TRÁFICO VESICULAR

Atlas de Histologıa Vegetal y Animal

LA CELULA

TRAFICOVESICULAR

Manuel Megıas, Pilar Molist, Manuel A. Pombal

Departamento de Biologıa Funcional y Ciencias de la Salud.Fcacultad de Biologıa. Universidad de Vigo

(Version: Enero 2022)

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Contenidos

1 Introduccion 1

2 Retıculo endoplasmatico 3

3 Del retıculo al Golgi 8

4 Aparato de Golgi 10

5 Exocitosis 14

6 Endocitosis 18

7 Endosomas 22

8 Lisosomas 26

9 En celulas vegetales 30

10 Vacuolas 32

11 Bibliografıa 36

La celula. Trafico vesicular. 1

1 Introduccion

Una celula eucariota se puede considerar como unagran ciudad con diversos distritos. En ellos se lle-van a cabo trabajos necesarios como pueden ser laproduccion de energıa, la fabricacion de productos, laelaboracion de tales productos, la exportacion o la im-portacion con otras ciudades, el reciclaje de la basura,etcetera. Para que todo este sistema sea eficiente senecesita que los distritos esten comunicados entre sıpor carreteras y por transportadores.

Los distritos estan representados en la celula porlos compartimentos intracelulares y en las celulaseucariotas muchos de estos compartimentos estandelimitados por membranas formando lo que lla-mamos organulos. Cada organulo celular esta espe-cializado en una o varias funciones. Por ejemplo,el retıculo endoplasmatico es un gran productor delıpidos y proteınas, el aparato de Golgi modifica talesmoleculas, sintetiza glucidos y los reparte a otrosorganulos, los lisosomas son centros de degradacion,las mitocondrias y los cloroplastos son grandes cen-trales energeticas, las gotas de lıpidos son centros dealmacenamiento, etcetera.

La comunicacion entre muchos de los organuloscelulares esta mediada por vesıculas, las cuales trans-portan las moleculas en su interior o incluidas en susmembranas. Estas comunicaciones se denominan enconjunto trafico vesicular (Figura 1).

Hay dos grandes rutas de comunicacion porvesıculas entre los organulos. La primera se inicia enel retıculo endoplasmatico, el cual envıa vesıculas alaparato de Golgi, que a su vez envıa tambien vesıculasa la membrana plasmatica en un proceso denominadoexocitosis. Esta es la ruta secretora, es decir, la queliberara al exterior moleculas producidas por la celula,aunque tiene tambien otras misiones. La otra granruta es la importadora y comienza en la membranaplasmatica donde se forman vesıculas por un procesodenominado endocitosis. Estas vesıculas se fusionancon los endosomas, los cuales terminan convirtiendoseen lisosomas donde se degradan las moleculas incor-poradas del medio extracelular y de la propia mem-brana vesicular. Existen otras comunicaciones o rami-ficaiones de estas rutas. La complejidad es tal que da

Figura 1: Esquema de las principales vıas de comunicacionmediante vesıculas entre diferentes organulos que formanparte de la ruta vesicular. Existe comunicacion bidirec-cional entre la mayorıa de los organulos que se comuni-can directamente. No todas las conexiones estan represen-tadas.

la impresion de que cada organulo esta comunicadocon el resto de organulos. Ademas, parece existir laregla de que la comunicacion entre dos organulos esbidireccional, es decir, un organulo que envıa vesıculasa otro, tambien suele recibirlas de dicho organulo. Porejemplo, el retıculo endoplasmatico envıa vesıculasal aparato de Golgi, el cual a su vez crea vesıculasdestinadas al retıculo endoplasmatico; la membranaplasmatica forma vesıculas que se fusionan con losendosomas, pero estos a su vez envıan vesıculas condestino a la membrana plasmatica en una ruta de re-ciclaje.

La ruta vesicular es un medio para transportarmoleculas que se van a secretar o que se van adegradar. Las moleculas que se transportan en lasvesıculas tambien tienen otras funciones. Por ejem-plo, se transportan las enzimas degradativas que fun-cionan en los lisosomas, los receptores de la membranaplasmatica y las glucosidasas del aparato de Golgi.Es decir, el trafico vesicular sirve para aportar mate-riales especıficos a cada compartimento y por tantopara que un organulo pueda llevar a cabo su funcionespecıfica. Contribuye tambien a llevar las moleculasde membrana que permiten a cada organulo tener unaidentidad propia. Ası, una vesıcula del retıculo tieneque fusionarse con la membrana del aparato de Golgi,

Atlas de la Universidad de Vigo


pero no con la de los endosomas.

Organulos como las mitocondrias, los cloroplastosy los peroxisomas no reciben ni forman vesıculas demanera masiva para comunicarse con otros organulos.Aunque puedan formar y emitir vesıculas, su papelen la ruta vesicular no parece ser muy importante,al menos si lo comparamos con otros organulos. Portanto, estos organulos se suelen situar fuera de la rutavesicular. De cualquier manera, se comunican con los

otros organulos mediante otros mecanismos. Unode ellos son los contactos directos entre sus mem-branas. Por ejemplo, es frecuente observar contactosfısicos entre membranas de mitocondrias con las delretıculo endoplasmatico, y en estos contactos se pro-pone que se realizan intercambios de moleculas. Dehecho, algunos autores proponen que esta transfer-encia de moleculas por contactos fısicos podrıa ser unmecanismo de comunicacion normal y frecuente en lascelulas.



2 Retıculo endoplasmatico

El retıculo endoplasmatico es un complejo sistemade membranas dispuestas en forma de sacos aplana-dos y tubulos que estan interconectados entre sı com-partiendo el mismo espacio interno. Sus membranasse continuan con las de la envuelta nuclear y sepueden extender hasta las proximidades de la mem-brana plasmatica. Llegan a representar mas de lamitad de las membranas de una celula y son mas del-gadas que las de otros compartimentos celulares (unos5 nm).

El retıculo organiza sus membranas en regiones odominios que realizan diferentes funciones. Los dosdominios mas faciles de distinguir son el retıculo en-doplasmatico rugoso, con sus membranas formandocisternas aplanadas, a veces tambien tubulos mas omenos rectos, y con numerosos ribosomas asociados,y el retıculo endoplasmatico liso, sin ribosomas asoci-ados y con membranas organizadas formando tubulosmuy curvados e irregulares (Figura 2). La envueltanuclear se puede considerar como un tercer dominiopuesto que se continua fısicamente con las membranasdel retıculo endoplasmatico y se pueden observar ri-bosomas asociados a ella realizando la traduccion.

El retıculo endoplasmatico rugoso y el liso suelenocupar espacios celulares diferentes, como ocurre enlos hepatocitos, en las neuronas y en las celulas quesintetizan esteroides. Sin embargo, en algunas re-giones del citoplasma no existe una segregacion claraentre ambos dominios y se aprecian areas de mem-brana con ribosomas mezcladas con otras sin ribo-somas. La disposicion espacial del retıculo endo-plasmatico en las celulas animales depende de sus in-teracciones con los microtubulos, mientras que en lasvegetales son los filamentos de actina los principalesresponsables.

Desde el retıculo endoplasmatico se generan las go-tas de lıpidos y los peroxisomas. Estos procesos losveremos en las paginas dedicadas a estos organulos.

1. Retıculo endoplasmatico rugoso

El dominio rugoso del retıculo endoplasmatico secaracteriza por organizarse en una trama de tubulosalargados o sacos aplanados y apilados, mas o menos

Figura 2: Figura 2. El retıculo endoplasmatico se extiendepor toda la celula, llegando hasta las proximidades de lamembrana plasmatica. Esta formado por cisternas y unared de tubulos, existiendo continuidad entre estos compar-timentos. Los ribosomas se encuentran tanto en tubuloscomo en cisternas. Toda este sistema membranoso se con-tinua con la envuelta nuclear.

regulares en su forma, con numerosos ribosomasasociados a sus membranas (Figura 3). La canti-dad de ribosomas asociados a sus membranas condi-ciona la forma de este organulo, de tal manera quecuando el numero de ribosomas asociados aumenta,los tubulos se expanden adoptando la forma de cis-ternas aplanadas.

Sıntesis de proteınas

La principal mision del retıculo endoplasmatico ru-goso es la sıntesis de proteınas, las cuales iran desti-nadas a diferentes lugares: a) el exterior celular, b) elinterior de otros organulos que participan en la rutavesicular, como los lisosomas, o c) formaran parte in-tegral de las membranas, tanto plasmatica como deotros organulos de la ruta vesicular. Las proteınastransmembrana de la membrana plasmatica se sin-tetizan en el retıculo endoplasmatico. d) Ademas,el retıculo endoplasmatico rugoso tiene que sintetizarproteınas para sı mismo, denominadas proteınas res-



Figura 3: Imagen tomada con el microscopio electronicode transmision de una neurona. Se observan las cisternasde retıculo endoplasmatico rugoso que se extienden desdela envuelta nuclear hasta las proximidades de la membranaplasmatica. Los ribosomas aparecen como bolitas negrasasociadas a sus membranas. Observese que tambien hayribosomas asociados la membrana externa de la envueltanuclear.

identes, las cuales, para ser retenidas, deben poseeruna secuencia de cuatro aminoacidos concretos local-izados en el extremo carboxilo (-COOH).

Casi cualquier proteına que se secrete o que formeparte de los organulos o compartimentos de la rutavesicular empieza su proceso de sıntesis en ribosomaslibres del citosol, pero dicha sıntesis terminara en elinterior de una cisterna del retıculo o formando partede su membrana (Figura 4). El proceso comienza conla union de un ARN mensajero (ARNm) a una sub-unidad pequena ribosomal y posteriormente a unasubunidad grande ribosomal para comenzar la tra-duccion. Lo primero que se traduce de estos ARNmes una secuencia inicial de nucleotidos a partir de lacual se sintetiza una cadena de unos 70 aminoacidosdenominada peptido senal. Una molecula conocidacomo SRP (sequence recognition particule), reconoceal peptido senal y enlentece el proceso de traduccion.El complejo formado por ribosoma, ARNm, peptidosenal, mas el SRP difunde por el citosol hasta chocarcon una membrana del retıculo endoplasmatico, a lacual se une gracias a la existencia de un receptorde membrana que reconoce al SRP. Todo el com-plejo anterior interacciona con un translocador, quees un complejo proteico transmembrana que forma un

canal por el cual penetra la cadena polipeptıdica na-ciente hacia el interior de la cisterna del retıculo endo-plasmatico. El peptido senal queda unido al translo-cador mientras que el resto de la cadena polipeptıdicase va traduciendo y liberando hacia el interior. Unapeptidasa presente en el retıculo escinde el peptidosenal del resto de la cadena de aminoacidos, quedandoesta libre en el interior. Una vez completada lasıntesis, la cadena de aminoacidos adopta su confor-macion tridimensional, ayudada por chaperonas, y elribosoma se libera de la membrana del retıculo.

Figura 4: Proceso de sıntesis de proteınas solubles, lascuales quedan libres en el interior de las cisternas delretıculo.

La cadena polipeptıdica de proteınas transmem-brana tiene secuencias de aminoacidos hidrofobos quecuando se traducen facilitan su insercion directamenteentre los acidos grasos de la membrana gracias a laaccion del translocador. El proceso es muy complejo



y diverso para los diferentes tipos de proteınas in-tegrales puesto que, por ejemplo, algunos receptorestransmembrana tiene siete cruces de membrana. Soloen raras ocasiones el retıculo importa proteınas que sesintetizan completamente en el citosol gracias a cier-tos transportadores presentes en su membrana.

Las proteınas que se sintetizan en los riboso-mas adosados a la membrana del retıculo endo-plasmatico son modificadas conforme van siendo sin-tetizadas. a) Hay una glicosilacion (N-glicosilacion)de los aminoacidos asparragina. Estos recibiran uncomplejo de 14 azucares en su radical, que son trans-feridos desde un lıpido embebido en la membrana de-nominado dolicol fosfato, perdiendose algunos de es-tos azucares en procesos posteriores. b) Se da hidrox-ilacion solo en algunas proteınas, sobre todo en aque-llas que van a formar parte de la matriz extracelu-lar. Aquı se hidroxilan los aminoacidos prolina ylisina, dando hidroxiprolina e hidroxilisina, que for-maran parte del colageno. c) Algunas proteınas de lamembrana plasmatica estan unidas covalentemente alıpidos de la membrana, esta union tambien se pro-duce en este compartimento. d) Se establecen puentesdisulfuro entre cadenas de aminoacidos.

En el retıculo endoplasmatico se produce un con-trol de la calidad de las proteınas sintetizadas, demodo que aquellas que tienen defectos son sacadas alcitosol y eliminadas. Existen unas proteınas denom-inadas chaperonas que juegan un papel esencial enel plegamiento y maduracion de las proteınas reciensintetizadas. Son tambien ellas las encargadas dedetectar errores y marcar las proteınas defectuosaspara su degradacion. Otras proteınas con domin-ios tipo lectina, reconocen determinados azucares ycomprueban la adicion correcta de glucidos. El malplegamiento de proteınas es mas frecuente de lo quepodrıa parecer.

