesicular por lo que muchos de sus lípidos demembrana deben ser importados desde el retículoendoplasmático. Para ello utilizan los transportadoresde lípidos, que los toman en la membrana del retículoendoplasmático liso y los sueltan en las de estosorgánulos. Otro mecanismo de intercambiar lípidosentre membranas de orgánulos que no están en la rutavesicular es por contacto directo entre sus membranas.Se ha observado con el microscopio electrónico que enalgunos puntos las membranas del retículo están muypróximas a las de las mitocondrias y a los peroxisomas,lo que parece indicar que el retículo procura lípidos aestos orgánulos directamente de membrana amembrana. Los peroxisomas se forman inicialmente apartir de cisternas del retículo. En las células de lostejidos fotosintéticos son los cloroplastos losencargados de sintetizar sus propios glicerofosfolípidosy glicolípidos, aunque también se observan contactosdirectos de los cloroplastos con las membranas delretículo endoplasmático.

En el retículo endoplasmático liso también sesintetizan lípidos como los triacilgliceroles que seránalmacenados en el propio retículo o en gotas lipídicascitosólicas. Este proceso es muy activo en losadipocitos, células que almacenan grasa, con dosfunciones: reserva alimenticia y aislamiento térmico.También es el principal responsable de la síntesis de laparte lipídica de las lipoproteínas, de la producción dehormonas esteroideas y de ácidos biliares.

Detoxificación.

Los hepatocitos, las células típicas del hígado, tienenun retículo endoplasmático liso muy desarrollado. Enél se sintetizan las lipoproteínas que transportarán alcolesterol y a otros lípidos al resto del organismo. Ensus membranas se encuentran también enzimas, como

la familia de proteínas P450, responsables de laeliminación de productos del metabolismopotencialmente tóxicos, así como algunas toxinasliposolubles incorporadas durante la ingesta. Lasuperficie de membrana del retículo se adapta a lacantidad de enzimas detoxificadoras sintetizadas, lacual depende a su vez de la cantidad de tóxicospresentes en el organismo. La forma de los túbulos y lacarencia de ribosomas en sus membranas tendrían laventaja de ofrecer más superficie de membranarespecto al volumen del orgánulo.

Defosforilación de la glucosa6 fosfato.

La glucosa se suele almacenar en forma deglucógeno, fundamentalmente en el hígado. Esteórgano es el principal encargado de aportar glucosa a lasangre, gracias a la regulación llevada a cabo por lashormonas glucagón e insulina. La degradación delglucógeno produce glucosa6fosfato que no puedeatravesar las membranas y por tanto no puedeabandonar las células. La glucosa 6fosfatasa seencarga de eliminar ese residuo fosfato, permitiendoque la glucosa sea transportada al exterior celular.

Reservorio intracelular de calcio

Las cisternas del retículo endoplasmático liso estántambién especializadas en el secuestro y almacenaje decalcio procedente del citosol, gracias a bombas decalcio localizadas en sus membranas. La concentraciónde calcio en el interior del retículo es del orden demilimolar (mM), mientras que en el citosol es denanomolar (nM). Este calcio puede salir de formamasiva en respuesta a señales extra o intracelularesgracias a cascadas de segundos mensajeros, ydesencadenar respuestas de las células como laexocitosis. Otro ejemplo destacable es el retículosarcoplasmático (nombre que recibe el retículoendoplasmático liso en las células musculares) quesecuestra calcio gracias a una bomba de calcio presenteen sus membranas. El secuestro y la salida de calciodesde el retículo sarcoplasmático se produce en cadaciclo de contracción de la célula muscular.




La mayoría de las proteínas y de los lípidos queabandonan el retículo endoplasmático lo hacen envesículas o en otros compartimentos membranosos conformas tubulares que se desprenden del retículo. Tienencomo destino inmediato el aparato de Golgi. Lasvesículas y los procesos tubulares se forman y salendesde regiones especializadas del retículoendoplasmático denominadas zonas de transición odominios de exportación reticular. Estas zonas sonnumerosas, carecen de ribosomas y se encuentrandispersas por las cisternas del retículo endoplasmáticorugoso. Tienen unos 0.5 µm de diámetro y, en célulasde mamíferos, son bastante estables e inmóviles en eltiempo.

Las zonas de transición están físicamente asociadas alas pilas del aparato de Golgi. Siempre estánfísicamente proximas. Esto tiene sentido porqueaumenta la eficiencia, no es necesario que las vesículasrecorran largas distancias, o porque la generación ymantenimiento del aparato de Golgi realmente seproduce a partir de las vesículas que provienen delretículo. Se ha comprobado que cuando se forma unazona de transición nueva se crea un aparato de Golgi enlas proximidades, y si una zona desparece también lohace la pila de cisternas asociadas. A veces, las zonasde transición se fusionan o se separan, haciéndolotambién las pilas de cisternas de Golgi.

En la formación de las vesículas y de loscompartimentos tubulares que saldrán del retículoendoplasmático participan al menos tres tipos deproteínas citosólicas que conjuntamente forman unacubierta denominada COPII: las GTPasas Sar1, sec 2324 y sec 1331. Éstas se ensamblan en este orden en lasuperficie citosólica de las membranas de la zonas detransición. En estas zonas del retículo se crean lascondiciones propicias para el ensamblaje de COPII:tienen una composición lipídica diferente al resto delretículo y hay una acumulación de la proteína sec16, lacual tiene afinidad por las proteínas COPII.

Las proteínas que forman COPII parecen realizar dosfunciones: cooperan en la formación de las vesículas yparticipan, directa o indirectamente, en la selección delas cargas, las cuales son proteínas que han de serincluidas en las vesículas.

a) La cubierta de COPII, sobre todo la capa externaformada por sec1331, provoca la curvatura yevaginación, creando tensiones y pliegues en lamembrana para formar la vesícula. Además, COPIIparecen intervenir en la escisión de la vesícula.

b) Hay dos tipos de cargas que han de sertransportadas: las que están en la membrana y las queson solubles. Las que son solubles han de serreconocidas y "pescadas" por receptorestransmembrana. Tanto estos receptores como las otrasproteínas de membrana necesitan unirse por su dominiocitosólico a la cubierta de COPII para ser incluidas enla vesícula. Esta interacción parece mediada por laproteína sec24. Por tanto, las proteínas COPII sonnecesarias para incorporar a la vesícula las moléculas

Las vesículas recubiertas con COPII parten desde la zona

de transición del retículo endoplasmático y se fusionan

formando el compartimento ERGIC, el cual se desplaza

guiado por los microtúbulos hacia el lado cis del aparato de

Golgi. En el lado cis, los compartimentos ERGIC

provenientes de diferentes zonas de la célula se fusionan

para formar las primeras cisternas del aparato de Golgi.

Desde los compartimentos ERGIC se forman vesículas de

reciclado recubiertas por COPI que van de vuelta al

retículo endoplasmático.


que van a ser transportadas. Independientemente deello, cualquier proteína que vaya a ser exportada debeestar apropiadamente plegada. Las que no lo están soneliminadas antes de que sean englobadas para suexportación. Es decir, en el retículo endoplasmático selleva a cabo un control de calidad.

Las vesículas recubiertas con COPII liberadas desdelas membranas del retículo pierden parcialmente sucubierta y se fusionan entre sí para formar uncompartimento intermedio denominado transportadortúbulo vesicular o ERGIC (endoplasmic reticulumGolgi intermediate compartment), que es dirigido porlos microtúbulos (componentes del citoesqueleto) haciael lado cis del aparato de Golgi, con el que sefusionará.

Aun siendo el transporte mediado por proteínasCOPII descrito el más frecuente entre el retículoendoplasmático y el aparato de Golgi, debe habervariaciones para llevar ciertas moléculas de unorgánulo al otro. Por ejemplo, una vesículas típicaCOPII, de unos 60 a 90 nm de diámetro, no puedeenglobar a una molécula de procolágeno, que sonproteínas a modo de barras rígidas de unos 300400 nmde longitud. Parece que mediante la modificación eincorporación de ciertas moléculas a la cubierta sepueden fabricar vesículas COPII de unas 500 µm dediámetro, en las que se acomoden las moléculasgrandes como las de procolágeno.

De vuelta al retículo

El tráfico bidireccional tiene dos misiones, devolvermoléculas residentes del compartimento fuente ymantener el tamaño de los orgánulos fuente y diana. Elcompartimento ERGIC madura durante el caminohacia el aparato de Golgi. Esta maduración supone unamodificación de las moléculas de su membrana ypermiten la asociación de otras proteínas citosólicasque forman una cubierta denominada COPI. COPImuestra el mismo mecanismo que COPII pero sufunción es formar vesículas y seleccionar moléculasque se devolverán al retículo endoplasmático. De estaforma, mientras el compartimento ERGIC se mueve

hacia el aparato de Golgi libera vesículas queretornarán al retículo, transportadas por losmicrotúbulos. Es una vía de reciclado. El sentido deeste reciclado es devolver las proteínas que hanescapado del retículo y que realmente tienen su misiónen este orgánulo. A estas moléculas se les denominaresidentes del retículo. Además de las vesículas COPI,parece haber otras maneras de devolver moléculasdesde el Golgi al retículo, como por ejemploformaciones tubulares que forman puentes directosentre ambos orgánulos. En el caso de las COPI, lapresencia de la carga estabiliza la cubierta, por lo quecuanto más moléculas haya para transportarretrográdamente más vesículas se formarán.