2. Retıculo endoplasmatico liso

Es un entramado de tubulos membranosos inter-conectados entre sı y que se continuan con las cister-nas del retıculo endoplasmatico rugoso. No tienen ri-bosomas asociados a sus membranas, de ahı el nombrede liso. Por tanto la mayorıa de las proteınas que con-tiene son sintetizadas en el retıculo endoplasmaticorugoso. Es abundante en aquellas celulas implicadas

en el metabolismo de grasas, detoxificacion y almacende calcio.

El retıculo endoplasmatico liso esta involucrado enuna serie de importantes procesos celulares de los quese pueden destacar:

Sıntesis lipıdica

En las membranas del retıculo endoplasmatico lisose producen la mayorıa de los lıpidos requeridos parala elaboracion de las nuevas membranas de la celula,incluyendo glicerofosfolıpidos y colesterol. Aunquegran parte de la sıntesis de los esfingolıpidos se llevaa cabo en el aparato de Golgi, su estructura basica,la ceramida, se sintetiza tambien en el retıculo. Sinembargo, el retıculo es mas una plataforma de ensam-blado que de sıntesis desde cero. Los acidos grasosse sintetizan en el citosol y son insertados posterior-mente en las membranas del retıculo endoplasmaticoliso donde son transformados en glicerofosfolıpidos,inicialmente en la hemicapa citosolica de esta mem-brana. Como el cambio pasivo de los lıpidos entrehemicapas, o movimiento ”flip-flop”, es difıcil por elambiente hidrofobo de las cadenas de acidos grasosde la membrana, para que algunos de ellos lleguena la hemicapa interna desde la citosolica se requierela accion de transportadores de lıpidos, denominadosflipasas y flopasas y ”mezcladoras” (scramblases eningles).

El transporte de lıpidos entre membranas se puedellevar a cabo mediante vesıculas, proteınas trans-portadoras y en los lugares de contactos entre mem-branas (Figura 5). Por la vıa vesicular, formandoparte de vesıculas, los lıpidos sintetizados en elretıculo endoplasmatico liso se reparten a las mem-branas de otros organulos, tambien la membranaplasmatica. Las mitocondrias y los peroxisomas noforman parte de la ruta vesicular pero muchos de suslıpidos de membrana deben ser importados desde elretıculo endoplasmatico. Para ello utilizan los trans-portadores de lıpidos, que los toman en la membranadel retıculo endoplasmatico liso y los sueltan en las deestos organulos. Otro mecanismo para intercambiarlıpidos entre membranas de organulos que no estanen la ruta vesicular ocurre en zonas contacto fısicoentre sus membranas (Figura 4). Se ha observadocon el microscopio electronico que en algunos pun-



tos las membranas del retıculo estan muy proximasa las de las mitocondrias y a los peroxisomas, loque parece indicar que el retıculo procura lıpidos aestos organulos de membrana a membrana mediadopor proteınas transportadoras. En las celulas de lostejidos fotosinteticos son los cloroplastos los encar-gados de sintetizar sus propios glicerofosfolıpidos yglicolıpidos, aunque tambien se observan contactosdirectos de los cloroplastos con las membranas delretıculo endoplasmatico.

Figura 5: Esquema de los caminos propuestos para eltransporte de lıpidos desde el retıculo endoplasmaticohasta otras membranas celulares: en vesıculas, mediantetransportadores y en zonas de contactos entre membranas.

El colesterol es otro importante componente de lasmembranas, sobre todo de la plasmatica, que se sin-tetiza mayoritariamente en el retıculo endoplasmaticoliso. Desde aquı es transportado por la vıa vesicu-lar o por transportadores proteicos solubles (Figura4). Por ejemplo, las levaduras, que poseen ergos-terol en sus membranas en vez de colesterol, usan vıasno vesiculares para transportar el ergosterol desde elretıculo hasta la membrana plasmatica. Estos trans-portadores son diversos y sus movimientos son inde-pendientes de ATP.

En el retıculo endoplasmatico liso tambien se sin-tetizan lıpidos como los triacilgliceroles que seran al-macenados en el propio retıculo o en gotas lipıdicascitosolicas. Este proceso es muy activo en los adipoc-itos, celulas que almacenan grasa, con dos funciones:reserva alimenticia y aislamiento termico. Tambienes el principal responsable de la sıntesis de la parte

lipıdica de las lipoproteınas, de la produccion de hor-monas esteroideas y de acidos biliares.

Detoxificacion

Los hepatocitos, las celulas tıpicas del hıgado,tienen un retıculo endoplasmatico liso muy desarrol-lado. En el se sintetizan las lipoproteınas que trans-portaran al colesterol y a otros lıpidos al resto del or-ganismo. En sus membranas se encuentran tambienenzimas, como la familia de proteınas P450, respons-ables de la eliminacion de productos del metabolismopotencialmente toxicos, ası como algunas toxinas li-posolubles incorporadas durante la ingesta. La super-ficie de membrana del retıculo se adapta a la canti-dad de enzimas detoxificadoras sintetizadas, la cualdepende a su vez de la cantidad de toxicos presentesen el organismo. La forma de los tubulos y la carenciade ribosomas en sus membranas tendrıan la ventajade ofrecer mas superficie de membrana respecto alvolumen del organulo.

Desfosforilacion de la glucosa-6 fosfato

La glucosa se suele almacenar en forma deglucogeno, fundamentalmente en el hıgado. Esteorgano es el principal encargado de aportar glucosaa la sangre, gracias a la regulacion llevada a cabopor las hormonas glucagon e insulina. La degradaciondel glucogeno produce glucosa-6-fosfato que no puedeatravesar las membranas y por tanto no puede aban-donar las celulas. La glucosa 6-fosfatasa se encargade eliminar ese residuo fosfato, permitiendo que laglucosa sea transportada al exterior celular.

Reservorio intracelular de calcio

Las cisternas del retıculo endoplasmatico liso estantambien especializadas en el secuestro y almacenajede calcio procedente del citosol, gracias a bombasde calcio localizadas en sus membranas. La concen-tracion de calcio en el interior del retıculo es del or-den de milimolar (mM), mientras que en el citosol esde nanomolar (nM). Este calcio puede salir de formamasiva en respuesta a senales extra o intracelularesgracias a cascadas de segundos mensajeros, y desen-cadenar respuestas de las celulas como la exocitosis.Otro ejemplo destacable es el retıculo sarcoplasmatico(nombre que recibe el retıculo endoplasmatico liso enlas celulas musculares) que secuestra calcio gracias a



una bomba de calcio presente en sus membranas. Elsecuestro y la salida de calcio desde el retıculo sar-coplasmatico se produce en cada ciclo de contraccionde la celula muscular.



3 Del retıculo al Golgi

La mayorıa de las proteınas y de los lıpidos que aban-donan el retıculo endoplasmatico lo hacen en vesıculaso en otros compartimentos membranosos con formastubulares que se desprenden del retıculo (Figura 6).Tienen como destino inmediato el aparato de Golgi.Las vesıculas y los procesos tubulares se forman ysalen desde regiones especializadas del retıculo en-doplasmatico denominadas zonas de transicion o do-minios de exportacion reticular. Estas zonas son nu-merosas, carecen de ribosomas y se encuentran dis-persas por las cisternas del retıculo endoplasmaticorugoso. Tienen unos 0.5 µm de diametro y, en celulasde mamıferos, son bastante estables e inmoviles en eltiempo.

Figura 6: Las vesıculas recubiertas con COPII partendesde la zona de transicion del retıculo endoplasmatico yse fusionan formando el compartimento ERGIC, el cualse desplaza guiado por los microtubulos hacia el lado cisdel aparato de Golgi. En el lado cis, los compartimen-tos ERGIC y vesıculas provenientes de diferentes zonas delretıculo se fusionan para formar las primeras cisternas delaparato de Golgi. Desde los compartimentos ERGIC seforman vesıculas de reciclado recubiertas por COPI quevan de vuelta al retıculo endoplasmatico.

Las zonas de transicion estan asociadas a las pi-

las del aparato de Golgi. Suelen estar fısicamenteproximas. Esto tiene sentido porque aumenta la efi-ciencia, no es necesario que las vesıculas recorranlargas distancias, o porque la generacion y manten-imiento del aparato de Golgi realmente se producea partir de las vesıculas que provienen del retıculo.Se ha comprobado que cuando se forma una zonade transicion nueva se crea un aparato de Golgi enlas proximidades, y si una zona desparece tambien lohace la pila de cisternas asociadas. A veces, las zonasde transicion se fusionan o se separan, haciendolotambien las pilas de cisternas de Golgi.

Las vesıculas que se forman en las zonas de tran-sicion del retıculo endoplasmatico son vesıculas recu-biertas del tipo COPII (Figura 1). En la formacionde estas cubiertas, y de la vesıcula, participan variostipos de proteınas citosolicas que incluyen a las Sec16,GTPasas Sar1, Sec 23/24 y Sec 13/31. Estas se en-samblan en este orden en la superficie citosolica de lasmembranas de la zonas de transicion. En estas zonasdel retıculo se crean las condiciones propicias para elensamblaje de COPII: tienen una composicion lipıdicadiferente al resto del retıculo y hay una acumulacionde la proteına Sec16, la cual tiene afinidad por lasproteınas Sec23/24, y estas su vez por las Sec13/36.

Las proteınas que forman COPII parecen realizardos funciones: cooperan en la formacion de lasvesıculas y participan, directa o indirectamente, enla seleccion de las cargas, las cuales son proteınas quehan de ser incluidas en las vesıculas.

La cubierta de COPII, sobre todo la capa externaformada por Sec 13/31, provoca la curvatura y evagi-nacion de la membrana, creando tensiones y plieguesen la membrana para formar la vesıcula. Ademas,COPII parecen intervenir en la escision de la vesıcula.

Hay dos tipos de cargas que han de ser trans-portadas: las que estan en la membrana y las que sonsolubles en el interior del retıculo endoplasmatico. Lasque son solubles han de ser reconocidas y ”pescadas”por receptores transmembrana. Tanto estos recep-tores como las otras proteınas de membrana necesi-tan unirse por su dominio citosolico a la cubierta deCOPII para ser incluidas en la vesıcula. Esta inter-accion parece mediada por la proteına Sec 24. Portanto, las proteınas COPII son necesarias para in-



corporar a la vesıcula las moleculas que van a sertransportadas. Independientemente de ello, cualquierproteına que vaya a ser exportada debe estar apropi-adamente plegada. Las que no lo estan son eliminadasantes de que sean englobadas para su exportacion. Esdecir, en el retıculo endoplasmatico se lleva a cabo uncontrol de calidad.

Las vesıculas recubiertas con COPII liberadasdesde las membranas del retıculo pierden parcial-mente su cubierta y se fusionan entre sı paraformar un compartimento intermedio denominadotransportador tubulo vesicular o ERGIC (endoplas-mic reticulum-Golgi intermediate compartment), quees dirigido por los microtubulos (componentes delcitoesqueleto) hacia el lado cis del aparato de Golgi,con el que se fusionara.

Aun siendo el transporte mediado por proteınasCOPII descrito anteriormente el mas frecuente en-tre el retıculo endoplasmatico y el aparato de Golgi,debe haber variaciones para llevar ciertas moleculasde un organulo al otro. Por ejemplo, una vesıculastıpica COPII, de unos 60 a 90 nm de diametro, nopuede englobar a una molecula de procolageno, queson proteınas a modo de barras rıgidas de unos 300-400 nm de longitud. Tambien el transporte de losquilomicrones entre el retıculo y el aparato de Golginecesita de vesıculas especiales mas grandes. Pareceque la regulacion de la actividad de la GTPasa Sar1 esimportante para modificar la formacion de la cubiertay ası poder fabricar vesıculas COPII de unas 500 µmde diametro, en las que se acomoden las moleculasgrandes.

El trafico bidireccional tiene dos misiones, devolvermoleculas residentes del compartimento fuente y man-tener el tamano de los organulos fuente y diana. Elcompartimento ERGIC madura durante el camino ha-cia el aparato de Golgi. Esta maduracion supone unamodificacion de las moleculas de su membrana y per-miten la asociacion de otras proteınas citosolicas queforman una cubierta denominada COPI. COPI mues-tra el mismo mecanismo que COPII pero su funciones formar vesıculas y seleccionar moleculas que se de-volveran al retıculo endoplasmatico. De esta forma,

mientras el compartimento ERGIC se mueve haciael aparato de Golgi libera vesıculas que retornaranal retıculo, transportadas por los microtubulos. Esuna vıa de reciclado. El sentido de este reciclado esdevolver las proteınas que han escapado del retıculoy que realmente tienen su mision en este organulo.A estas moleculas se les denomina residentes delretıculo. Ademas de las vesıculas COPI, parece haberotras maneras de devolver moleculas desde el Golgi alretıculo, como por ejemplo formaciones tubulares queforman puentes directos entre ambos organulos. Enel caso de las COPI, la presencia de la carga esta-biliza la cubierta, por lo que cuanto mas moleculashaya para transportar retrogradamente mas vesıculasse formaran.

Las vesıculas COPI, ademas de membrana parareemplazar a la que se uso para formar las vesıculasCOPII, deben ir cargadas con las SNARE-v y con losreceptores que seleccionaron a las moleculas trans-portadas en el retıculo, pero ademas deben regre-sar a las proteınas residentes del retıculo que en-traron en las vesıculas de manera no selectiva. Laseleccion de las proteınas residentes del retıculo enel compartimento ERGIC se realiza de dos man-eras. Las proteınas transmembrana son reconoci-das por COPI, mientras que las solubles son re-conocidas por una proteına transmembrana denom-inada receptor KDEL. Las proteınas residentes, tantotransmembrana como solubles, poseen secuencias deaminoacidos que han de ser especıficas. Una vez em-paquetadas, las vesıculas COPI llegan al retıculo y sefusionan con el, dejando allı sus moleculas.

El receptor KDEL alterna entre el retıculo y el com-partimento ERGIC, puesto que tambien viaja en lasvesıculas recubiertas por COPII, pero en este caso sinunir ligando alguno. El proceso de unir un ligando enun organulo y liberarlo en el otro es posible porquehay un gradiente de pH entre estos dos compartimen-tos, mas basico en el retıculo, que le impide unirsea sus ligandos (y por tanto los libera), y mas acidoen el aparato de Golgi, que le permite unirse a susligandos. Es decir, la variacion de pH entre compar-timentos modifica la afinidad del receptor KDEL porsus ligandos.



4 Aparato de Golgi

El aparato de Golgi fue descubierto por Camilo Golgien 1889 cuando observaba neuronas y fue cuestion-ado durante decadas. Su estructura membranosa fuedescrita en detalle por primera vez al microscopioelectronico por Dalton y Felix (1954), quienes intro-dujeron el concepto de complejo del Golgi.

1. Morfologıa

En las celulas animales es un organulo que se lo-caliza generalmente proximo al centrosoma, el cualsuele estar en las cercanıas del nucleo. Esta posicioncentral depende de la organizacion del sistema de mi-crotubulos, que en las celulas animales parten en sumayorıa del centrosoma de forma radial. El aparatode Golgi esta formado por cisternas aplanadas que sedisponen regularmente formando varias pilas o dic-tiosomas (Figuras 7 y 8). Generalmente las cister-nas estan ensanchadas en los bordes (como una pizza)y curvadas teniendo las pilas de cisternas una parteconcava y una convexa. En una celula suele habervarios de estos dictiosomas y algunas cisternas local-izadas en dictiosomas proximos estan conectadas lat-eralmente (Figura 7). El numero (normalmente de 3a 8) y el tamano de las cisternas en cada dictiosomaes variable y depende del tipo celular, ası como delestado fisiologico de la celula. A todo el conjunto dedictiosomas y sus conexiones se le denomina complejoo parato de Golgi.

En las celulas animales, entre las cisternas, den-tro de cada dictiosoma, existen numerosas proteınasfibrosas en las que se encuentran embebidas las cis-ternas. Este entramado, denominado matriz, podrıaayudar en el mantenimiento de la estructura delorganulo. Tambien se ha demostrado que la posicion eintegridad del aparato de Golgi depende de la organi-zacion de los microtubulos (Figura 9). La posiciondel complejo de Golgi parece depender de los mi-crotubulos nucleados desde el centroma, mientras quela integridad de cada dictiosoma se cree que dependede microtubulos generados desde las propias cister-nas. La actina y la miosina ayudarıan tambien deuna manera mas fina en la organizacion de los dic-tiosomas. Ademas, el aparato de Golgi depende deltrafico vesicular desde el retıculo endoplasmatico. Si

Figura 7: En las celulas animales el complejo del Golgiesta formado por varios dictiosomas, localizados proximasal centrosoma, cerca del nucleo. Algunas de los dictiosomasadyacentes estan conectados lateralmente.

este se detiene el Golgi tambien desaparece.

En las celulas de las plantas, que no tienen centro-soma, hay numerosas estructuras similares a dictio-somas del Golgi poco desarrolladas, o incluso cister-nas individuales dispersas por el citoplasma (Figura9). Cada una de estas pilas de cisternas actuan demanera independiente. Es como si el complejo deGolgi estuviera distribuido por toda la celula. Enlas celulas vegetales las cisternas del aparato de Golgison mas pequenas que en las celulas animales, aunqueel numero de cisternas dispersas puede variar entredecenas y mas de cien. Hay otras diferencias enlas plantas respecto a los animales: no se ha obser-vado compartimento ERGIC (ver mas abajo), y elTGN esta muy desarrollado. Las cisternas o gruposde cisternas son moviles gracias a los filamentos deactina y parecen moverse por zonas de produccion devesıculas del retıculo endoplasmatico, como si fueranrecolectandolas. Estos movimientos no alteran lamorfologıa de las pilas de cisternas. Los filamentosde actina son tambien los que dirigiran las vesıculasque salen del Golgi hacia las vacuolas. En las plantas,ni estos grupos dispersos, ni las cisternas, desaparecendurante la division celular puesto que son necesariospara crear la pared celular nueva que separara a lasdos celulas hijas.



Figura 8: Figura 2. Imagen tomada con un microscopioelectronico de transmision de un complejo de Golgi convarios dictiosomas.

Hay variaciones morfologicas en el aparato de Golgidependiendo del tipo celular y de la especie. Por ejem-plo, en las celulas de la mosca del vinagre, aunquetienen centrosoma, poseen una organizacion similarde cisternas del Golgi a la de las plantas. Las conex-iones laterales de las pilas de cisternas solo se hanobservado en celulas de mamıferos.

2. Organizacion

Es un organulo polarizado y cada dictiosoma con-tiene dos dominios, un lado cis y un lado trans (Figura10). Entre ambos se encuentran las cisternas inter-medias. En el lado cis existe un proceso continuo deformacion de cisternas con material procedente de lafusion de compartimentos tubulo vesiculares denomi-nados ERGIC (endoplasmic reticulum Golgi interme-diate compartment), los cuales se forman con materialproveniente del retıculo endoplasmatico. El lado transtambien posee una organizacion tubulo-vesicular de-nominada TGN (entramado trans del aparato deGolgi o trans Golgi network), donde las cisternas conlas moleculas procesadas se deshacen en vesıculas quese dirigen a otros compartimentos celulares. Por tantose da un trasiego constante de moleculas desde ellado cis al trans, pasando por las cisternas interme-dias. Es un organulo en constante renovacion y elflujo de moleculas afecta a su organizacion y a sutamano. Este organulo esta especialmente desarrol-lado en celulas con fuerte secrecion. La direccion del

Figura 9: Organizacion del aparato de Golgi en una celulaanimal y en una vegetal. La diferencia mas llamativa es ladispersion de los dictiosomas y el papel predominante dela actina en las celulas vegetales respecto a los animales.Las flechas indican el sentido del movimiento de la vesıculamas proxima.

flujo de sustancias determina una polarizacion de ladistribucion de las enzimas en las cisternas que estanproximas al lado cis o al trans.

3. Modelos de transporte a traves del Golgi

a) Modelo de la maduracion de cisternas (Figura11). Se postula que los cuerpos tubulo vesiculares(ERGIC) provenientes del retıculo endoplasmatico sefusionan formando una cisterna en el lado cis. Estacisterna se mueve progresivamente y madura hastallegar al lado trans donde se descompone en vesıculaspara su reparto a otros compartimentos celulares.Hoy en dıa se tiende a aceptar este modelo porquehay observaciones que son explicadas por el pero nopor otros modelos.

b) Modelo de los compartimentos estables. Eneste modelo los cuerpos tubulo vesiculares (ERGIC)provenientes del retıculo endoplasmatico se unen allado cis y desde esas cisternas salen vesıculas quetransportan material a la siguiente cisterna, y asısucesivamente hasta llegar al lado trans donde son em-paquetadas en vesıculas para su reparto. Este modelono tiene actualmente muchos seguidores.

c) Modelo de la conexion de tubulos. Se ha vistocon el microscopio electronico que en ocasiones exis-ten conexiones tubulares entre cisternas adyacentes.Estas conexiones parecen pasajeras y dependientes del



Figura 10: El aparato de Golgi se divide en varios domin-ios. El lado cis es donde el compartimento ERGIC y lasvesıculas se fusionan para formar las primeras cisternas.El compartimento ERGIC no se puede considerar como uncompartimento perteneciente al aparato de Golgi, sino quees intermedio entre el retıculo endoplasmatico y el propioaparato de Golgi. Las cisternas que se encuentran en lazona intermedia de la pila se denominan intermedias. Enel lado trans es donde las cisternas se deshacen en vesıculasy estructuras tubulares que contienen moleculas ya proce-sadas. El TGN es este complejo de vesıculas y estructurastubulares que se forman en el lado trans. Desde las parteslaterales de las cisternas se forman vesıculas que viajany se fusionan con cisternas mas proximas al lado cis, sonvesıculas de reciclado. Las flechas laterales indican el sen-tido del reciclado y las centrales el sentido que siguen lasmoleculas en su transito por el aparato de Golgi.

tipo de material a secretar. Este modelo no es incom-patible con el de maduracion de cisternas y ambosprocesos podrıan ocurrir simultaneamente.

4 Funciones

a) Es uno de los principales centros de glucosidacionen la celula. Se anaden y modifican glucidos que for-maran parte de las glucoproteınas, proteoglucanos,glucolıpidos y polisacaridos como la hemicelulosa delas plantas. Entre los azucares especıficos que seanaden en el aparato de Golgi esta el acido sialico. Enel aparato de Golgi se anade oligosacaridos con uniontipo O a los grupos hidroxilos de aminoacidos comola serina, la treonina y la hidroxilisina. Este tipo deglucosilacion ocurre en los proteoglicanos. Tambienen el Golgi se anaden los grupos sulfatos a los gli-cosaminoglucanos. En el aparato de Golgi tambien seproducen otras modificaciones ademas de la glicosi-dacion y sulfatacion, como son fosforilacion, palmi-toilacion, metilacion y otras. En las plantas su papeles crucial, puesto que sintetiza los glicoconjugados que

Figura 11: Modelo de transporte de moleculas (colornaranja) a traves del aparato de Golgi. En el modelo demaduracion de cisternas las cisternas se crean en el ladocis y se desplazan, mientras van madurando, hacia el ladotrans donde se transforman en vesıculas.

forman parte de la pared celular, menos la celulosaque se sintetiza en la membrana plasmatica.

Todas las funciones relacionadas con los glucidos lasllevan a cabo las enzimas glicosiltransferasas (anadenglucidos) y las glicosidasas (eliminan glucidos).Pueden existir unos 200 tipos de estas enzimas en elaparato de Golgi. Las diferentes cisternas del aparatode Golgi tienen papeles especıficos dentro del proce-samiento de los glucidos, que es una reaccion secuen-cial. Hay evidencias de que existe un gradiente de en-zimas relacionadas con la glicosidacion desde el ladocis al trans, estando mas concentradas cerca del ladocis aquellas enzimas implicadas en los primeros pasosdel proceso de glicosidacion.

b) En el aparato de Golgi se terminan de sin-tetizar los esfingolıpidos como las esfingomielinas ylos glicoesfingolıpidos. La ceramida sintetizada en elretıculo endoplasmatico es la molecula sobre la quetrabajan las enzimas del aparato de Golgi para formardichos tipos de lıpidos de membrana. En el aparato deGolgi tambien se ensamblan las apoliproteınas comolas VLDL.

c) Es un centro de reparto de moleculas queprovienen del retıculo endoplasmatico o que se sinte-tizan en el propio aparato de Golgi. Unas vez proce-sadas en el aparato de Golgi, las diferentes moleculasson seleccionadas y empaquetadas en vesıculas difer-entes para dirigirse a sus respectivos destinos. ElTGN es la plataforma desde la cual salen las vesıculaspara los distintos compartimentos (ver figura). Desdeel lado trans saldran vesıculas con moleculas selec-cionadas hacia la membrana plasmatica en dos ru-tas: la exocitosis constitutiva y la excocitosis regu-lada. Tambien desde el TGN se envıa vesıculas haciala ruta de los endosomas tardıos/cuerpos multivesicu-



lares/lisosomas, o las vacuolas en el caso de las plantasy se envıan vesıculas de reciclado hacia cisternas delpropio aparato de Golgi. Pero el TGN es tambienun compartimento que recibe vesıculas de los endoso-mas y parece participar en los procesos de recicladode moleculas entre la membrana y compartimentosinternos como los endosomas. En las plantas tambienpuede recibir vesıculas de endocitosis. Por tanto estedominio participa en las vıas de exocitosis y endoci-tosis.