Las vesículas COPI, además de membrana parareemplazar a la que se usó para formar las vesículasCOPII, deben ir cargadas con las SNAREv y con losreceptores que seleccionaron a las moléculastrasnportadas en el retículo, pero además debenregresar a las proteínas residentes del retículo queentraron en las vesículas de manera no selectiva. Laselección de las proteínas residentes del retículo en elcompartimento ERGIC se realiza de dos maneras. Lasproteínas transmembrana son reconocidas por COPI,mientras que las solubles son reconocidas por unaproteína transmembrana denominada receptor KDEL.Las proteínas residentes, tanto transmembrana comosolubles, poseen secuencias de aminoácidos que han deser específicas. Una vez empaquetadas, las vesículasCOPI llegan al retículo y se fusionan con él, dejandoallí sus moléculas.

El receptor KDEL alterna entre el retículo y elcompartimento ERGIC, puesto que también viaja enlas vesículas recubiertas por COPII, pero en este casosin unir ligando alguno. El proceso de unir un ligandoen un orgánulo y liberarlo en el otro es posible porquehay un gradiente de pH entre estos doscompartimentos, más básico en el retículo, que leimpide unirse a sus ligandos (y por tanto los libera), ymás ácido en el aparato de Golgi, que le permite unirsea sus ligandos. Es decir, la variación de pH entrecompartimentos modifica la afinidad del receptorKDEL por sus ligandos.



El aparato de Golgi fue descubierto por CamiloGolgi en 1889 cuando observaba neuronas y fuecuestionado durante décadas. Su estructuramembranosa fue descrita en detalle por primera vez almicroscopio electrónico por Dalton y Felix (1954),quienes introdujeron el concepto de complejo delGolgi.

En las células animales es un orgánulo que selocaliza generalmente próximo al centrosoma, el cualsuele estar en las cercanías del núcleo. Esta posicióncentral depende de la organización del sistema demicrotúbulos, que en las células animales parten en sumayoría del centrosoma de forma radial. El aparato deGolgi está formado por cisternas aplanadas que sedisponen regularmente formando varias pilas odictiosomas. Generalmente las cisternas estánensanchadas en los bordes (como una pizza) y curvadasteniendo las pilas de cisternas una parte cóncava y unaconvexa. En una célula suele haber varios de estosdictiosomas y algunas cisternas localizadas endictiosomas próximos están conectadas lateralmente.El número (normalmente de 3 a 8) y el tamaño de lascisternas en cada dictiosoma es variable y depende deltipo celular, así como del estado fisiológico de lacélula. A todo el conjunto de dictiosomas y susconexiones se le denomina complejo o parato de Golgi.

En las células animales, entre las cisternas, dentro decada dictiosoma, existen numerosas proteínas fibrosas

en las que se encuentran embebidas las cisternas. Esteentramado, denominado matriz, podría ayudar en elmantenimiento de la estructura del orgánulo. Sinembargo, se ha demostrado que la posición e integridaddel aparato de Golgi depende principalmente de laorganización de los microtúbulos. La posición delcomplejo de Golgi parece depender de losmicrotúbulos nucleados desde el centroma, mientrasque la integridad de cada dictiosoma se cree quedepende de microtúbulos generados desde las propiascisternas. La actina y la miosina ayudarían también deuna manera más fina en la organización de losdictiosomas. Además, el aparato de Golgi depende deltráfico vesicular desde el retículo endoplasmático. Siéste se detiene el Golgi también desaparece.

En las células de las plantas, que no tienencentrosoma, hay numerosas estructuras similares adictiosomas del Golgi poco desarrolladas, o inclusocisternas individuales dispersas por el citoplasma. Cadauna de estas pilas de cisternas actúan de maneraindependiente. Es como si el complejo de Golgiestuviera distribuido por toda la célula. En las célulasvegetales las cisternas del aparato de Golgi son máspequeñas que en las células animales, aunque elnúmero de cisternas dispersas puede variar entredecenas y más de cien. Hay otras diferencias en lasplantas respecto a los animales: no se ha observado


Imagen tomada con un microscopio electrónico de

transmisión de un complejo de Golgi con varios dictiosomas.

En las células animales el complejo del Golgi está formado

por varios dictiosomas, localizados próximas al centrosoma,

cerca del núcleo. Algunas de los dictiosomas adyacentes

están conectados lateralmente.


compartimento ERGIC (ver másabajo), y el TGN está muydesarrollado. Las cisternas o gruposde cisternas son móviles gracias alos filamentos de actina y parecenmoverse por zonas de producciónde vesículas del retículoendoplasmático, como si fueranrecolectándolas. Estos movimientosno alteran la morfología de las pilasde cisternas. Los filamentos deactina son también los que dirigiránlas vesículas que salen del Golgihacia las vacuolas. En las plantas,ni estos grupos dispersos, ni lascisternas, desaparecen durante ladivisión celular puesto que sonnecesarios para crear la paredcelular nueva que separará a las doscélulas hijas.

Hay variaciones morfológicas en el aparato de Golgidependiendo del tipo celular y de la especie. Porejemplo, en las células de la mosca del vinagre, aunque

tienen centrosoma, poseen una organización similar decisternas del Golgi a la de las plantas. Las conexioneslaterales de las pilas de cisternas sólo se han observadoen células de mamíferos.

Es un orgánulo polarizado y cadadictiosoma contiene dos dominios, unlado cis y un lado trans. Entre ambosse encuentran las cisternasintermedias. En el lado cis existe unproceso continuo de formación decisternas con material procedente dela fusión de compartimentos túbulovesiculares denominados ERGIC(endoplasmic reticulum Golgiintermediate compartment), los cualesse forman con material provenientedel retículo endoplasmático. El ladotrans también posee una organizacióntúbulovesicular denominada TGN(entramado trans del aparato de Golgio trans Golgi network), donde lascisternas con las moléculasprocesadas se deshacen en vesículasque se dirigen a otros compartimentoscelulares. Por tanto se da un trasiegoconstante de moléculas desde el ladocis al trans, pasando por las cisternasintermedias. Es un orgánulo enconstante renovación y el flujo de

Organización del aparato de Golgi en una célula animal y en una vegetal. La

diferencia más llamativa es la dispersión de los dictiosomas y el papel

predominante de la actina en las células vegetales respecto a los animales. Las

flechas indican el sentido del movimiento de la vesícula más próxima.

El aparato de Golgi se divide en varios dominios. El lado cis es donde el

compartimento ERGIC y las vesículas se fusionan para formar las primeras

cisternas. El compartimento ERGIC no se puede considerar como un

compartimento perteneciente al aparato de Golgi, sino que es intermedio entre el

retículo endoplasmático y el propio aparato de Golgi. Las cisternas que se

encuentran en la zona intermedia de la pila se denominan intermedias. En el lado

trans es donde las cisternas se deshacen en vesículas y estructuras tubulares que

contienen moléculas ya procesadas. El TGN es este complejo de vesículas y

estructuras tubulares que se forman en el lado trans. Desde las partes laterales de

las cisternas se forman vesículas que viajan y se fusionan con cisternas más

próximas al lado cis, son vesículas de reciclado. Las flechas laterales indican el

sentido del reciclado y las centrales el sentido que siguen las moléculas en su

tránsito por el aparato de Golgi.



moléculas afecta a su organización y a su tamaño. Esteorgánulo está especialmente desarrollado en célulascon fuerte secreción. La dirección del flujo desustancias determina una polarización de ladistribución de las enzimas en las cisternas que estánpróximas al lado cis o al trans.

Modelos para explicar el transporte de sustancias através del aparato de Golgi desde el lado cis al ladotrans:

a) Modelo de la maduración de cisternas. Se postulaque los cuerpos túbulo vesiculares (ERGIC)provenientes del retículo endoplasmático se fusionanformando una cisterna en el lado cis. Esta cisterna semueve progresivamente y madura hasta llegar al ladotrans donde se descompone en vesículas para su repartoa otros compartimentos celulares. Hoy en día se tiendea aceptar este modelo porque hay observaciones queson explicadas por él pero no por otros modelos.

b) Modelo de los compartimentos estables. En estemodelo los cuerpos túbulo vesiculares (ERGIC)provenientes del retículo endoplasmático se unen allado cis y desde esas cisternas salen vesículas quetransportan material a la siguiente cisterna, y asísucesivamente hasta llegar al lado trans donde sonempaquetadas en vesículas para su reparto. Estemodelo no tiene actualmente muchos seguidores.

c) Modelo de la conexión de túbulos. Se ha visto conel microscopio electrónico que en ocasiones existen

conexiones tubulares entre cisternas adyacentes. Estasconexiones parecen pasajeras y dependientes del tipode material a secretar. Este modelo no es incompatiblecon el de maduración de cisternas y ambos procesospodrían ocurrir simultáneamente.

Funciones

a) Es uno de los principales centros de glucosidaciónen la célula. Se añaden y modifican glúcidos queformarán parte de las glucoproteínas, proteoglucanos,glucolípidos y polisacáridos como la hemicelulosa delas plantas. Entre los azúcares específicos que seañaden en el aparato de Golgi está el ácido siálico. Enel aparato de Golgi se añade oligosacáridos con unióntipo O a los grupos hidroxilos de aminoácidos como laserina, la treonina y la hidroxilisina. Este tipo deglucosilación ocurre en los proteoglicanos. También enel Golgi se añaden los grupos sulfatos a losglicosaminoglucanos. En el aparato de Golgi tambiénse producen otras modificaciones además de laglicosidación y sulfatación, como son fosforilación,palmitoilación, metilación y otras. En las plantas supapel es crucial, puesto que sintetiza losglicoconjugados que forman parte de la pared celular,menos la celulosa que se sintetiza en la membranaplasmática.