Las vesıculas que se forman en el TGN no sontıpicamente redondeadas sino con forma diversa ysurgen de expansiones tubulares membranosas. Elreparto de moleculas para las diferentes rutas suponeuna seleccion de las cargas. En el caso de lasmoleculas que van a los endosomas (y a membranasbasolaterales) se seleccionan por una secuencia es-pecıfica que poseen las proteınas transmembranas ensu lado citosolico. Sin embargo, las moleculas que se

dirigen hacia la membrana celular (o apical en lascelulas polarizadas) son seleccionadas por selectinasque reconocen los enlaces glucosıdicos tipo O y N.En los animales estas vesıculas son conducidas a to-dos sus destinos por los microtubulos, mientras queen las plantas son los filamentos de actina los quellevan las vesıculas hasta las vacuolas, mientras quese desconoce lo que las conduce hasta la membranaplasmatica.

d) Hay otra serie de funciones no ”convencionales”en las que recientemente se ha descubierto que par-ticipa el aparato de Golgi. Estas incluyen ser cen-tro de almacenamientos de calcio, actuar como unaplataforma de senalizacion intracelular, participa enel control de los niveles de esteroles en la celula, enel se da parte de la respuesta de las celulas a la faltade alimentos, centro nucleador de microtubulos en lacelulas que se desplazan, etcetera



5 Exocitosis

La exocitosis es la fusion de vesıculas con la mem-brana plasmatica. Las vesıculas son producidas prin-cipalmente por el aparato de Golgi, desde su dominiotrans, y viajan hasta la membrana plasmatica conquien se fusionan. Tambien pueden provenir vesıculasde otros compartimentos como los endosomas (vermas adelante).

1. Tipos de exocitosis

Hay dos tipos de exocitosis de las vesıculas quevienen desde el aparato de Golgi: constitutiva yregulada (Figura 12). La exocitosis constitutiva seproduce en todas las celulas y se encarga de lib-erar moleculas que van a formar parte de la ma-triz extracelular o bien llevan moleculas en la propiamembrana de la vesıcula que sirven para regenerarla membrana plasmatica. Es un proceso constantede produccion, desplazamiento y fusion de vesıculas,con diferente intensidad de trafico segun el estado fi-siologico de la celula. La exocitosis regulada se pro-duce solo en aquellas celulas especializadas en la se-crecion, como por ejemplo las productoras de hor-monas, las neuronas, las celulas del epitelio digestivo,las celulas glandulares y otras. En este tipo de ex-ocitosis se liberan moleculas que realizan funcionespara el organismo como la digestion o que afectan ala fisiologıa de otras celulas que estan proximas o lo-calizadas en regiones alejadas en el organismo, a lascuales llegan a traves del sistema circulatorio, comoes el caso de las hormonas. Las vesıculas de secrecionregulada no se fusionan espontaneamente con la mem-brana plasmatica sino que necesitan una senal quenormalmente es un aumento de la concentracion decalcio. Ademas, necesitan ATP y GTP.

2. Seleccion de cargas en el Golgi

Los dos tipos de exocitosis empaquetan moleculasdiferentes, luego el complejo TGN debe arreglarselaspara separar ambos tipos de cargas. Parece ser quelas moleculas que no tienen una senal especıfica seranempaquetadas en vesıculas de exocitosis constitutiva.Sin embargo, no todas las moleculas sin senal sontransportadas de la misma manera. Por ejemplo, hayun tipo de vesıculas que salen desde el trans del Golgi

Figura 12: Desde el TGN del aparato de Golgi salenvesıculas con diferentes destinos. Hacia la membranaplasmatica parten dos rutas. Una denominada exocitosisconstitutiva, que poseen todas las celulas, y otra, exoci-tosis regulada, que esta presente en las celulas secretoras.En esta ultima se necesita una senal, aumento de la con-centracion de calcio, para que se produzca la fusion de lasvesıculas con la membrana plasmatica. Las otras dos rutasdesde el TGN van hacia los endosomas, se forman mediadaspor una cubierta proteica de clatrina, y hacia el retıculo en-doplasmatico rugoso , cubiertas de COP-I (aunque muchomenos frecuentes) .

hacia la membrana plasmatica que estan enriquecidasen esfingomielinas. Estas vesıculas se podrıan for-mar en dominios del trans con abundancia de estelıpido. La lipoproteına lipasa es una proteına sol-uble y, sin embargo, se empaqueta preferentementeen estas vesıculas. Esta proteına tiene una apetencianatural para unirse a la membrana y tiene un do-minio molecular que reconoce a cadenas de heparansulfato. Se ha visto que el heparan sulfato sindecan esuna carga tıpica y abundante de este tipo de vesıculaspuesto que tiene apetencia por meterse en los domin-ios ricos en esfingomielina. Ası, la lipoproteına lipasaasociada al sindecan es empaquetada y secretada.

¿Como se seleccionan las moleculas para lasvesıculas de exocitosis regulada? El mecanismo



parece basarse en la formacion de agregados molec-ulares. Estos agregados estan formados por lasmoleculas que seran liberadas y que tienen actividadfisiologica, ası como por las enzimas que se encar-gan de su procesamiento. Hay que tener en cuentaque muchas de las moleculas que se liberan por ex-ocitosis regulada son incorporadas a las vesıculasen formas no activas, por ejemplo propeptidos, queson procesadas a sus formas activas una vez que lasvesıculas se han formado. Los agregados estan forma-dos por moleculas que no han sido secuestradas porlas vesıculas cubiertas de clatrina, que son otro tipode vesıculas que se forman en el TGN y que van di-rigidas a los endosomas, ni por las vesıculas cubiertaspor COPI, que van al retıculo endoplasmatico.

3. Secrecion regulada

Las vesıculas de la secrecion regulada provienenfundamentalmente del aparato de Golgi y se acu-mulan en el citoplasma. Cuando reciben la senalpara su liberacion se dirigen hacia regiones concre-tas de la membrana plasmatica, luego es un procesodirigido no solo en el tiempo sino tambien en el espa-cio. Las celulas nerviosas representan un ejemplo ex-tremo. Una vez empaquetadas las vesıculas en el somaneuronal tienen que ser dirigidas hacia el terminalpresinaptico, que en algunas neuronas puede estar acentımetros de distancia. Ademas de las neuronas ex-isten otras celulas polarizadas, como es el caso de lasdel epitelio digestivo, que poseen una parte apical yotra basal. Serıa un desastre que las celulas epitelialesintestinales fusionasen las vesıculas y liberasen las en-zimas digestivas que contienen en la region de la mem-brana plasmatica orientada hacia los tejidos internos yno hacia la luz del tubo digestivo. La direccionalidaddel camino de estas vesıculas esta determinada por laaccion de los microtubulos y filamentos de actina delcitoesqueleto, el cual, mediante la intervencion de lasproteınas motoras, las transporta hasta su lugar defusion apropiado.

La liberacion de moleculas al exterior celularsupone la fusion de la membrana de la vesıcula conla membrana plasmatica, de la cual terminara porformar parte. Sin embargo, en base a las imagenesobtenidas con el microscopio electronico se ha prop-uesto otra posibilidad adicional, el modelo de exocito-

sis denominado ”besa y corre” (kiss-and-run) (Figura13). Aquı la vesıcula no se fusiona completamentecon la membrana sino que lo hace de una manera in-completa formando un poro que comunica el interiorde la vesıcula con el exterior celular por donde lib-erara su contenido. Posteriormente se cierra el poroquedando la vesıcula vacıa en el citosol. Este tipo deexcocitosis se ha propuesto para las sinapsis y para lascelulas cromafines. En algunos casos se ha observadoque las vesıculas se pueden fusionar entre sı pero soloalgunas de ellas llegan a fusionan con la membranaplasmatica. Es lo que se llama exocitosis compuestapuesto que el contenido de varias vesiculas se mezclanentre sı (Figura 2).

Figura 13: Maneras de fusion de las vesıculas de exocitosiscon la membrana.

4. Otras fuentes de vesıculas

No todas las vesıculas que se fusionan con la mem-brana plasmatica provienen del aparato de Golgi.Los endosomas tempranos son organulos especializa-dos en recibir vesıculas formadas en la membranaplasmatica, proceso denominado endocitosis (Figura14). Tras su fusion con el endosoma parte del con-tenido vesicular es reciclado y llevado de vuelta ala membrana plasmatica por medio de vesıculas quese forman en el propio endosoma. Otro ejemplo lotenemos en los terminales presinapticos del sistemanervioso (Figura 15). Estos sitios de exocitosis estanmuy alejados del aparato de Golgi, localizado en elsoma neuronal. La liberacion de neurotransmisores enla sinapsis no puede depender en exclusiva del empa-quetado de estos en el TGN, serıa una comunicacionnerviosa muy ineficiente y demasiado lenta. En losterminales nerviosos existe un reciclado de vesıculasque permite una exocitosis permanente e independi-ente del TGN. En el terminal presinaptico se producela exocitosis en la zona de liberacion, mientras que en



la membrana plasmatica lateral del propio terminal seproducen vesıculas por invaginacion que se volverana llenar con neurotransmisores gracias a la existen-cia de transportadores especıficos en sus membranas.Estas vesıculas rellenadas sufren un nuevo proceso deexocitosis. Normalmente liberan neurotransmisorespequenos con vıas de sıntesis poco complejas. De estemodo existe un proceso constante de formacion devesıculas localizado en el propio terminal presinapticoseguido de exocitosis.

Figura 14: En la membrana plasmatica se formanvesıculas, endocitosis, que se fusionan con los endosomastempranos. Desde estos organulos parten vesıculas de re-ciclado que se fusionan con la membrana citoplasmatica.

Figura 15: En los terminales presinapticos se produce unciclo local de formacion de vesıculas y exocitosis. Se formanen la membrana plasmatica lateral del terminal, se rellenande neurotransmisor por transportadores y se fusionan conla membrana citoplasmatica en la zona de fusion, densidadsinaptica, liberando su contenido.

5. Fusion de organulos

Los cuerpos multivesiculares, organulos convesıculas internas, pueden en ocasiones fusionarsecon la membrana plasmatica y liberar al exteriorcelular su contenido vesicular (Figura 16). A estasvesıculas liberadas se les denomina exosomas. Estemecanismo de exocitosis fue descrito, y el termino

exosoma acunado, en los anos 80 del siglo XX.Se descubrio en el proceso de maduracion de losreticulocitos a eritrocitos. Durante esta maduracionlos reticulocitos se deshacen del receptor de latransferrina localizado en la membrana plasmaticamediante su incorporacion en vesıculas que se fusio-nan con los endosoamas tempranos. Cuando estosmaduran se producen invaginaciones en sus propiasmembranas, que contienen a los receptores, resul-tando en pequenas vesıculas internas. El endosomatemprano se convierte ası en cuerpo multivesicular.Posteriormente estos cuerpos multivesiculares sefusionan con la membrana plasmatica y liberan sucontenido, que incluye a las vesıculas, al exteriorcelular.

Figura 16: Esquema de la formacion de exosomas yvesıculas emitidas (modificado de Thery, 2011).

En una misma celula pueden coexistir dos tipos decuerpos multivesiculares, aquellos que se fusionarancon los lisosomas para la degradacion de su con-tenido y aquellos que se fusionaran con la membranaplasmatica para liberar a su contenido al exterior.La diferencia entre estas dos poblaciones parece serel contenido en proteınas en su superficie, por ejem-plo proteınas rab, ası como el contenido de colesterolde sus membranas. Incluso en algunas celulas se hapodido distinguir morfologicamente estas dos pobla-ciones de cuerpos multivesiculares. Los exosomasson pequenas vesıculas de unos 30 nm a 150 nm dediametro liberadas como tales por una gran variedad



de celulas: epiteliales, celulas del sistema inmunitario,neuronas, glıa y celulas tumorales, entre otras. Ini-cialmente se penso que era un mecanismo que tenıala celula para deshacerse de material desechable, ypor ello no se les presto mucha atencion. Pero unasdecadas mas tarde se sugirio un papel en la comuni-cacion celula-celula, en la presentacion de antıgenos,en patologıas vıricas, incluidas el VIH, en los procesosde metastasis.

Por ultimo, mencionar que bajo circunstancias ex-cepcionales, distintos organulos pueden fusionarse con

la membrana plasmatica. Es el caso los lisosomas, cis-ternas de retıculo endoplasmatico y lisosomas cuandolas celullas sufren roturas grandes de sus membranasy tienen que sellarlas. La fusion de todos estosorganulos contribuyen con sus propias membranas aeste sellado. Otro ejemplo es la fagocitosis, donde senecesita una gran cantidad de membrana plasmaticapara englobar a las enormes partıculas que se intro-ducen en el interior celular. En este caso ayudan lascisternas de retıculo endoplasmatico a aportar mem-brana plasmatica extra fusionandose con ella.



6 Endocitosis

La incorporacion de sustancias externas por parte delas celulas animales es esencial para su superviven-cia. La celula dispone de un mecanismo para incor-porar grandes cantidades de moleculas extracelularesde forma masiva: la endocitosis. Mediante endocito-sis se incorporan moleculas extracelulares englobadaspor membrana plasmatica, que al cerrarse quedan enel interior celular, sobre todo en forma de vesıculas.De la misma manera que mediante exocitosis hay unviaje de ida y fusion de vesıculas con la membranaplasmatica, la endocitosis es un proceso de formacionde vesıculas en la membrana plasmatica con contenidoextracelular, las cuales se fusionan posteriormente concompartimentos internos, principalmente con los en-dosomas.

La endocitosis, ademas de la incorporacion demoleculas externas en grandes cantidades, princi-palmente para su degradacion, tiene otras fun-ciones. Sirve para reciclar moleculas de la mem-brana plasmatica que se incorporaran como parte dela membrana de las propias vesıculas o compartimen-tos que se formen. Otra funcion menos aparente escompensar los procesos de exocitosis, es decir, elimi-nar el exceso de membrana plasmatica anadida por lasvesıculas de exocitosis y mantener ası una superficiede membrana estable y funcional.

1. Seleccion de moleculas

Hay tres maneras por los que las moleculas sonincorporadas en la endocitosis: en forma soluble in-especıfica o pinocitosis, unidas a receptores de mem-brana o endocitosis mediada por receptor, o for-mando parte de la propia membrana que constituirala vesıcula o compartimento que origina (Figura 17).

Pinocitosis

El termino pinocitosis se refiere a la incorporacioninespecıfica de moleculas disueltas. No cabe duda deque parte del contenido de cualquier vesıcula que seforme en la membrana plasmatica tendra moleculasdisueltas que se hayan colado en el interior de lavesıcula de manera inespecıfica. Por tanto, en mayoro menor medida todas las rutas de endocitosis real-izan pinocitosis. Hay tipos de endocitosis espcializa-

Figura 17: Las moleculas pueden ser incorporadas por en-docitosis de forma especıfica unidas a receptores de la mem-brana plasmatica o de manera inespecıfica en disolucion opinocitosis.

dos pinocitosis, como es la macropinocitosis, donde laincorporacion inespecıfica de moleculas es su principalcaracterıstica, como veremos mas adelante.

Endocitosis mediada por receptor

La endocitosis mediada por receptor es el mecan-ismo de incorporacion de moleculas especıficas recono-cidas por receptores de la membrana plasmatica. Sehan descrito unos 25 tipos de receptores que actuanen este tipo de endocitosis. Con ellos la celulapuede incorporar de forma muy eficiente moleculas opartıculas que se encuentran disueltas a bajas concen-traciones. Estas moleculas se unen a sus receptores ylos complejos receptor-ligando convergen en una zonade la membrana plasmatica donde se produce la for-macion de la vesıcula que posteriormente viaja ha-cia el interior celular. El ejemplo mas llamativo esla captacion de colesterol por parte de las celulas,el cual se transporta en la sangre unido a proteınascomo, por ejemplo, las lipoproteınas de baja densidad(LDL). Las LDL son unos complejos que contienenuna gran cantidad de moleculas de colesterol rodeadaspor una monocapa lipıdica y poseen una molecula pro-teica que sobresale al exterior. Cuando una celulanecesita colesterol sintetiza receptores para los LDLy los traslada a la membrana plasmatica. Entoncesse produce el reconocimiento entre receptor y LDL,



ambos se unen y se agrupan en una zona de la mem-brana plasmatica donde se produce una invaginacion.Una vez formada la vesıcula, se dirige a organulosintracelulares donde las LDL son digeridas y el coles-terol es liberado y metabolizado. Cuando se producealgun impedimento en la captacion de colesterol, fun-damentalmente por fallos en el reconocimiento porparte de los receptores de LDL o por su ausencia, elcolesterol se acumula y puede producir arterioesclero-sis e infarto de miocardio.

2. Tipos de endocitosis

Dependiendo del tamano del tipo de vesıcula o com-partimento, su mecanismo de formacion y la natu-raleza del material a incorporar, se han descrito di-versos tipos de endocitosis. Nosotros los vamos aagrupar en: endocitosis mediada por vesıculas recu-biertas de clatrina, endocitosis mediada por caveo-las, endocitosis mediada por vesıculas no recubiertasy macropinocitosis. Vamos a estudiar tambien a lafagocitosis, una endocitosis un tanto especial porquees un proceso de incorporacion de grandes partıculascomo bacterias o restos celulares, tambien englobadosen membranas (Figura 18).

Figura 18: Distintos tipos de endocitosis.

Vesıculas recubiertas de clatrina

Es el principal mecanismo por el que se incorpo-ran proteınas integrales y lıpidos de la membranaplasmatica, ası como macromoleculas extracelularesque generalmente no exceden los 156 nm, incluyendoalgunos virus . Las vesıculas se forman en areasde la membrana plasmatica donde se encuentra laproteına clatrina, que es citosolica. Podrıa parecerque este sitio de nucleacion inicial de la vesıcula esaleatorio, pero hay muchos ejemplos en los que no es

ası. Hay regiones que favorecen esta nucleacion. Porejemplo, una alta concentracion de PI(4,5)P2 facilitael acople de unas proteınas denominadas adaptado-ras. Tambien se pueden dar concentraciones de car-gas, bien porque han sido exocitadas cerca o porquepueden oligomerizar. En los fibroblastos estas areasde inicio de formacion de la vesıcula suponen un 2 %del total de la superficie de la membrana plasmatica.La clatrina posee una estructura con tres brazos quese ensamblan entre sı formando pentagonos. Su es-tructura y su manera de asociarse parece que ayudana la invaginacion y cierre de la vesıcula. La polimer-izacion de la clatrina forma vesıculas de unos 120 nm.Aparte de la clatrina, hay otras 50 proteınas difer-entes involucradas en la formacion de la vesıcula, to-das ellas provenientes del citosol. Entre la clatrina yla membrana celular se disponen otras proteınas queayuda al ensamblaje de las moleculas de clatrina paraformar una especie de cesta que engloba a la vesıcula.Las proteınas adaptadoras, y otras proteınas de lacubierta, son las que principalmente van a decidirque tipo de receptores de la membrana plasmatica,junto con sus ligandos, van a ser transportados por lasvesıculas. Las vesıculas de clatrina transportan muydiversas cargas y existe una variedad de proteınas quereconocen el lado citosolico de las proteınas que seranincluidas en la vesıcula.

La curvatura de la membrana plasmatica para for-mar la vesıcula se produce por la accion coordinadade la cubierta de clatrina, los filamentos de actinay las proteınas de escision. La actina parece actuaren estadios tardıos cuando la invaginacion ya se haproducido, y despolimeriza cuando la vesıcula se haformado. Una vez que la vesıcula se ha cerrado e in-ternalizado, la clatrina de desensambla y la vesıculapuede ir a organulos especıficos dentro de la celula,normalmente endosomas tempranos.

Caveolas

Se describieron en los anos 50 del siglo XX por P.Palade gracias a imagenes de microscopıa electronica.Son unas pequenas invaginaciones en la membranaplasmatica (45-80 nm) presentes en la mayorıa de lascelulas eucariotas que posteriormente se transformanen vesıculas, aunque la proporcion en que esto ocurreno esta del todo clara. Son especialmente abundantes



en las celulas endoteliales, musculares y adipocitos.Su membrana se caracteriza por poseer unas proteınasllamadas caveolinas, ademas de proteınas perifericasancladas a glicosilfosfatidil-inositoles, esfingolıpidos(esfingomielina y glicoesfingolıpidos) y colesterol. Lapropia existencia de caveolinas hace que las celulasformen caveolas. Hay de 100 a 200 moleculas de cave-olina por caveola y existen diferentes tipos en unasola caveola. No solo se forman caveolas en la mem-brana plasmatica sino que tambien se observan enel aparato de Golgi. Ası que podrıa funcionar comomecanismo de transporte entre el aparato de Golgi yla membrana plasmatica para determinados tipos demoleculas. Cuando se internan desde la membranaplasmatica, las vesıculas resultantes de las caveolasse fusionan con los endosomas tempranos, aunque al-gunos autores consideran que lo hacen con un tipoespecial de endosoma denominado caveosoma.

Las funciones de las caveolas, sin embargo, no estandel todo claras. Aunque se ha propuesto un papel rel-evante en la endocitosis, esto no parece tener un gransoporte experimental. Se han propuesto otras fun-ciones que incluyen modulacion de la transduccion desenales celulares puesto que contienen numerosos re-ceptores en sus membranas que son eliminados de lasuperficie celular como los receptores tirosina quinasa,el trafico de lıpidos entre la membrana y organulosinterno, incluso se han postulado como participantesen los mecanismos de supresion de algunos tumores.Moleculas como la toxina colerica, el acido folico yotras moleculas entran a la celula gracias principal-mente a las caveolas.

Vesıculas no recubiertas

Es la endocitosis de vesıculas que no dependen dela clatrina ni de la caveolina. Este tipo de endocito-sis se ha identificado frecuentemente de dos formas:por la morfologıa de sus invaginaciones y vesıculas, yporque se produce tras inhibir la clatrina y caveolina,es decir, se siguen produciendo procesos de endocito-sis cuando se bloquean selectivamente las vıas medi-adas por clatrina y por caveolina. Algunas toxinascomo las del colera entran preferentemente por estavıa. No se conoce en detalle cuales son los mecan-ismos por los que este tipo de endocitosis seleccionaa las moleculas que transportan. Se sospecha que se

pueden concentrar e incorporar moleculas gracias a laaccion de las balsas de lıpidos. Tampoco se conoce sila formacion de estas vesıculas es un proceso reguladoo no.

Macropinocitosis

Es un proceso mediante el cual se incorporangrandes cantidades de fluido extracelular. En la su-perficie celular se crean evaginaciones o extensionesdel citoplasma a modo de ola con base mas o menoscircular cuyas crestas se fusionan o caen sobre la mem-brana plasmatica y se fusiona con ella formando unagran vesıcula interna o macropinosoma. El mecan-ismo de formacion de los macropinosomas involucra alos mismos componentes que actuan durante la fagoc-itosis: los filamentos de actina y las proteınas motorasmiosina. La macropinocitosis no solo se utiliza paracaptar alimento, como ocurre en las amebas, sino quetambien sirve para renovar la membrana plasmatica,se activa durante el movimiento celular para trans-portar grandes porciones de membrana hacia el frentede avance, incluso algunas bacterias son capaces de in-ducirla para introducirse en los macropinosomas y asıevitar la fagocitosis.

Fagocitosis

Es un tipo especial de endocitosis que consiste enla incorporacion de partıculas de gran tamano comoson bacterias, restos celulares o virus. Este mecan-ismo lo llevan a cabo celulas especializadas como sonlos macrofagos, neutrofilos y las celulas dendrıticas.Un ejemplo claro son los macrofagos que fagocitan alos complejos formados por inmunoglobulinas unidasa otras partıculas que pueden ser virus o bacterias.Tambien son los encargados de eliminar miles deglobulos rojos al dıa. Los macrofagos suelen ser resi-dentes de tejido. Por ejemplo, las celulas de Kupfferen el hıgado, la microglıa se localiza en el encefalo yotros en la medula osea, que tienen ademas la misionde eliminar los nucleos de los eritrocitos liberados du-rante su maduracion. Los protozoos utilizan la fagoc-itosis para alimentarse. Es probable que la fagocito-sis haya evolucionado de un mecanismos de conseguircomida por parte de los organismos unicelulares a unmecanismo de defensa en los pluricelulares.

El proceso de fagocitosis supone un reconocimiento



de la partıcula por parte de la celula mediante recep-tores de membrana y la emision de unas protuber-ancias laminares o pseudopodos de citoplasma rodea-dos por membrana. Los receptores que reconocen alas partıculas a fagocitar se unen a moleculas de lasuperficie de los patogenos, o a la fosfatidilserina delas celulas apoptoticas, o a las inmunoglobulinas Gy componentes del complemento del sistema inmune.Cuando estos receptores unidos a sus ligandos se agru-pan disparan el proceso de fagocitosis. Se necesita unacantidad mınima de receptores unidos a sus ligandospara que se de la fagocitosis, si no es ası esta se de-tiene. De manera que cuando la partıcula no tienesuficiente ligando no sera incorporada. Sin embargo,

los macrofagos tienen una gran diversidad de rece-pores con diferentes selectividades, que trabajan demanera cooperativa.