Todas las funciones relacionadas con los glúcidos lasllevan a cabo las enzimas glicosiltransferasas (añadenglúcidos) y las glicosidasas (eliminan glúcidos).

Modelos de transporte de moléculas (color naranja) a través del aparato de Golgi. En el modelo de maduración de cisternas

(arriba) las cisternas se crean en el lado cis y se desplazan, mientras van madurando, hacia el lado trans donde se

transforman en vesículas. En el modelo de cisternas permanentes (abajo) las moléculas viajan de una cisterna a la cisterna

contigua, en dirección hacia el lado trans, englobadas en vesículas (vesículas de color naranja).



Pueden existir unos 200 tipos de estas enzimas en elaparato de Golgi. Las diferentes cisternas del aparatode Golgi tienen papeles específicos dentro delprocesamiento de los glúcidos, que es una reacciónsecuencial. Hay evidencias de que existe un gradientede enzimas relacionadas con la glicosidación desde ellado cis al trans, estando más concentradas cerca dellado cis aquellas enzimas implicadas en los primerospasos del proceso de glicosidación.

b) En el aparato de Golgi se terminan de sintetizarlos esfingolípidos como las esfingomielinas y losglicoesfingolípidos. La ceramida sintetizada en elretículo endoplasmático es la molécula sobre la quetrabajan las enzimas del aparato de Golgi para formardichos tipos de lípidos de membrana. En el aparato deGolgi también se ensamblan las apoliproteínas comolas VLDL.

c) Es un centro de reparto de moléculas queprovienen del retículo endoplasmático o que sesintetizan en el propio aparato de Golgi. Unas vezprocesadas en el aparato de Golgi, las diferentesmoléculas son seleccionadas y empaquetadas envesículas diferentes para dirigirse a sus respectivosdestinos. El TGN es la plataforma desde la cual salenlas vesículas para los distintos compartimentos (verfigura). Desde el lado trans saldrán vesículas conmoléculas seleccionadas hacia la membrana plasmáticaen dos rutas: la exocitosis constitutiva y la excocitosisregulada. También desde el TGN se envía vesículashacia la ruta de los endosomas tardíos/cuerposmultivesiculares/lisosomas, o las vacuolas en el caso delas plantas y se envían vesículas de reciclado haciacisternas del propio aparato de Golgi. Pero el TGN es

también un compartimento que recibe vesículas de losendosomas y parece participar en los procesos dereciclado de moléculas entre la membrana ycompartimentos internos como los endosomas. En lasplantas también puede recibir vesículas de endocitosis.Por tanto este dominio participa en las vías deexocitosis y endocitosis.

Las vesículas que se forman en el TGN no sontípicamente redondeadas sino con forma diversa ysurgen de expansiones tubulares membranosas. Elreparto de moléculas para las diferentes rutas suponeuna selección de las cargas. En el caso de las moléculasque van a los endosomas (y a membranasbasolaterales) se seleccionan por una secuenciaespecífica que poseen las proteínas transmembranas ensu lado citosólico. Sin embargo, las moléculas que sedirigen hacia la membrana celular (o apical en lascélulas polarizadas) son seleccionadas por selectinasque reconocen los enlaces glucosídicos tipo O y N. Enlos animales estas vesículas son conducidas a todos susdestinos por los microtúbulos, mientras que en lasplantas son los filamentos de actina los que llevan lasvesículas hasta las vacuolas, mientras que se desconocelo que las conduce hasta la membrana plasmática.

d) Hay otra serie de funciones no "convencionales"en las que recientemente se ha descubierto queparticipa el aparato de Golgi. Éstas incluyen ser centrode almacenamientos de calcio, actuar como unaplataforma de señalización intracelular, participa en elcontrol de los niveles de estéroles en la célula, en el seda parte de la respuesta de las células a la falta dealimentos, centro nucleador de microtúbulos en lacélulas que se desplazan, etcétera



Desde el TGN (trans Golgi network) del aparato deGolgi salen vesículas con diferentes direcciones: hacialos endosomas y hacia la membrana plasmática. Vamosa centrarnos en la fusión de las vesículas con lamembrana plasmática, mientras que la ruta hacia losendosomas las veremos en el apartado dedicado a estosorgánulos, en el que trata también a los lisosomas.

La exocitosis es la fusión de vesículas con lamembrana plasmática. Las vesículas son producidasprincipalmente por el aparato de Golgi, aunquetambién pueden provenir de otros compartimentoscomo los endosomas (ver más adelante). Las vesículasse forman en el TGN del aparato de Golgi y viajanhasta la membrana plasmática con quien se fusionan.Hay dos tipos de exocitosis: constitutiva y regulada. Laexocitosis constitutiva se produce en todas las células yse encarga de liberar moléculas que van a formar partede la matriz extracelular o bien llevan moléculas en lapropia membrana de la vesícula que sirven pararegenerar la membrana plasmática. Es un procesoconstante de producción, desplazamiento y fusión devesículas, con diferente intensidad de tráfico según elestado fisiológico de la célula. La exocitosis reguladase produce sólo en aquellas células especializadas en lasecreción, como por ejemplo las productoras dehormonas, las neuronas, las células del epiteliodigestivo, las células glandulares y otras. En este tipode exocitosis se liberan moléculas que realizanfunciones para el organismo como la digestión o queafectan a la fisiología de otras células que estánpróximas o localizadas en regiones alejadas en elorganismo, a las cuales llegan a través del sistemacirculatorio, como es el caso de las hormonas. Lasvesículas de secreción regulada no se fusionanespontáneamente con la membrana plasmática sino quenecesitan una señal que normalmente es un aumento dela concentración de calcio. Además, necesitan ATP yGTP.

Las vesículas de la secreción regulada se acumulanen el citoplasma y cuando reciben la señal para suliberación se dirigen hacia regiones concretas de lamembrana plasmática, luego es un proceso dirigido nosólo en el tiempo sino también en el espacio. Lascélulas nerviosas representan un ejemplo extremo. Unavez empaquetadas las vesículas en el soma neuronal

tienen que ser dirigidas hacia el terminal presináptico,que en algunas neuronas puede estar a centímetros dedistancia. Además de las neuronas existen otras célulaspolarizadas, como es el caso de las del epiteliodigestivo, que poseen una parte apical y otra basal.Sería un desastre que las células epiteliales intestinalesfusionasen las vesículas y liberasen las enzimasdigestivas que contienen en la región de la membranaplasmática orientada hacia los tejidos internos y nohacia la luz del tubo digestivo. La direccionalidad delcamino de estas vesículas está determinada por laacción de los microtúbulos y filamentos de actina delcitoesqueleto, el cual, mediante la intervención de lasproteínas motoras, las transporta hasta su lugar defusión apropiado.

Como se ha visto anteriormente existe una exocitosisconstitutiva y otra regulada. Los dos tipos de exocitosis


Desde el TGN del aparato de Golgi salen vesículas con

diferentes destinos. Hacia la membrana plasmática parten

dos rutas. Una denominada exocitosis constitutiva, que

poseen todas las células, y otra, exocitosis regulada, que

está presente en las células secretoras. En esta última se

necesita una señal, aumento de la concentración de calcio,

para que se produzca la fusión de las vesículas con la

membrana plasmática. Las otras dos rutas desde el TGN

van hacia los endosomas, se forman mediadas por una

cubierta proteica de clatrina, y hacia el retículo

endoplasmático rugoso, cubiertas de COPI (aunque mucho

menos frecuentes) .


empaquetan moléculas diferentes, luego el complejoTGN debe arreglárselas para separar ambos tipos decargas. Parece ser que las moléculas que no tienen unaseñal específica serán empaquetadas en vesículas deexocitosis constitutiva. Ésta es la vía por defecto. Lasproteínas del interior de estas vesícula son liberadas enel medio extracelular mientras que las integrales demembrana de la vesícula formarán parte de lamembrana plasmática. En el caso de las vesículas desecreción regulada se forman inicialmente pequeñasvesículas que una vez en el citosol se fusionan entre sípara formar otras más grandes que permanecen en elinterior celular hasta que llega una señal que permite lafusión con la membrana plasmática.

¿Cómo se seleccionan las moléculas para lasvesículas de exocitosis regulada? El mecanismo parecebasarse en la formación de agregados moleculares.Estos agregados están formados por las moléculas queserán liberadas y que tienen actividad fisiológica, asícomo por las enzimas que se encargan de suprocesamiento. Hay que tener en cuenta que muchas delas moléculas que se liberan por exocitosis reguladason incorporadas a las vesículas en formas no activas,por ejemplo propéptidos, que son procesadas a susformas activas una vez que las vesículas se hanformado. Los agregados están formados por moléculasque no han sido secuestradas por las vesículas cubiertasde clatrina, que son otro tipo de vesículas que seforman en el TGN y que van dirigidas a losendosomas, ni por las vesículas cubiertas por COPI,que van al retículo endoplasmático.

La liberación de moléculas al exterior celular suponela fusión de la membrana de la vesícula con lamembrana plasmática, de la cual terminará por formarparte. Sin embargo, en base a las imágenes obtenidascon el microscopio electrónico se ha propuesto otraposibilidad adicional, el modelo de exocitosisdenominado "besa y corre" (kissandrun). Aquí lavesícula no se fusiona completamente con lamembrana sino que lo hace de una manera incompletaformando un poro que comunica el interior de lavesícula con el exterior celular por donde liberará sucontenido. Posteriormente se cierra el poro quedando lavesícula vacía en el citosol. Este tipo de excocitosis seha propuesto para las sinapsis y para las célulascromafines.