Este proceso de emision de expansiones cito-plasmaticas para englobar a la partıcula esta me-diado por los filamentos de actina y las proteınasmotoras miosina. Tales protuberancias rodean a lapartıcula, fusionan sus frentes de avance y encierrana la partıcula formando una gran vesıcula o fagosomaque se separa de la superficie y se interna en la celulapara ser digerida. La fagocitocis requiere de una senalde reconocimiento para disparar el proceso. Una vezformado el fagosoma se fusionara con los lisosomaspara la degradacion de su contenido.



7 Endosomas

Los endosomas son unos compartimentos membra-nosos que presentan una forma irregular, general-mente con aspecto de grandes ”bolsas”, que a ve-ces tambien forman tubulos membranosos. Se com-portan en la vıa de endocitosis de manera similar acomo lo hace el TGN (trans Golgi network) en la vıade exocitosis, es decir, son una estacion de llegada,clasificacion y reparto de moleculas que se comunicacon otros compartimentos de la celula. A los endo-somas llega material en las vesıculas que provienende la membrana plasmatica vıa endocitosis y otrasvesıculas que provienen del TGN del aparato de Golgi.El compartimento que se forma tras una fogocitosis ouna macropinocitosis es directamente un endosoma.Desde los endosomas salen vesıculas de reciclado ha-cia la membrana plasmatica y hacia el aparato deGolgi llevando de vuelta sobre todo membrana y re-ceptores transmembrana, mientras que el resto de lasmoleculas sigue su procesamiento hacia los lisosomas.

1. Modelos

Los endosomas de una celula son heterogeneostanto morfologica como funcionalmente. Incluso enun mismo endosoma puede haber regiones de su mem-brana realizando funciones diferentes. Al conjuntode los endosomas de una celula se le llama comparti-mento endosomal. Hay dos propuestas sobre como seorganiza el compartimento endosomal:

a) Diferentes tipos de endosomas. Habrıa en unamisma celula endosomas con caracterısticas establesen el tiempo encargados de realizar tareas concre-tas. Estarıan los endosomas tempranos proximos a lamembrana plasmatica que reciben las vesıculas de en-docitosis; endosomas de reciclaje desde los que partenvesıculas a la membrana plasmatica y al aparato deGolgi; cuerpos multivesiculares o endosomas tardıoslocalizados en zonas mas internas de la celula, quereciben vesıculas cargadas de hidrolasas acidas desdeel TGN del aparato de Golgi, y envıan otras recicladasde vuelta al TGN, y que terminan fusionandose conlos lisosomas para la degradacion de las moleculas yvesıculas que contienen. Todos estos tipos de endoso-mas estarıan comunicados por vesıculas.

b) Maduracion de los endosomas. Una segundateorıa propone que los endosomas tempranos se for-marıan por la convergencia y fusion de las vesıculas deendocitosis. Esto ocurrirıa en las proximidades de lamembrana plasmatica. Despues se desplazarıan haciael interior celular. Durante su trayecto van madu-rando, convirtiendose en endosomas de reciclado,produciendo vesıculas de vuelta hacia la membranaplasmatica. Progresivamente, los endosomas de reci-clado se transformarıan en endosomas tardıos/cuerpomultivesiculares, que reciben vesıculas del aparato deGolgi, y envıan otras de vuelta al aparato de Golgi.Finalmente se conviertirıan en los lisosomas o se fu-sionan con ellos. De manera que todos los tipos deendosomas descritos son solo estados de un procesocontinuo de maduracion. Todavıa no esta resueltocual de las dos propuestas es la correcta, o si ambosmecanismos actuan simultaneamente. Sin embargo,los datos mas recientes apuntan al modelo de madu-racion.

2. Distribucion

Los endosomas se distribuyen espacio-temporalmente en la celula de una manera particular(Figura 19). Los endosomas tempranos se situanen la periferia celular, proximos a la membranaplasmatica. A medida que van madurando se vaninternando en la celula y se concentran en la regionperinuclear, donde se encuentran los cuerpos mul-tivesiculares/endosomas tardıos. De esta maneratambien se segregan las funciones de los endosomas.La idea es que el sistema endo-lisosomal perifericoesta mas orientado a la senalizacion, mientras que losperinucleares a la degradacion. Al conjunto de endo-somas que hay en el espacio perinuclear se le llamanube perinuclear. En la periferia se capta material yen en interior de la celula se degrada y recicla. Laposicion y movimiento de los endosomas por la celulay su viaje a las proximidades del nucleo esta mediadopor las proteınas Arf, Rab y Arf-like (Arl). Esinteresante que los endosomas tardıos mantendrıansu posicion perinuclear mediante su interaccion conel retıculo endoplasmatico. El retıculo no solo podrıaparticipar en su localizacion sino tambien en sufision, como ocurre con las mitocondrias, y en sumovimiento.



Figura 19: Lo distintos tipos de endosomas se suelen lo-calizar en regiones diferentes de la celula. Los tempranosen la periferia celular, que al desplazarse al interior se vantransformando en endosomas de reciclaje, posteriormenteen cuerpos multivesiculares/endosomas tardıos, ya en laregion perinuclear. Por ultimo, se fusionaran con los liso-somas. Los asteriscos indican sitios de contacto con lasmembranas del retıculo endoplasmatico.

3. Endosomas tempranos / de reciclado

Los endosomas tempranos son los encargados derecibir las vesıculas de endocitosis (Figura 20). Eneste momento, o tras un proceso de maduracion enendosomas de reciclaje, se da un intenso proceso dereciclado de moleculas que vuelven a la membranaplasmatica, pudiendo representar hasta el 90 % delas proteınas y el 60 % de los lıpidos endocitados.El interior del compartimento endosomal tempranose mantiene a pH mas acido (aproximadamente 6.5)que el del citosol (aproximadamente 7.2) gracias a lasbombas de protones dependientes de ATP que se en-cuentran en sus membranas. El medio acido del endo-soma permite que muchos receptores transmembranay sus ligandos unidos, transportados en vesıculasdesde la membrana plasmatica, liberen dichos ligan-dos en el interior del endosoma. Los receptores, yasin ligando unido, vuelven a la membrana plasmaticaen vesıculas de reciclado y el ligando sigue hacia otroscompartimentos para su degradacion. Normalmentela salida de estas vesıculas recicladas se realiza enun dominio del endosoma fısicamente segregado delresto del espacio endosomal. En realidad se pro-pone que el endosoma temprano posee varios domin-ios o regiones: uno donde se fusionan las vesıculas deendocitosis procedentes de la membrana plasmatica,otro desde donde se reciclan vesıculas hacia la mem-

brana plasmatica, otro desde donde parten comple-jos membranosos que forman los cuerpos multivesic-ulares, otro desde el que parten vesıculas al aparatode Golgi y algunos autores proponen la existencia deotros menos conocidos.

Figura 20: Tipos de endosomas y principales rutas de co-municacion vesicular en las que participan.

4. Cuerpos multivesiculares, endosomastardıos

Los cuerpos multivesiculares, y los endosomastardıos (Figura 2), son la antesala de la degradacionde las moleculas endocitadas, la cual se realiza final-mente en los lisosomas gracias a unas enzimas denom-inadas hidrolasas acidas. Las moleculas destinadas ala degradacion llegan desde los endosomas tempra-nos, mientras que las hidrolasas acidas desde el TGNdel aparato de Golgi empaquetadas en vesıculas. Laaccion de las bombas de protones localizadas en lasmembranas de estos endosomas iran acidificando pro-gresivamente el pH interno y por tanto favoreciendo laaccion de las hidrolasas acidas, cuya actividad optimase da a un pH proximo a 5, el cual se alcanza ya en loslisosomas. Desde los cuerpos multivesiculares y desdelos endosomas tardıos se producira reciclado mediantevesıculas hacia endosomas tempranos y hacia el TGNdel aparato de Golgi.

Los cuerpos multivesiculares se definen primer-amente por criterios morfologogicos (Figura 21).Son organulos redondeados con una membrana queencierra a multiples vesıculas internas (desde dos adocenas de ellas). Tıpicamente tienen un diametro



entre 250 y 1000 nm. Aunque su forma es re-dondeada pueden presentar apendices tubulares. Loscuerpos multivesiculares pueden estar rodeados porcompartimentos tubulares o conectados a ellos. Semueven dentro de la celula por microtubulos. Elaspecto multivesicular que se observa a microscopıaelectronica de estos organulos se debe a que en susmembranas se producen invaginaciones que resultaranen vesıculas en su interior. De esta manera se puedendegradar las moleculas que forman parte integral delas membranas, aunque en dichas invaginaciones entraademas parte del fluido citosolico, que tambien seradegradado. Como dijimos anteriormente los endoso-mas tardıos se forman por maduracion de los cuer-pos multivesiculares. Las moleculas del interior deun cuerpo multivesicular pueden tener tres destinos:liberadas al medio extracelular o degradarse en loslisosomas. Hay una tercera posibilidad denominadaback-fusion que se ha encontrado en las sinapsis de lasneuronas, donde las vesıculas se podrıan fusionar conla membrana plasmatica. Es interesante puesto quepodrıa suponer un papel de almacen para los cuerpomultivesiculares. De hecho es raro que sean tan fre-cuentes en el lado postsinaptico.

El destino de las moleculas del interior de los endo-somas tardıos es ser degradadas en los lisosomas. Haydos maneras no excluyentes en que esto puede ocurrir:una maduracion de los endosomas tardıos que con ladisminucion del pH se convierten en lisosomas o me-diante la fusion de endosomas tardıos con lisosomasya existentes en el citoplasma.

5. El viaje de las hidrolasas acidas

El empaquetado en vesıculas de las hidrolasasacidas, necesarias para la degradacion en los lisoso-mas, se produce en el TGN gracias a un mecanismode reconocimiento por receptor (Figura 22). Ası, estasenzimas son sintetizadas en el retıculo endoplasmaticoy al pasar por el lado cis del aparato de Golgi son mod-ificadas por otras enzimas que le anaden una manosa-6-fosfato. En el TGN son segregadas del resto demoleculas de la vıa de exocitosis gracias a la exis-tencia de un receptor transmembrana que reconoceeste residuo glucıdico. El complejo receptor-hidrolasase concentra en zonas recubiertas con clatrina y sonfinalmente incorporados en vesıculas. Estas vesıculas

Figura 21: Cuerpo multivesicular tıpico (indicado con lacabeza de flecha) en una dendrita de una motononeurona elnucleo del nervio hipogloso. El cuerpo multivesicular tienenumerosas vesıculas internas y esta localizado proximo auna sinapsis. Barra de escala = 250 nm. El tejido seproceso como se describe en Rind et al., 2005. Post: ele-mento postsinaptico, dendrita; Pre: elemento presinaptico,axon; m: mitocondria; v: vesıculas; CS: contacto sinaptico.(Foto cedida por Chris von Bartheld. Department of Phys-iology and Cell Biology, University of Nevada School ofMedicine. USA)

viajan hasta los cuerpos multivesiculares y endosomastardıos con quienes se fusionan. El pH mas acido deestos endosomas respecto al que hay en el TGN haceque las hidrolasas se desliguen de su receptor, el cualpuede volver a ser incluido en vesıculas de recicladoque se dirigen de nuevo al TGN del aparato de Golgi.

6. Transcitosis

En algunos tipos celulares existe una ruta vesicularadicional denominada transcitosis. En estas celulaslas moleculas unidas a receptor que llegan en vesıculasa los endosomas tempranos no se desligan de su recep-tor y ambos, receptor y ligando, son de nuevo empa-quetados en otras vesıculas para ser transportadas aotros lugares de la membrana citoplasmatica distintosa aquellos en los que se originaron, donde se fusionany liberan su contenido al espacio extracelular. Estasrutas suelen darse en las celulas polarizadas como lasepiteliales. Por este mecanismo se incorporan elemen-tos como el hierro.



Figura 22: Ruta de las hidrolasas acidas. Estas enzi-mas se sintetizan en el retıculo endoplasmatico (1) y sontrasladadas hasta el aparato de Golgi (1) donde se lean;ade un grupo fosfato a un residuo de manosa (2). Enel TGN esta manosa-6-fosfato es reconocida por recep-tores especıficos (3), receptor-hidrolasa son englobados envesıculas (3) y transportados hasta los cuerpos multivesic-ulares y endosomas tardıos. En estos organulos hay unaacidez mayor que hace que la hidrolasa se desligue de suligando (4). El receptor es devuelto al TGN en vesıculasde reciclado (5).

7. Exosomas

Algunos tipos celulares como las celulashematopoyeticas, los linfocitos, las celulasdendrıticas, las celulas epiteliales intestinales,los mastocitos y las celulas tumorales, realizan untipo de trafico vesicular un tanto extrano. Loscuerpos multivesiculares, en vez de convertirse enlisosomas, se fusionan con la membrana plasmaticaliberando sus vesıculas internas (de 30 a 60 nm dediametro) al espacio extracelular (Figura 23). Aestas vesıculas liberadas se les denomina exosomas yposeen una composicion molecular distinta a otroscompartimentos intracelulares, por ejemplo poseenmucho colesterol y esfingomielina.