No todas las vesículas que se fusionan con la

membrana plasmática provienen del aparato de Golgi.Los endosomas tempranos son orgánulosespecializados en recibir vesículas formadas en lamembrana plasmática, proceso denominadoendocitosis. Tras su fusión con el endosoma parte delcontenido vesicular es reciclado y llevado de vuelta a lamembrana plasmática por medio de vesículas que seforman en el propio endosoma. Otro ejemplo lotenemos en los terminales presinápticos del sistemanervioso. Estos sitios de exocitosis están muy alejadosdel aparato de Golgi, localizado en el soma neuronal.La liberación de neurotransmisores en la sinapsis nopuede depender en exclusiva del empaquetado de éstos


En el modelo de kissandrun (besa y corre) se propone que

para la liberación del contenido vesicular no es necesaria

una fusión completa de la vesícula con la membrana

plasmática, sino una fusión de un área pequeña que forma

un poro pasajero por donde se libera el contenido.

En la membrana plasmática se forman vesículas,

endocitosis, que se fusionan con los endosomas

tempranos. Desde estos orgánulos parten vesículas de

reciclado que se fusionan con la membrana citoplasmática.


en el TGN, sería una comunicación nerviosa muyineficiente y demasiado lenta. En los terminalesnerviosos existe un reciclado de vesículas que permiteuna exocitosis permanente e independiente del TGN.En el terminal presináptico se produce la exocitosis enla zona de liberación, mientras que en la membranaplasmática lateral del propio terminal se producenvesículas por invaginación que se volverán a llenarcon neurotransmisores gracias a la existencia detransportadores específicos en sus membranas.Estas vesículas rellenadas sufren un nuevo procesode exocitosis. Normalmente liberanneurotransmisores pequeños con vías de síntesispoco complejas. De este modo existe un procesoconstante de formación de vesículas localizado enel propio terminal presináptico seguido deexocitosis.

Los cuerpos multivesiculares, orgánulos convesículas internas, pueden en ocasiones fusionarsecon la membrana plasmática y liberar al exteriorcelular su contenido vesicular. A estas vesículasliberadas se les denomina exosomas. Estemecanismo de exocitosis fue descrito, y el términoexosoma acuñado, en los años 80 del siglo XX. Sedescubrió en el proceso de maduración de losreticulocitos a eritrocitos. Durante esta maduración losreticulocitos se deshacen del receptor de la transferrinalocalizado en la membrana plasmática mediante suincorporación en vesículas que se fusionan con losendosoamas tempranos. Cuando éstos maduran seproducen invaginaciones en sus propias membranas,

que contienen a los receptores, resultando en pequeñasvesículas internas. El endosoma temprano se convierteasí en cuerpo multivesicular. Posteriormente estoscuerpos multivesiculares se fusionan con la membranaplasmática y liberan su contenido, que incluye a lasvesículas, al exterior celular.

En una misma célula pueden coexistir dos tipos decuerpos multivesiculares, aquellos que se fusionaráncon los lisosomas para la degradación de su contenidoy aquellos que se fusionarán con la membranaplasmática para liberar a su contenido al exterior. Ladiferencia entre estas dos poblaciones parece ser elcontenido en proteínas en su superficie, por ejemploproteínas rab, así como el contenido de colesterol desus membranas. Incluso en algunas células se hapodido distinguir morfológicamente estas dospoblaciones de cuerpos multivesiculares. Losexosomas son pequeñas vesículas de unos 30 nm a 150nm de diámetro liberadas como tales por una granvariedad de células: epiteliales, células del sistema

inmunitario, neuronas, glía y células tumorales, entreotras. Inicialmente se pensó que era un mecanismo quetenía la célula para deshacerse de material desechable,y por ello no se les prestó mucha atención. Pero unasdécadas más tarde se sugirió un papel en lacomunicación célulacélula, en la presentación deantígenos, en patologías víricas, incluidas el VIH, enlos procesos de metástasis.

En los terminales presinápticos se produce un ciclo local de

formación de vesículas y exocitosis. Se forman en la

membrana plasmática lateral del terminal, se rellenan de

neurotransmisor por transportadores y se fusionan con la

membrana citoplasmática en la zona de fusión, densidad

sináptica, liberando su contenido.

Esquema de la formación de exosomas y vesículas emitidas

(modificado de Théry, 2011).



La incorporación de sustancias externas por parte delas células animales es esencial para su supervivencia.Ya vimos que algunas moléculas salvan la barrera quesupone la membrana plasmática mediante difusióndirecta, a través de canales, mediante transportadores opor bombas (ver Transporte de membrana). Sinembargo, hay una manera de incorporar grandescantidades de moléculas al interior de la célula de unasola vez: endocitosis o incorporación de moléculasenglobadas por membranas, sobre todo vesículas. De lamisma manera que hay un viaje de ida y fusión devesículas con la membrana plasmática existe unproceso de formación de vesículas en la membranaplasmática, las cuales se fusionan posteriormente concompartimentos internos, principalmente con losendosomas.

Por tanto, una de las funciones de la endocitosis es laincorporación de moléculas externas en grandescantidades, principalmente para su degradación. Perotambién sirve para reciclar moléculas de la membranaplasmática que formarán parte de las propias vesículaso compartimentos que se formen. Otra función menosaparente es compensar los procesos de exocitosis, esdecir, eliminar el exceso de membrana plasmáticaañadida por las vesículas de exocitosis y mantener asíuna superficie de membrana estable y funcional.

En la incorporación masiva, las moléculasextracelulares pueden entrar al interior de la vesículade forma inespecífica, en solución, o de formaespecífica unidas a receptores de membrana. Eltérmino pinocitosis se refiere a este tipo de endocitosisinespecífica de moléculas disueltas. Sin embargo, en lamayoría de las rutas de endocitosis existe un procesode incorporación de moléculas de manera específica,bien por la acción de receptores de membrana o por suasociación con ciertos dominios lipídicos de membranaque favorecen la atracción de determinadas moléculas.No cabe duda de que parte del contenido de cualquiervesícula que se forme en la membrana plasmáticatendrá moléculas disueltas que se hayan colado en elinterior de la vesícula de manera inespecífica. Portanto, en mayor o menor medida todas las rutas deendocitosis realizan pinocitosis. Este material endisolución es mayoritario en la macropinocitosis,donde la incorporación inespecífica de moléculas es su

principal característica, como veremos más adelante.Hay que tener en cuenta que durante cualquier tipo deendocitosis también se incorporan lípidos y proteínasde la membrana plasmática, que son las que forman lamembrana de la propia vesícula.

Al mecanismo de incorporación de moléculasespecíficas reconocidas por receptores de la membranaplasmática se le llama endocitosis mediada porreceptor. Se han descrito unos 25 tipos de receptoresque actúan en este tipo de endocitosis. Con ellos lacélula puede incorporar de forma muy eficientemoléculas o partículas que se encuentran disueltas abajas concentraciones. Estas moléculas se unen a susreceptores y los complejos receptorligando convergenen una zona de la membrana plasmática donde seproduce la formación de la vesícula que posteriormenteviaja hacia el interior celular. El ejemplo más llamativoes la captación de colesterol por parte de las células, elcual se transporta en la sangre unido a proteínas como,por ejemplo, las lipoproteínas de baja densidad (LDL).Las LDL son unos complejos que contienen una grancantidad de moléculas de colesterol rodeadas por unamonocapa lipídica y poseen una molécula proteica quesobresale al exterior. Cuando una célula necesitacolesterol sintetiza receptores para los LDL y lostraslada a la membrana plasmática. Entonces seproduce el reconocimiento entre receptor y LDL,ambos se unen y se agrupan en una zona de lamembrana plasmática donde se produce una

Las moléculas pueden ser incorporadas por endocitosis de

forma específica unidas a receptores de la membrana

plasmática o de manera inespecífica en disolución o

pinocitosis.



invaginación. Una vez formada la vesícula, se dirige aorgánulos intracelulares donde las LDL son digeridas yel colesterol es liberado y metabolizado. Cuando seproduce algún impedimento en la captación decolesterol, fundamentalmente por fallos en elreconocimiento por parte de los receptores de LDL opor su ausencia, el colesterol se acumula y puedeproducir arterioesclerosis e infarto de miocardio.

Se han descrito diversos tipos de endocitosisdependiendo del tamaño de la vesícula, la naturalezadel material a incorporar y del mecanismo deformación de la vesícula, pero nosotros los vamos aagrupar en: endocitosis mediada por vesículasrecubiertas de clatrina, endocitosis mediada porcaveolas, endocitosis mediada por vesículas norecubiertas y macropinocitosis. Vamos a estudiartambién a la fagocitosis, una endocitosis un tantoespecial porque es un proceso de incorporación degrandes partículas como bacterias o restos celulares,también englobados en membranas.

Vesículas recubiertas de clatrina. Es el principalmecanismo por el que se incorporan proteínasintegrales y lípidos de la membrana plasmática, asícomo macromoléculas extracelulares que generalmenteno exceden los 156 nm, incluyendo algunos virus. Lasvesículas se forman en áreas de la membranaplasmática donde se encuentra la proteína clatrina, quees citosólica. En los fibroblastos estas áreas suponen un2 % del total de la superficie de la membranaplasmática. La clatrina posee una estructura con tresbrazos que se ensamblan entre sí formando pentágonos.Su estructura y su manera de asociarse parece queayudan a la invaginación y cierre de la vesícula. Lapolimerización de la clatrina forma vesículas de unos120 nm. Entre la clatrina y la membrana celular sedisponen otras proteínas denominadas adaptadoras queayuda al ensamblaje de las moléculas de clatrina para

formar una especie de cesta que engloba a la vesícula.Las proteínas adaptadoras son las que realmente van adecidir qué tipo de receptores de la membranaplasmática, junto con sus ligandos, van a formar partede las vesículas, puesto que interaccionan con eldominio citosólico de las proteínas integrales. Una vezque la vesícula se ha cerrado e internalizado, la clatrinade desensambla y la vesícula puede ir a orgánulosespecíficos dentro de la célula, normalmenteendosomas tempranos.

Caveolas. Se describieron en los años 50 del sigloXX por P. Palade gracias a imágenes de microscopíaelectrónica. Son unos pequeñas invaginaciones en lamembrana plasmática (4580 nm) presentes en lamayoría de las células eucariotas que posteriormente setransforman en vesículas, aunque la proporción en queesto ocurre no está del todo clara. Son especialmenteabundantes en las células endoteliales, musculares yadipocitos. Su membrana se caracteriza por poseer unaproteína llamada caveolina, además de proteínasperiféricas ancladas a glicosilfosfatidilinositoles,esfingolípidos (esfingomielina y glicoesfingolípidos) ycolesterol. La propia existencia de caveolina hace quelas células formen caveolas. Hay de 100 a 200moléculas de caveolina por caveola y existen diferentestipos en una sola caveola. La caveolina 1 se expresa enel músculo liso y en la mayoría de las células nomusculares, y es esencial para la formación de lascaveolas en estas células. La caveolina 2, que seexpresa junto con la caveolina 1, no es necesaria parala formación de las caveolas. La caveolina 3 se expresaen el músculo estriado, cardiaco y algunas otras célulasno musculares. Es esencial para formar caveolas enestas células. Las cavinas son otras proteínas presentestípicamente en las caveolas. No sólo se formancaveolas en la membrana plasmática sino que tambiénse observan en el aparato de Golgi. Así que podríafuncionar como mecanismo de transporte entre elaparato de Golgi y la membrana plasmática paradeterminados tipos de moléculas. Cuando se internandesde la membrana plasmática, las vesículas resultantesde las caveolas se fusionan con los endosomastempranos, aunque algunos autores consideran que lohacen con un tipo especial de endosoma denominadocaveosoma.

Las funciones de las caveolas, sin embargo, no estándel todo claras. Aunque se ha propuesto un papelrelevante en la endocitosis, esto no parece tener un

Distintos tipos de endocitosis.



gran soporte experimental. El papel de las caveolascomo transportador de moléculas en la endocitosisgeneral de una célula no parece ser muy importante, almenos si excluimos células endoteliales, musculares yadipocitos, puesto que sólo el 5 % de las caveolas seconvierten en vesículas, al menos en células en cultivo.Se han propuesto otras funciones que incluyenmodulación de la transducción de señales celularespuesto que contienen numerosos receptores en susmembranas que son eliminados de la superficie celularcomo los receptores tirosina quinasa, el tráfico delípidos entre la membrana y orgánulos interno, inclusose han postulado como participantes en losmecanismos de supresión de algunos tumores.Moléculas como la toxina colérica, el ácido fólico yotras moléculas entran a la célula graciasprincipalmente a las caveolas. También se ha sugeridoque la variación en el número de caveolas de una célulapodría influir en otros tipos de endocitosis como losmediados por clatrina, gracias al secuestro demoléculas en las propias caveolas y el consiguientecambio de composición de la membrana plasmática.Una teoría que está recibiendo más apoyo experimentales su papel en la regulación de la tensión mecánica delas membranas, de manera que la presencia de más omenos caveolas contrarrestaría tensiones en lamembrana de la células. Esto explicaría por qué esabundante en endotelios, células musculares yadipocitos, cuyas membranas estarían sometidas acambios bruscos de tensión.

Endocitosis de vesículas que no dependen de laclatrina ni de la caveolina. Estas vías se handescubierto porque se siguen produciendo procesos deendocitosis cuando se bloquean selectivamente las víasmediadas por clatrina y por caveolina. Algunas toxinascomo las del cólera entran preferentemente por estavía. No se conoce en detalle cuales son los mecanismospor los que este tipo de endocitosis selecciona a lasmoléculas que transportan. Se sospecha que se puedenconcentrar e incorporar moléculas gracias a la acciónde las balsas de lípidos. Tampoco se conoce si laformación de estas vesículas es un proceso regulado ono.

Macropinocitosis. Es un proceso mediante el cual seincorporan grandes cantidades de fluido extracelular.En la superficie celular se crean evaginaciones a modode ola cuyo frente cae sobre la membrana plasmática yse fusiona con ella formando una gran vesícula internao macropinosoma. El mecanismo de formación de losmacropinosomas involucra a los mismos componentesque actúan durante la fagocitosis: los filamentos deactina y las proteínas motoras miosina. Lamacropinocitosis no sólo se utiliza para captaralimento, como ocurre en las amebas, sino que tambiénsirve para renovar la membrana plasmática, se activadurante el movimiento celular para transportar grandesporciones de membrana hacia el frente de avance,incluso algunas bacterias son capaces de inducirla paraintroducirse en los macropinosomas y así evitar lafagocitosis.

Fagocitosis. Es un tipo especial de endocitosis queconsiste en la incorporación de partículas de grantamaño como son bacterias, restos celulares o virus.Este mecanismo lo llevan a cabo células especializadascomo son los macrófagos, neutrófilos y las célulasdendríticas. Un ejemplo claro son los macrófagos quefagocitan a los complejos formados porinmunoglobulinas unidas a otras partículas que puedenser virus o bacterias. También son los encargados deeliminar miles de glóbulos rojos al día. Los protozoosutilizan este mecanismo para alimentarse. El procesode fagocitosis supone un reconocimiento de la partículapor parte de la célula mediante receptores demembrana y la emisión de unas protuberanciaslaminares o pseudópodos de citoplasma rodeados pormembrana. Este proceso está mediado por losfilamentos de actina y las proteínas motoras miosina.Tales protuberancias rodean a la partícula, fusionan susfrentes de avance y encierran a la partícula formandouna gran vesícula o fagosoma que se separa de lasuperficie y se interna en la célula para ser digerida. Lafagocitocis requiere de una señal de reconocimientopara disparar el proceso. Una vez formado el fagosomase fusionará con los lisosomas para la degradación desu contenido.



Cualquiera que sea la ruta de endocitosis, lasvesículas formadas en la membrana plasmática sefusionarán con unos orgánulos denominadosendosomas o, como en el caso de la fagocitosis y de lamacropinocitosis, se formará un orgánulo similar aellos. Los endosomas son unos compartimentosmembranosos que presentan una forma irregular,generalmente con aspecto de grandes "bolsas" y aveces también forman túbulos membranosos. Secomportan en la vía de endocitosis de manera similar acomo lo hace el TGN (trans Golgi network) en la víade exocitosis, es decir, son una estación de llegada,clasificación y reparto de moléculas que se comunicacon otros compartimentos de la célula. A losendosomas llegan las vesículas que provienen de lamembrana plasmática vía endocitosis y las queprovienen del TGN del aparato de Golgi. Desde losendosomas salen vesículas de reciclado hacia lamembrana plasmática y hacia el aparato de Golgillevando de vuelta sobre todo membrana y receptorestransmembrana, mientras que el resto de las moléculassigue su procesamiento hacia los lisosomas.

Hay dos propuestas sobre la organización delcompartimento endosomal:

a) Se propone la existencia de diferentes tipos deendosomas que son estables: endosomas tempranospróximos a la membrana plasmática que reciben lasvesículas de endocitosis; endosomas de reciclaje desdelos que parten vesículas a la membrana plasmática y alaparato de Golgi; cuerpos multivesiculares oendosomas tardíos localizados en zonas más internasde la célula, que reciben vesículas cargadas dehidrolasas ácidas desde el TGN del aparato de Golgi, yenvían otras recicladas de vuelta al TGN, y queterminan fusionándose con los lisosomas para ladegradación de las moléculas y vesículas quecontienen. Todos estos tipos de endosomas estaríancomunicados por vesículas.

b) Una segunda teoría propone que la convergencia yfusión de las vesículas de endocitosis crean endosomaspróximos a la membrana que se desplazarían hacia elinterior celular. Durante su trayecto van madurando yrecibiendo vesículas desde el TGN y produciendovesículas de reciclado hacia la membrana plasmática y

al TGN, y finalmente se convierten en los lisosomas ose fusionan con ellos. De manera que todos los tipos deendosomas descritos son sólo estados de un procesocontinuo de maduración. Todavía no está resuelto cualde las dos propuestas es la correcta, o si ambosmecanismos actúan simultáneamente. Sin embargo, losdatos más recientes apuntan al modelo de maduración.