Figura 23: Liberacion de las vesıculas internas de loscuerpos multivesiculares por fusion con la membranaplasmatica, que una vez en el exterior celular se denom-inan exosomas.

8. Macroautofagia

Hay un mecanismo para formar endosomas que nodepende de la endocitosis. Todas las celulas realizanun proceso de digestion de organulos o componentecelulares internos denominado autofagia. Hay distin-tos tipos de autofagia, una de ellos es la macroautofa-gia, que se pone en marcha bajo diversas circustanciascomo la escasez de alimentos, inducion por ligandos,o estres celular en general. La macroautofagia con-site en el englobamiento por parte de cisternas delretıculo endoplasmatico de organulos o una porciondel citoplasma celular. Cuando se cierran las mem-branas del retıculo se forma un compartimento de-nominado autofagosoma, el cual madurara hasta fu-sionarse con los lisosomas, igual que ocurre con losendosomas tardios/cuerpos multivesiculares.

9. Patologıa

Numerosas bacterias usan la vıa endocıtica, sobretodo fagocitosis, aunque tambien macropinocitosis,para infectar a las celulas. El ambiente acido delos endosomas les es favorable para proliferar y de-spues cruzar su membrana hasta el citosol. Inclusotienen moleculas inhibidoras de la fusion de los endo-somas con los lisosomas y ası evitar su degradacion.Tambien numerosos virus infectan las celulas a travesde los endosomas.



8 Lisosomas

Metchnikoff y sus colaboradores articularon a finalesdel siglo XIX la idea de que el material fagocitadoera digerido en compartimentos intracelulares acid-ificados. Estos compartimentos fueron descubiertospor C de Duve en 1955 y denominados lisosomas.Aparecen en todas las celulas eucariotas. Se diferen-cian de los endosomas porque no poseen receptorespara la manosa 6-fosfato y por poseer un pH masacido. Los lisosomas son organulos donde se producela degradacion de moleculas que provienen vıa endoc-itosis o del interior celular a partir de autofagia. Re-cientemente, a los lisosomas se le atribuye una funciontrasncedental para la celula como sensores del estadometabolico de la celula.

1. Estructura

Son corpusculos generalmente esfericos de dimen-siones variables, de unos 100 a 150 nm de diametro,con una unidad de membrana y pueden llegar a repre-sentar el 5 % del volumen celular, dependiendo de latasa de digestion que se este llevando en la celula. ElpH interno de los lisosomas es acido, en torno a 5, y esen ese valor donde las enzimas lisosomales muestransu maxima actividad, por lo que se llaman hidrolasasacidas. Este pH se consigue gracias a bombas de pro-tones que hay en sus membranas (bomba de protonesvacuolar: v-ATPasa) y que introducen protones en ellisosoma acidificando su interior. La membrana de loslisosomas protege al resto de la celula de esta activi-dad destructora. Esta proteccion se cree que se llevaa cabo por la capa de glucidos unidos a las proteınasde la membrana que recubre la superficie interna, yque forman una especie de ”glicocalix lisosomal” conlos azucares muchos mas compactados pero de tansolo unos 8 nm de espesor. Es decir, los glucidos aso-ciados a la monocapa interna actuarıa como barrerapara impedir el contacto entre las enzimas y la mem-brana lisosomal. Pero si esta se rompiese, el pH cito-plasmatico, proximo a 7,2, serıa un obstaculo para laactividad de estas enzimas.

No todos los lisosomas son iguales y pueden con-tener juegos diferentes de enzimas. Cualquier defectoen alguna de las enzimas que existen en los lisoso-mas puede acarrear graves consecuencias, puesto que

los productos que ellas deberıan degradar quedarıanalmacenados en la celula como productos residuales.Por ejemplo, la enfermedad de la glucogenosis tipo II.En estos individuos la β-glucosidasa, que cataliza ladegradacion del glucogeno, esta ausente y por ello haygrandes cumulos de glucogeno en los organos, que sue-len ser letales. Los lisosomas reciben distintos nom-bres segun el estado de degradacion de las moleculasque contienen: primarios, secundarios y cuerpos resid-uales. Los cuerpos residuales contienen material queya no puede ser degradado y quedan almacenados enel interior celular o, como veremos mas adelante, sefusionan con la membrana plasmatica expulsando di-cho material el medio extracelular.

Los lisosomas contienen transportadores de mem-brana especıficos que van a permitir que los pro-ductos de la degradacion, tales como aminoacidos,azucares, nucleotidos, puedan ser transportados alcitosol. Tambien en la membrana del lisosoma haycanales que permiten el paso de iones como el pota-sio, sodio, cloro y calcio. El movimiento de estos ionescrean un potencial de membrana en la membrana liso-somal de unos -40 a -20 mV en reposo. Este potencialayuda a regular el gradiente de protones, y otras ac-tividades lisosomales. Tambien posibilita la liberacionde calcio durante la exocitosis de los lisosomas. El ionmas abundante en el interior del lisosoma es el sodio.

2. Funciones

Degradacion

La funcion degradative de los lisosomas es esencialpara muchas funciones: degradar comida durante lafalta de alimentos, eliminacion de componentes celu-lares danados, terminacion de las senales mitoticas,eliminacion de patogenos intracelulares e intracelu-lares y remodelacion de tejidos y celulas.

Hay tres vıas por las que llegan a los lisosomas lasmoleculas que se tienen que degradar:

a) Los lisosomas son considerados como la estacionfinal de la vıa endocıtica. La mayorıa de las moleculasque van a ser degradadas por esta vıa tienen que pasarpreviamente por los endosomas. Las proteınas que nose reciclan de nuevo a la membrana plasmatica o alTGN del aparato de Golgi desde los compartimentosendosomales son degradas en los lisosomas. La for-



macion de los lisosomas es un asunto controvertido.Unos autores proponen que se forman por gemacion omaduracion a partir de los endosomas tardıos que yacontienen todas las enzimas degradativas necesariasası como las moleculas a degradar. Otros autores pro-ponen que los lisosomas son organulos independientesde los endosomas y que la llegada de moleculas al liso-soma se produce por fusion entre endosomas tardıos ylisosomas. De hecho se han encontrado moleculas quefavorecen el reconocimineto y fusion entre endosomasy lisisomas. Sin embargo, ambos procesos prodrıanocurrir en la misma celula.

Para que las proteınas integrales de la membranaplasmatica sean dirigidas a los lisosomas se ha deproducir una ubiquitinacion de su parte citosolica, esdecir, la adicion de una molecula denominada ubiq-uitina. Ello es necesario para que las proteınas demembrana interaccionen con la maquinaria de repartoque se encuentran en los endosomas y no vuelvana la membrana citoplasmatica en vesıculas de reci-clado. Las interacciones con diversos complejos prote-icos mantienen a las proteınas ubiquitinadas en zonaslimitadas de la membrana endosomal, que poseen unacubierta en la que esta presente la clatrina. Todo ellohace que sean retenidas en los endosomas tempranosy despues transportadas a los cuerpos multivesicu-lares, a los endosomas tardıos, y de ahı a los liso-somas, donde se degradan. Este mecanismo afectaa receptores, transportadores, canales, etcetera. Losreceptores que no son ubiquitinados, pero sı endocita-dos, cuando llegan a los endosomas tempranos suelenreciclarse hacia la membrana celular.

b) Las partıculas obtenidas por fagocitosis siguenuna vıa propia. Las partıculas como bacterias o restoscelulares quedan en el interior celular englobadas pormembrana formando un compartimento que madu-rara y se convertira en el denominado fagosoma. Ladegradacion de estas partıculas se produce cuando sefusionan los fagosomas con los lisosomas.

c) Una tercera vıa de llegada de moleculas a los liso-somas es la autofagia. Es un proceso ubicuo por el quelos organulos deteriorados o material interno celularson eliminados. Los lisosomas participan en los difer-entes tipos de autofagia. En la macroautofagia cis-ternas del retıculo endoplasmatico engloban material

interno celular que va a ser degradado formandoseun compartimento denominado macroautofagosoma.Este compartimento se fusionara con lisosomas y elmaterial que contiene sera degradado.

Hidrolasas acidas

Pero ademas a los lisosomas han de llegar las hidro-lasas acidas encargadas de la degradacion. Se han en-contrado aproximadamente 60 tipos de enzimas liso-somales que degradan proteınas (proteasas), lıpidos(lipasas), sacaridos (glicosidasas) y nucleotidos (nu-cleasas). Estas enzimas se empaquetan en vesıculasen el TGN del aparato de Golgi, las cuales se fu-sionaran con los endosomas tardıos y desde ahı lle-gan a los lisosomas. El mecanismo de seleccion deestas enzimas lo vimos en el apartado dedicado a losendosomas. En el aparato de Golgi se anade a lasenzimas lisosomales un grupo glucıdico fosfatado, lamanosa-6-fosfato, que es reconocido por un receptoren el TGN del aparato de Golgi. La interaccion deldominio citosolico de este receptor con la cubierta declatrina permite englobar al receptor mas la hidro-lasa en vesıculas que se dirigiran hacia los endosomastardıos, y desde ahı hasta los lisosomas. Aunque estesea el mecanismo principal existen otras proteınas queno requieren la fosforilacion de las manosas para ir alos lisosomas. Estas proteınas son las integrales dela membrana. Estas proteınas contienen una secuen-cia de aminoacidos de destino que se encuentra en lacara citosolica de la proteına. Cuando alguna de es-tas hidrolasas estan mutadas los lisosomas no puedendegradar ese molecula concreta y se producen diversasenfermedades segun la acumulacion de productos de-terminados. Cuando se acumulan lıpidos hay ademasdanos colaterales en mitocondrias y una inhibicion dela autofagia.

Sensor metabolico

Los lisosomas no solo son lugares de degradacionsino que participan en la percepcion del estadometabolico de la celula. Se ha observado quehay dos poblaciones de lisosomas segun su local-izacion en la celula. Una perinuclear mas involu-crada en la degradacion, y otra periferica relacionadacon la percepcion de la disponibilidad de recursos.Esta poblacion periferica tambien participa en lareparacion de la membrana plasmatica tras roturas.



mTOR (en ingles: target of rapamycin) es unaquinasa de serina/treonina muy coservada evolutina-mente. Hay dos isoformas: mTORC1 y mTORC2.mTORC1 regula el crecimiento y la division celular,y responde a bajos niveles de nutrientes, senales decrecimiento o energıa en la celula, equilibrando an-abolismo (sıntesis) y catabolismo (degradacion). Lalocalizacion de esta proteına en la superficie del liso-soma es crıtica para su funcion. En la membranadel lisosoma hay sensores que detectan el nivel deaminoacidos dentro y fuera del lisosoma. mTORC1esta activada en condiciones de abundancia de ali-mento. Cuando hay escasez de alimento nTORC1es inactivada y se inicia el proceso de macroautofa-gia (degradacion de material interno para obtener en-ergıa mediante englobamiento por membranas). Lainactivacion de mTORC1 produce en primer la acti-vacion de los genes que disparan la macroautofagiay en segundo lugar el desplazamiento de los lisoso-mas perifericos hacia el interior celular para que estosse unan a los autofagosomas (grandes compartimen-tos que acaban de englobar material interno celular) yproducir ası la degracion de su contenido para obtenerenergıa.

En estos procesos de degradacion intensa relaciona-dos con la macroautofagia hay un aumento de la ac-tividad lisosomal, pero a la vez una disminucion delnumero de lisosomas, puesto que se han fusionadocon los autofagosomas para crear los autofagoliso-somas (compartimentos que ya estan realizando ladegradacion). Hay un mecanismos denominado ALR(en ingles: auphagic lysosome reformation), o regen-eracion autofagica de los lisosomas, mediante el cual,tras producirse la degradacion del material en los aut-ofagolisosomas, las membranas de estos compartimen-tos empiezan a formar tubulos y a generar vesiculasde los extremos de esos tubulos. Estas nuevasvesıculas son en realidad proto-lisosomas que iranmadurando (acidificandose) hasta formar lisosomasmaduros, regenerando ası la poblacion normal de liso-somas. En este proceso participan fosfoinosıtidos dela membrana del compartimento, proteınas adapta-doras como la AP2, clatrina, dinamina, microtubulosy kinesina.