Los endosomas tempranos son los encargados derecibir las vesículas de endocitosis. Desde ellos o desdelos endosomas de reciclaje se da un intenso proceso dereciclado de moléculas que vuelven a la membranaplasmática, pudiendo representar hasta el 90 % de lasproteínas y el 60 % de los lípidos endocitados. Elinterior del compartimento endosomal temprano semantiene a pH más ácido (aproximadamente 6.5) queel del citosol (aproximadamente 7.2) gracias a lasbombas de protones dependientes de ATP que seencuentran en sus membranas. El medio ácido delendosoma permite que muchos receptorestransmembrana y sus ligandos unidos, transportados envesículas desde la membrana plasmática, liberen dichosligandos en el interior del endosoma. Los receptores yasin ligando unido vuelven a la membrana plasmática envesículas de reciclado y el ligando sigue hacia otroscompartimentos para su degradación. Normalmente lasalida de estas vesículas recicladas se realiza en undominio del endosoma físicamente segregado del restodel espacio endosomal. En realidad se propone que el

Tipos de endosomas y principales rutas de comunicación

vesicular en las que participan.



endosoma temprano posee varios dominios o regiones:uno donde se fusionan las vesículas de endocitosisprocedentes de la membrana plasmática, otro desdedonde se reciclan vesículas hacia la membranaplasmática, otro desde donde parten complejosmembranosos que forman los cuerpos multivesiculares,otro desde el que parten vesículas al aparato de Golgi yalgunos autores proponen la existencia de otros menosconocidos.

Los cuerpos multivesiculares, y posteriormente losendosomas tardíos, son la antesala de la degradación delas moléculas endocitadas, la cual se realiza finalmenteen los lisosomas gracias a unas enzimas denominadashidrolasas ácidas. Las moléculas destinadas a ladegradación llegan desde los endosomas tempranos,mientras que las hidrolasas ácidas desde el TGN delaparato de Golgi empaquetadas en vesículas. La acciónde las bombas de protones localizadas en lasmembranas de estos endosomas irán acidificandoprogresivamente el pH interno y por tanto favoreciendola acción de las hidrolasas ácidas, cuya actividadóptima se da a un pH próximo a 5, el cual se alcanza yaen los lisosomas. Desde los cuerpos multivesiculares ydesde los endosomas tardíos se producirá recicladomediante vesículas hacia endosomas tempranos y haciael TGN del aparato de Golgi.

Los cuerpos multivesiculares se definenprimeramente por criterios morfologógicos. Sonorgánulos redondeados con una membrana que encierraa múltiples vesículas internas (desde dos a docenas deellas). Típicamente tienen un diámetro entre 250 y1000 nm. Aunque su forma es redondeada puedenpresentar apéndices tubulares. Los cuerposmultivesiculares pueden estar rodeados porcompartimentos tubulares o conectados a ellos. Semueven dentro de la célula por microtúbulos. Elaspecto multivesicular que se observa a microscopíaelectrónica de estos orgánulos se debe a que en susmembranas se producen invaginaciones que resultaránen vesículas en su interior. De esta manera se puedendegradar las moléculas que forman parte integral de lasmembranas, aunque en dichas invaginaciones entraademás parte del fluido citosólico, que también serádegradado. Como dijimos anteriormente losendosomas tardíos se forman por maduración de loscuerpos multivesiculares. Las moléculas del interior deun cuerpo multivesicular pueden tener tres destinos:liberadas al medio extracelular, de vuelta a la

membrana o degradarse en los lisosomas. El segundoproceso, denominado también backfusion se haencontrado en las sinapsis de las neuronas, y esinteresante puesto que podría suponer un papel dealmacén para los MVB. De hecho es raro que sean tanfrecuentes en el lado postsináptico.

El empaquetado en vesículas de las hidrolasasácidas, necesarias para la degradación en los lisosomas,se produce en el TGN gracias a un mecanismo dereconocimiento por receptor. Así, estas enzimas sonsintetizadas en el retículo endoplasmático y al pasarpor el lado cis del aparato de Golgi son modificadaspor otras enzimas que le añaden una manosa6fosfato.En el TGN son segregadas del resto de moléculas de lavía de exocitosis gracias a la existencia de un receptortransmembrana que reconoce este residuo glucídico. Elcomplejo receptorhidrolasa se concentra en zonasrecubiertas con clatrina y son finalmente incorporadosen vesículas. Estas vesículas viajan hasta los cuerposmultivesiculares y endosomas tardíos con quienes sefusionan. El pH más ácido de estos endosomas respectoal que hay en el TGN hace que las hidrolasas sedesliguen de su receptor, el cual puede volver a serincluido en vesículas de reciclado que se dirigen denuevo al TGN del aparato de Golgi.

Cuerpo multivesicular típico (indicado con la cabeza de

flecha) en una dendrita de una motononeurona el núcleo del

nervio hipogloso. El cuerpo multivesicular tiene numerosas

vesículas internas y está localizado próximo a una sinapsis.

Barra de escala = 250 nm. El tejido se procesó como se

describe en Rind et al., 2005. Post: elemento postsináptico,

dendrita; Pre: elemento presináptico, axón; m: mitocondria;

v: vesículas; CS: contacto sináptico. (Foto cedida por Chris

von Bartheld. Department of Physiology and Cell Biology,

University of Nevada School of Medicine. USA)



El destino de las moléculas del interior de losendosomas tardíos es ser degradadas en loslisosomas. Hay dos maneras no excluyentes en queesto puede ocurrir: una maduración de losendosomas tardíos que con la disminución del pHse convierten en lisosomas o mediante la fusión deendosomas tardíos con lisosomas ya existentes en elcitoplasma.

En algunos tipos celulares existe una rutavesicular adicional denominada transcitosis. Enestas células las moléculas unidas a receptor quellegan en vesículas a los endosomas tempranos nose desligan de su receptor y ambos, receptor yligando, son de nuevo empaquetados en otrasvesículas para ser transportadas a otros lugares dela membrana citoplasmática, donde se fusionan yliberan su contenido al espacio extracelular. A veceslas vesículas de endocitosis no se fusionan con losendosomas sino que se fusionan directamente conotro dominion de la membrana plasmática. Estasrutas suelen darse en las células polarizadas comolas epiteliales. Por este mecanismo se incorporanelementos como el hierro en el organismo, que vaasociado a una molécula denominada transferrina.

Algunos tipos celulares como las célulashematopoyéticas, los linfocitos, las célulasdendríticas, las células epiteliales intestinales, losmastocitos y las células tumorales, realizan un tipode tráfico vesicular un tanto extraño. Los cuerposmultivesiculares, en vez de convertirse enlisosomas, se fusionan con la membrana plasmáticaliberando sus vesículas internas (de 30 a 60 nm dediámetro) al espacio extracelular. A estas vesículasliberadas se les denomina exosomas y poseen unacomposición molecular distinta a otroscompartimentos intracelulares, por ejemplo poseenmucho colesterol y esfingomielina.

Ruta de las hidrolasas ácidas. Estas enzimas se sintetizan

en el retículo endoplasmático (1) y son trasladadas hasta el

aparato de Golgi (1) donde se le añade un grupo fosfato a

un residuo de manosa (2). En el TGN esta manosa6fosfato

es reconocida por receptores específicos (3), receptor

hidrolasa son englobados en vesículas (3) y transportados

hasta los cuerpos multivesiculares y endosomas tardíos. En

estos orgánulos hay una acidez mayor que hace que la

hidrolasa se desligue de su ligando (4). El receptor es

devuelto al TGN en vesículas de reciclado (5).

Liberación de las vesículas internas de los cuerpos

multivesiculares por fusión con la membrana plasmática, que

una vez en el exterior celular se denominan exosomas.



Los lisosomas son orgánulos donde se produce ladegradación de moléculas que provienen víaendocitosis o del interior celular a partir de autofagia.Se diferencian de los endosomas porque no poseenreceptores para la manosa 6fosfato, los cualestransportan las hidrolasas ácidas englobados envesículas desde el TGN del aparato de Golgi.Metchnikoff y sus colaboradores articularon a finalesdel siglo XIX la idea de que el material fagocitado eradigerido en compartimentos intracelulares acidificados.Estos compartimentos fueron denominados lisosomas yaparecen en todas las células eucariotas. Soncorpúsculos generalmente esféricos de dimensionesvariables, con una unidad de membrana y puedenllegar a representar el 5 % del volumen celular,dependiendo de la tasa de digestión que se estéllevando en la célula.

El pH interno de los lisosomas es ácido, en torno a 5,y es en ese valor donde las enzimas lisosomalesmuestran su máxima actividad, por lo que se llamanhidrolasas ácidas. Se han encontrado aproximadamente40 tipos de enzimas lisosomales que degradanproteínas (proteasas), lípidos (lipasas), sacáridos(glicosidasas) y nucleótidos (nucleasas). La membranade los lisosomas protege al resto de la célula de estaactividad destructora. Esta protección se cree que selleva a cabo por la capa de glúcidos unidos a lasproteínas de la membrana, en el dominio intraluminal,que forman una especie de "glicocálix lisosomal" conlos azúcares muchos más compactados pero de tan sólounos 8 nm de espesor. Es decir, los glúcidos asociadosa la monocapa interna actuaría como barrera paraimpedir el contacto entre las enzimas y la membranalisosomal. Pero si ésta se rompiese, el pHcitoplasmático, próximo a 7,2, sería un obstáculo parala actividad de estas enzimas.

No todos los lisosomas son iguales y puedencontener juegos diferentes de enzimas. Cualquierdefecto en alguna de las enzimas que existen en loslisosomas puede acarrear graves consecuencias, puestoque los productos que ellas deberían degradarquedarían almacenados en la célula como productosresiduales. Por ejemplo, la enfermedad de laglucogenosis tipo II. En estos individuos la βglucosidasa, que cataliza la degradación del glucógeno,

está ausente y por ello hay grandes cúmulos deglucógeno en los órganos, que suelen ser letales. Loslisosomas reciben distintos nombres según el estado dedegradación de las moléculas que contienen: primarios,secundarios y cuerpos residuales. Los cuerposresiduales contienen material que ya no puede serdegradado y quedan almacenados en el interior celularo, como veremos más adelante, se fusionan con lamembrana plasmática expulsando dicho material elmedio extracelular.

Los lisosomas contienen transportadores demembrana específicos que van a permitir que losproductos de la degradación, tales como aminoácidos,azúcares, nucleótidos, puedan ser transportados alcitosol. También poseen en su membrana bombas deprotones para permitir su acidez interior.

Hay tres vías por las que llegan a los lisosomas lasmoléculas que se tienen que degradar:

a) Los lisosomas son considerados como la estaciónfinal de la vía endocítica. La mayoría de las moléculasque van a ser degradadas por esta vía tienen que pasarpreviamente por los endosomas. Las proteínas que nose reciclan de nuevo a la membrana plasmática o alTGN del aparato de Golgi desde los compartimentosendosomales son degradas en los lisosomas. Laformación de los lisosomas es un asunto controvertido.Unos autores proponen que se forman por gemación omaduración a partir de los endosomas tardíos que yacontienen todas las enzimas degradativas necesarias asícomo las moléculas a degradar. Otros autores proponenque los lisosomas son orgánulos independientes de losendosomas y que reciben vesículas desde losendosomas o se producen fusiones entre endosomastardíos y lisosomas.

Para que las proteínas integrales de la membranaplasmática sean dirigidas a los lisosomas se ha deproducir una ubiquitinación de su parte citosólica, esdecir, la adición de una molécula denominadaubiquitina. Ello es necesario para que las proteínas demembrana interaccionen con la maquinaria de repartoque se encuentran en los endosomas y no vuelvan a lamembrana citoplasmática en vesículas de reciclado.Las interacciones con diversos complejos proteicosmantienen a las proteínas ubiquitinadas en zonas



limitadas de la membrana endosomal, que poseen unacubierta en la que está presente la clatrina. Todo ellohace que sean retenidas en los endosomas tempranos ydespués transportadas a los cuerpos multivesiculares, alos endosomas tardíos, y de ahí a los lisosomas, dondese degradan. Este mecanismo afecta a receptores,transportadores, canales, etcétera. Los receptores queno son ubiquitinados, pero sí endocitados, cuandollegan a los endosomas tempranos suelen reciclarsehacia la membrana celular.

b) Las partículas obtenidas por fagocitosis siguenuna vía propia. Las partículas como bacterias o restoscelulares quedan en el interior celular englobadas pormembrana formando un compartimento que maduraráy se convertirá en el denominado fagosoma. Ladegradación de estas partículas se produce cuando sefusionan los fagosomas con los lisosomas.

c) Una tercera vía de llegada de moléculas a loslisosomas es la autofagia. Es un proceso ubicuo por elque los orgánulos deteriorados o material internocelular son eliminados. Los lisosomas participan en losdiferentes tipos de autofagia (ver página deampliación)

Pero además a los lisosomas han de llegar lashidrolasas ácidas encargadas de la degradación. Éstasse empaquetan en vesículas en el TGN del aparato deGolgi, las cuales se fusionarán con los endosomastardíos y desde ahí llegan a los lisosomas. Elmecanismo de selección de estas enzimas lo vimos enel apartado dedicado a los endosomas (ver figura =>).En el aparato de Golgi se añade a las enzimaslisosomales un grupo glucídico fosfatado, la manosa6fosfato, que es reconocido por un receptor en el TGNdel aparato de Golgi. La interacción del dominiocitosólico de este receptor con la cubierta de clatrinapermite englobar al receptor más la hidrolasa envesículas que se dirigirán hacia los endosomas tardíos,y desde ahí hasta los lisosomas. Aunque éste sea elmecanimso principal existen otras proteínas que norequieren la fosforilación de las manosas para ir a loslisosomas. Estas proteínas son las integrales de lamembrana. Estas proteínas contienen una secuencia de

aminoácidos de destino que se encuentra en la caracitosólica de la proteína.

Se ha creído tradicionalmente que los lisosomastienen una intercomunicación muy limitada en la rutavesicular cuando se compara con cualquier otrocompartimento membranoso y se han consideradocomo un compartimento terminal. Durante los últimosaños se han ido acumulando evidencias acerca de otrafunción de los lisosomas: su capacidad de participar enuna exocitosis regulada. Por ejemplo, en el hígado sesecretan enzimas lisosómicas a la bilis. También se haobservado la exocitosis de orgánulos con característicassimilares a los lisosomas como es el caso de losmelanocitos (los gránulos de melanina que pasarán alos queratinocitos que darán el color moreno a la piel).El acrosoma de los espermatozoides, una vesículacargada de numerosas enzimas hidrolíticas, se liberadurante la fecundación. Se ha propuesto desde hacetiempo que las células eucariotas son capaces deeliminar las sustancias que no pueden degradas más yesto sería posible si los lisosomas terminan porexpulsar su material cuando se fusionan con lamembrana plasmática. En las células de mamíferosdonde sólo se produce secreción constitutiva se havisto que bajo ciertas condiciones pueden realizarexocitosis regulada, por ejemplo, por una elevación dela concentración de calcio intracelular, lo cual ocurre,por ejemplo, durante las pequeñas roturas de lamembrana citoplasmática, como vimos en el apartadodedicado a las membranas (Asimetría y reparación).

Orgánulos relacionados con los lisosomas (LROlysosomal related organules)

Algunas células tienen orgánulos que se puedenrelacionar con los lisosomas por su composiciónmolecular y características fisiológicas, o sondirectamente lisosomas modificados. Entre ellos estánlos melanosomas de los melanocitos, gránulosazurófilos y basófilos de los leucocitos y mastocitos,gránulos líticos de los linfocitos T, gránulos densos delos megacariocitos, cuerpos lamelares de las célulastipo II del pulmón, cuerpo WeibelPalade de las célulasentoteliales y gránulos de los osteoclastos.



Las rutas del tráfico vesicular en las célulasvegetales siguen el mismo esquema básico que el delas células animales. Sin embargo, presentan algunasdiferencias. Así, en las células vegetales destacan lasvacuolas, orgánulos que realizan funciones esenciales yque necesitan comunicarse con otros orgánuloscelulares. Además, los procesos de endocitosis yexocitosis están menos desarrollados que en las célulasanimales. La pared celular es una barrera importante ala difusión de moléculas entre células y por ello lascélulas vegetales comunican sus citoplasmas de formadirecta a través de unas estructuras que se denominanplasmodesmos.

Las vacuolas son orgánulos delimitados por unaunidad de membrana con diversas funciones (digestión,almacenamiento, mantenimiento de la presión hídrica,etcétera). También son variadas en cuanto a formas ytamaños. Aunque funcionalmente distintas, puedenfusionarse y formar una gran vacuola central. Lasvacuolas líticas son equivalentes a los lisosomas de lascélulas animales y se encargan de degradar materialesde desecho. Las de almacenamiento son importantesdurante la germinación de semillas o para la respuestade los vegetales a señales ambientales. Sin embargo, lamás importante es la vacuola central que regula el

balance hídrico de la célula.

Al igual que en las células animales, el retículoendoplasmático es el lugar de síntesis de nuevasproteínas, lípidos y algunos azúcares que entran en laruta vesicular. El mecanismo de síntesis de proteínas esdirigido por la existencia de un péptido señal y portranslocadores localizados en la membrana reticular. Enel retículo se dan también procesos de control decalidad de las proteínas sintetizadas.

Las zonas del retículo endoplasmático que secomunican con el aparato de Golgi y las propiascisternas del aparato de Golgi están muy próximasfísicamente. Algunos autores incluso dudan de queambos orgánulos estén comunicados por vesículas, sinopor contacto directo mediante puentes membranosos.entre ambos orgánulos. De cualquier modo, secomunicación vesicular o no, lo que parece no existires compartimento ERGIC (complejo intermedio entreel retículo y el Golgi). En las células vegetales noexiste un aparato de Golgi centralizado como ocurre enlas células animales sino varios dispersos por la célula.

Además de hacia el aparato de Golgi, el retículoendoplasmático puede enviar vesículas directamente

hacia las vacuolas. Esta ruta se ha demostradoporque en algunas vacuolas dealmacenamiento la mayoría de las proteínas noestán glucosidadas. Esta comunicación esindirecta puesto que las vesículas del retículoendoplasmático se fusionan con uncompartimento denominado prevacuolar desdeel que se originan vesículas que se fusionaráncon las vacuolas de almacenamiento. Tambiénexisten indicios de que existe una vía directadesde el retículo endoplasmático hasta lamembrana plasmática, aunque no estácompletamente demostrado.

La vía por defecto es la que lleva desde elretículo endoplasmático al aparato de Golgi.Este orgánulo es muy importante para lasplantas puesto que en él se sintetizan loscomponentes glucídicos de la pared celular,excepto la celulosa. Desde el aparato de Golgise envían vesículas hacia la vacuolas, tantolíticas como de almacenamiento, así como

Esquema resumido del tráfico vesicular en una célula

vegetal (Modificado de Hawes et al., 1999).



hacia la membrana plasmática. Sin embargo, la rutahacia las vacuolas no es directa sino mediada por uncompartimento prevacuolar, tanto aquellas que vanhacia las vacuolas líticas como las que van hacia lasvacuolas de almacén. Se cree que estos dos tipos devacuolas se fusiona en las célula adultas modificandopor tanto las rutas de tráfico vesicular. Existe tambiénuna vía de reciclado desde el compartimentoprevacuolar al aparato de Golgi. Tanto las proteínasdestinadas a las vesículas de almacenamiento como alas líticas necesitan señales que las etiqueten hacia susdestinos, pero las que van a la membrana no necesitanseñal y no se conoce el mecanismo por el cual sonempaquetadas hacia la membrana. El destino pordefecto desde el aparato de Golgi es la membranaplasmática con la función principal de renovar susmoléculas y ésta es también la principal misión de laendocitosis.

Las vesículas de endocitosis se fusionan con elcompartimento prevacuolar, con el aparato de Golgi odirectamente con las vacuolas. La endocitosis enplantas es poco conocida y parece que su importanciaes menor que en los animales. Sin embargo, hayevidencias de la existencia de endocitosis y sumaquinaria en plantas. Del mismo modo, no existe una

caracterización clara de los endosomas tempranos y elreciclado de membrana es poco conocido, aunqueparecen existir múltiples vías que involucrarían a losendosomas tempranos, como ocurre en las célulasanimales. Algunas observaciones apuntan a laexistencia de al menos dos tipos de endosomas:endosomas tempranos localizados próximos a lasmembranas celulares y cuerpos multivesiculares. Losprimeros involucrados en el reciclado de la membranay los segundos como pasos previos en la ruta hacia lasvacuolas degradativas. Las células vegetales no poseenlisosomas, pero sí procesos degradativos que se dan endichas vacuolas digestivas.

En plantas existe otro compartimento membranosoque es pasajero y que se forma durante la divisióncelular. Se denomina fragmoplasto. El fragmoplasto esla estructura a partir de la cual se formarán lasmembranas plasmáticas de dos células durante lacitocinesis y también formará la lámina media de lapared celular que las separará. Su creación estácondicionada por la actuación del citoesqueleto, el cualdirige las vesículas que previenen desde el aparato deGolgi hasta la zona central, donde se fusionan paraformar el fragmoplasto. Ésta es el ruta vesicular pordefecto cuando la célula se está dividiendo.



Las vacuolas son compartimentos membranosos, unasola membrana, presentes en las células vegetales yhongos, incluidas las levaduras. Normalmente sonorgánulos muy grandes, pudiendo representar en lascélulas maduras hasta el 90 % del volumen celulartotal. El nombre de vacuola viene del latín "vacuus"que significa vacío, lo cual es claramente un errorpuesto que siempre están llenas de soluciones acuosasmás o menos concentradas. La membrana de lasvacuolas se denomina tonoplasto y es una parteesencial en la función de estos orgánulos. En lasplantas hay diferentes tipos de vacuolas dependiendode la función que lleven a cabo. Una célula puedecontener distintos tipos de vacuolas, incluso una mismavacuola puede cambiar su repertorio de moléculas pararealizar una función diferente a la que venía haciendo.

La forma de las vacuolas es normalmenteredondeada, aunque en realidad depende de lascircunstancias de la célula. Así, puede alternar entreuna gran vacuola que ocupa la mayor parte de la célulao hacer numerosos repliegues en su membrana y creara modo de pequeños compartimentos que tienen elaspecto de vacuolas más pequeñas y distintas,pero no es así puesto que hay continuidad desus membranas.

La formación de nuevas vacuolas seproduce por la fusión de vesículas liberadasdesde el lado trans del aparato de Golgi. Lafusión de estas vesículas forman lasdenominadas provacuolas, de las cualespuede haber cientos en las célulasmeristemáticas. Las provacuolas a su vez sefusionan para formar vacuolas de mayortamaño hasta que forman la vacuolaprincipal. Sin embargo, el retículoendoplasmático podría estar tambiéndirectamente implicado en la formación ycrecimiento de las vacuolas en algunos tiposcelulares. Una vez formadas, la llegada devesículas desde principalmente el aparato deGolgi y la membrana plasmática contribuyena su tamaño.

La vacuola principal de la mayoría de lascélulas vegetales es un gran compartimento

con una solución ácida diluida que contiene sales(potasio, sodio), metabolitos (azúcares, ácidosorgánicos) y algunos pigmentos. Algunos de estoscomponentes son introducidos en contra de gradientede concentración desde el citosol. El pH típico de lavacuola principal es de 5 a 5.5, aunque puede llegar a 2en el limón, o incluso 0.6 en algunas algas.

Esquema resumido del tráfico vesicular en una célula

vegetal (Modificado de Hawes et al., 1999).

Imágenes de parénquima clorofílico de tojo (izquierda y arriba) donde

se observan los cloroplastos, los núcleos y la vacuola (espacio claro)

ocupando la mayor parte del volumen celular. La imagen de abajo

(derecha) es parénquima clorofílico de hoja de pino a menor aumento

donde se observan las vacuolas con su contenido teñido.



La vacuola es un orgánulo central en la fisiología yhomeostasis de las células vegetales, lo cual implicarealizar una variedad de funciones, las cuales puedendepender del tipo celular considerado.

Turgencia. La turgencia celular es una medida de lapresión hidrostática ejercida contra las paredescelulares de las células vegetales. Esta turgencia estácontrolada por las vacuolas, las cuales puedenincorporar sustancias, como iones, en su interior paracrear ambientes osmóticos variables respecto alcitoplasma, lo que produce flujos de entrada y salida deagua. Esta capacidad de transporte de moléculas encontra de gradientes reside fundamentalmente en lamembrana de la vacuola, donde hay dos bombas(ATPasaH+ y pirofosfatasaH+) que crean gradientesde protones con gasto de energía, y que son utilizadospara el transporte de otras moléculas. La capacidad deacumular agua en la vacuola es crucial para elcrecimiento del tamaño celular tras la mitosis, que sepuede incrementar de 10 a 20 veces el tamaño inicial,lo cual es un factor importante en el crecimiento de losórganos vegetales. El crecimiento mediante turgenciaes una buena estrategia, puesto que se gasta menosenergía en introducir agua en la célula que en sintetizarproteínas nuevas (que es lo que hacen las célulasanimales para crecer). Es interesante que estaacumulación de agua se haga en la vacuola, porque sise hiciera en el citoplasma, el contenido de éste sediluiría tanto que la célula no sería viable.

Almacén de sustancias. Las vacuolas son un puntode llegada del tráfico vesicular y, dependiendo del tipocelular, son centros de almacenamiento de azúcares yproteínas. Esto es particularmente claro en las semillasdonde las vacuolas son centros de almacenamientoproteico, reservas que serán movilizadas durante lagerminación. Por otra parte, las células no tienen unsistema de excreción como los animales, ni se puedenmover para evitar sustancias tóxicas, de manera que laestrategia es almacenarlas. Así, en las vacuolas sealmacenan algunos productos de desecho delmetabolismo y sustancias potencialmente tóxicas parala célula como metales pesados tales como el cadmio,zinc o níquel. Pero también almacenan otras sustanciascomo algunos pigmentos, por ejemplo las antocianinasen los pétalos (acumuladas en las células epidérmicas),sustancias tóxicas para evitar a los herbívoros, resinas,alcaloides como el opio, etcétera. Gran parte del saborde las frutas y verduras se debe a las moléculas que se

acumulan en las vacuolas.

Centros de degradación. Las vacuolas tienen un pHácido y enzimas hidrolíticas ácidas en su interior. El pHácido lo consiguen con bombas de protones localizadasen sus membranas. De este modo actúan como lugarespara la degradación de moléculas. Tendrían una misiónsimilar a los lisosomas de las células animales. Igualque los lisosomas también participan en los procesosdegradativos durante la autofagia.

Apoptosis. Las vacuolas participan en la apoptosis deplantas por un proceso denominado autolisis.

Las vacuolas forman parte de la ruta del tráficovesicular. Más concretamente se pueden considerarcomo producto final resultado del tráfico vesicular. Aellas llegan vesículas con moléculas que tiene quealmacenar, o enzimas para la degradación, así comotodos las moléculas que componen su membrana. A lavacuola se puede llegar por diferentes caminos:

Retículo endoplasmático > Aparato de Golgi >Vacuola; Retículo endoplasmático > Aparato de Golgi> Compartimento prevacuolar > Vacuola. Esta ruta esla típica para llevar enzimas hidrolíticas a la vacuola.Los compartimentos prevacuolares se podríanequiparar a los cuerpos multivesiculares de losanimales. Al contrario que en las células animales, lasenzimas líticas no poseen una manosa6 fosfato para suselección en el lado trans del aparato de Golgi, sino quese realiza mediante un péptido señal que contienen ensu secuencia de aminoácidos. Hay péptidos señalespecíficos para las vacuolas líticas y otros para lasvacuolas de almacén.

Retículo endoplasmático > Vacuola. Directamentedesde el retículo endoplasmático rugoso. Vía queparece importante en células como las de las semillas,donde el material que se aporta es fundamentalmentede reserva. Esta ruta sería muy frecuente en estascélulas, mientras que en otros tipos celulares como enlas hojas sería relativamente rara. Las vesículas que seforman para este transporte son independientes de lacubierta COP II, que es necesaria para llegar al aparatode Golgi. En este camino directo a la vacuola hay aveces una parada en forma de compartimentosintermedios, los cuales son compartimentos pasajerosdonde se retienen a las proteínas antes de que lleguen ala vacuola.

Membrana celular > Vacuola. Las vesículas de



endocitosis se pueden fusionar directamente con lavacuola, la cual actuaría como los endosomastempranos.


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