Exocitosis

Se ha creıdo tradicionalmente que los lisosomastienen una intercomunicacion muy limitada en la rutavesicular cuando se compara con cualquier otro com-partimento membranoso y se han considerado comoun compartimento terminal. Durante los ultimosanos se han ido acumulando evidencias acerca deotra funcion de los lisosomas: su capacidad de par-ticipar en una exocitosis regulada. Por ejemplo, enel hıgado se secretan enzimas lisosomicas a la bilis.Tambien se ha observado la exocitosis de organuloscon caracterısticas similares a los lisosomas como esel caso de los melanocitos (los granulos de melaninaque pasaran a los queratinocitos que daran el colormoreno a la piel). El acrosoma de los espermato-zoides, una vesıcula cargada de numerosas enzimashidrolıticas, se libera durante la fecundacion. Se hapropuesto desde hace tiempo que las celulas eucar-iotas son capaces de eliminar las sustancias que nopueden degradas mas y esto serıa posible si los liso-somas terminan por expulsar su material cuando sefusionan con la membrana plasmatica. En las celulasde mamıferos donde solo se produce secrecion consti-tutiva se ha visto que bajo ciertas condiciones puedenrealizar exocitosis regulada, por ejemplo, por una el-evacion de la concentracion de calcio intracelular, locual ocurre, por ejemplo, durante las pequenas ro-turas de la membrana citoplasmatica, como vimos enel apartado dedicado a las membranas.

3. Organulos relacionados

Algunas celulas tienen organulos que se puedenrelacionar con los lisosomas (LRO: lysosomal relatedorganules) por su composicion molecular y carac-terısticas fisiologicas, o son directamente lisosomasmodificados. Entre ellos estan los melanosomas delos melanocitos, granulos azurofilos y basofilos de losleucocitos y mastocitos, granulos lıticos de los linfoci-tos T, granulos densos de los megacariocitos, cuerposlamelares de las celulas tipo II del pulmon, cuerpoWeibel-Palade de las celulas entoteliales y granulosde los osteoclastos. La funcion de la mayorıa de estosorganulos es liberar contenido cuando la celula recibeciertos estımulos.



4. Patologıas

Se han detectado mas de 60 enfermedades asociadasa los lisosomas. Fallos en las hidrolasas o permeasas ll-evan a enfermedades severas denominadas desordenesde almacenamiento lisosomales, que conllevan mal-funcionamiento metabolico, neurodegeneracion, e in-

hbicion severa del crecimiento. Por ejemplo, la enfer-medad de Niemann-Pick tipo C se debe a la ausenciade transportadores de colesterol (NPCI y NPCII) quelleva a una acumulacion de colesterol en los lisosomas.Durante el envejecimiento se produce una perdidaprogresiva de la actividad lisosomal que parece con-tribuir a los problemas asociados a la edad.



9 En celulas vegetales

Las rutas del trafico vesicular en las celulas vegetalessiguen el mismo esquema basico que el de las celulasanimales. Sin embargo, presentan algunas diferen-cias (Figura 24). En las celulas vegetales destacan lasvacuolas, organulos que realizan funciones esencialesy que necesitan comunicarse con otros organulos celu-lares. Ademas, los procesos de endocitosis y exocitosisestan menos desarrollados que en las celulas animales,y no se han encontrado endosomas tempranos ni de re-ciclado, haciendo esta funcion el compartimento TGNdel aparato de Golgi.

Figura 24: Esquema resumido del trafico vesicular en unacelula vegetal (Modificado de Hawes et al., 1999. Paraincorporar trafico no convencional ver Gorin y Di Sanse-bastiano 2017).

Al igual que en las celulas animales, el retıculoendoplasmatico es el lugar de sıntesis de nuevasproteınas, lıpidos y algunos azucares que entran en laruta vesicular. En el retıculo se dan tambien procesosde control de calidad de las proteınas sintetizadas.

Las zonas del retıculo endoplasmatico que se comu-nican con el aparato de Golgi y las propias cisternasdel aparato de Golgi estan muy proximas fısicamente.En las celulas vegetales no existe un aparato de Golgicentralizado como ocurre en las celulas animales sinovarios dispersos por la celula. Algunos autores incluso

dudan de que ambos organulos esten comunicados porvesıculas, sino por contacto directo mediante puentesmembranosos. De cualquier modo, sea comunicacionvesicular o no, lo que parece no existir es un comparti-mento ERGIC (complejo intermedio entre el retıculoy el Golgi).

Ademas de hacia el aparato de Golgi, el retıculoendoplasmatico puede enviar vesıculas hacia las vac-uolas. Esta ruta se ha demostrado porque en al-gunas vacuolas de almacenamiento la mayorıa delas proteınas no estan glucosidadas. Esta comuni-cacion puede ser indirecta puesto que las vesıculas delretıculo endoplasmatico se fusionan con un compar-timento denominado intermedio, el cual se fusionarıacon las vacuolas de almacenamiento. Otra vıa directaentre retıculo endoplasmatico y vacuolas mediado porvesıculas parece estar relacionado con la autofagia.Tambien existen indicios de que existe una vıa di-recta desde el retıculo endoplasmatico hasta la mem-brana plasmatica, aunque no esta completamente de-mostrado.

La vıa por defecto es la que lleva desde el retıculoendoplasmatico al aparato de Golgi. En el aparato deGolgi se sintetizan carbohidratos importantes para lapared celular y es una estacion de reparto de material.Desde el aparato de Golgi se envıan vesıculas hacia loscompartimento prevacuolares, los cuales, tras madu-rar, se fusionaran con las vacuolas, y tanto sus mem-branas como su contenido formara parte de la vacuola.Se cree que las vacuolas de almacenamiento y lıticasse fusiona en las celula adultas modificando por tantolas rutas de trafico vesicular. Existe tambien unavıa de reciclado desde el compartimento prevacuolaral aparato de Golgi. El destino por defecto desdeel aparato de Golgi es la membrana plasmatica conla funcion principal de renovar sus moleculas y con-tribuir a la sıntesis y modificacion de la pared celu-lar. Tanto las proteınas destinadas a las vacuolas dealmacenamiento como a las lıticas necesitan senalesque las etiqueten hacia sus destinos, pero las que vana la membrana no necesitan senal y no se conoce elmecanismo por el cual son empaquetadas en vesıculashacia la membrana.

Las vesıculas de endocitosis se fusionan principal-mente con el dominio TGN del aparato de Golgi o



directamente con las vacuolas. La endocitosis enplantas es poco conocida y parece que su impor-tancia es menor que en los animales. Poseen en-docitosis mediada por vesıculas recubiertas por clat-rina y tambien endocitosis independiente de clatrina.Aunque hay evidencias de la existencia de endocitosisy de su maquinaria en plantas, se han perdido algunasproteınas, como algunas Rab, respecto a otros gruposde eucariotas. Son aquellas relacionadas con los fago-somas, los cilios y los lisosomas. Por ejemplo, Rab20y Rab22 son importantes para los autofagosomas. Es-tas Rab se habrıan perdido en la lınea evolutiva de laplantas. Tampoco se ha encontrado endocitosis me-diada por caveolina. La endocitosis esta regulada pormuchos factores. Ası, hormonas como la auxina, porunion a sus ligandos, controlan los transportadores demetales y por tanto la concentracion de metales queabsorve la raız.

En las plantas no se han caracterizado compar-timentos que se asemejen a los endosomas tempra-nos y de reciclado que hay en la celulas de los ani-males. Esta funcion la desempena el dominio TGNdel aparato de Golgi. Sin embargo, los compartimen-tos prevacuolares se han homologado con los endo-somas tardıos/cuerpos multivesiculares. Estos com-partimentos prevacuolares se originarıan a partir delTGN del aparato de Golgi (o desde el retıculo endo-plasmatico). En las celulas de las plantas hay evi-dencias de la liberacion de exosomas, las vesıculas delos compartimentos prevacuolares que quedan en elexterior celular tras fusionarse estos compartimentos

con la membrana plasmatica. Las celulas vegetalesno poseen lisosomas tıpicos, pero sı procesos degrada-tivos que se dan en las vacuolas digestivas o lıticas.

Las vacuolas son organulos delimitados por unamembrana con diversas funciones (digestion, alma-cenamiento, mantenimiento de la presion hıdrica,etcetera). Tambien son variadas en cuanto a formasy tamanos. Aunque funcionalmente distintas, puedenfusionarse y formar una gran vacuola central. Lasvacuolas lıticas son equivalentes a los lisosomas de lascelulas animales y se encargan de degradar materialesde desecho. Las de almacenamiento son importantesdurante la germinacion de semillas o para la respuestade los vegetales a senales ambientales. Sin embargo,la mas importante es la vacuola central que regula elbalance hıdrico de la celula.

En plantas existe otro compartimento membra-noso que es pasajero y que se forma durante la di-vision celular. Se denomina fragmoplasto. El frag-moplasto es la estructura formada por microtubulosy vesıculas a partir de la cual se formaran las mem-branas plasmaticas de dos celulas durante la citocine-sis y tambien formara la lamina media de la paredcelular que las separara. Su creacion esta condi-cionada por la actuacion del citoesqueleto, el cualdirige las vesıculas que previenen desde el aparato deGolgi hasta la zona central, donde se fusionan paraformar la placa central. Esta es el ruta vesicular pordefecto cuando la celula se esta dividiendo.



10 Vacuolas

Las vacuolas son compartimentos delimintados poruna sola membrana y presentes en las celulas vege-tales y hongos, incluidas las levaduras. Son un ele-mento esencial para la funcion de las celulas de lasplantas: mantienen la forma y el tamano de la celulamediante turgencia y almacenan sustancias de diversotipo, ademas de ser centros de degradacion.

1. Caracterısticas

Normalmente son organulos muy grandes, pudiendorepresentar en las celulas maduras hasta el 90 % delvolumen celular total (Figuras 25 y 26). Son el com-partimento mas grande de las celulas vegetales. Elnombre de vacuola viene del latın ”vacuus” que sig-nifica vacıo, lo cual es claramente un error puestoque siempre estan llenas de soluciones acuosas maso menos concentradas. La membrana de las vacuolasse denomina tonoplasto y es una parte esencial en lafuncion de estos organulos.

Figura 25: Esquema de una celula parenquimatica tıpicaque contiene una vacuola central.

La forma de las vacuolas es normalmente re-dondeada, aunque en realidad depende de las circun-stancias de la celula. Ası, puede alternar entre unagran vacuola con su membrana lineal ocupando la

Figura 26: Imagenes de parenquima clorofılico de tojo(izquierda y arriba) donde se observan los cloroplastos, losnucleos y la vacuola (espacio claro) ocupando la mayorparte del volumen celular. La imagen de abajo (derecha)es parenquima clorofılico de hoja de pino a menor aumentodonde se observan las vacuolas con su contenido tenido.

mayor parte de la celula o hacer numerosos replieguesen su membrana y crear estructuras pasajeras ymoviles tales como las hebras transvacuolares y losbulbos. Las hebras transvacuolares son pequenoscanales o conductos que estan en el interior de lavacuola y comunican diferentes partes del tonoplasto.Por estos conductos viaja citosol e incluso algunosorganulos como cisternas del aparato de Golgi, mi-tocondrias, plastos, y endosomas. Son caminos porlos que se comunican directamente regiones del cito-plasma periferico, incluyendo a la region perinuclear.Contribuyen tambien a la posicion del nucleo. Songobernados por los filamentos de actina. Los bulbosson estructuras independientes y esfericas de 1 a 22µm de diametro que se localizan en el interior vac-uolar. Estan formados por una doble membrana yhay material citoplasmatico entre ambas membranas.Algunos autores proponen que podrıan ser artefactos.

La formacion de nuevas vacuolas se produce porla fusion de vesıculas liberadas desde el lado transdel aparato de Golgi. La fusion de estas vesıculasforman las denominadas provacuolas, de las cualespuede haber cientos en las celulas meristematicas. Lasprovacuolas a su vez se fusionan para formar vacuolas



de mayor tamano hasta que forman la vacuola princi-pal. Sin embargo, el retıculo endoplasmatico podrıaestar tambien directamente implicado en la formaciony crecimiento de las vacuolas en algunos tipos celu-lares, sobre todo en las semillas. Una vez formadas,la llegada de vesıculas desde principalmente el aparatode Golgi y la membrana plasmatica contribuyen a sutamano.

En las plantas hay diferentes tipos de vacuolas de-pendiendo de la funcion que lleven a cabo. Una mismacelula puede contener distintos tipos de vacuolas, in-cluso una misma vacuola puede cambiar su reperto-rio de moleculas para realizar una funcion diferentea la que venıa haciendo. Hay dos grandes tipos devacuolas: las que almacenan proteınas y las lıticas.Se diferencian por su pH, que es acido en las lıticasy neutro en las que funcionan como almacen. Lasque almacenan proteınas se encuentran sobre todoen semillas donde acumulan muchas proteınas parala germinacion. Tambien almacenan moleculas an-tipatogenos. Las vacuolas lıticas son las predomi-nantes en la mayorıa de las celulas de la planta. Poreso tambien se llaman vacuolas vegetativas o princi-pales. Estas forman un gran compartimento con unasolucion acida diluida que contiene sales (potasio, so-dio), metabolitos (azucares, acidos organicos) y al-gunos pigmentos. Algunos de estos componentes sonintroducidos en contra de gradiente de concentraciondesde el citosol. El pH tıpico de la vacuola vegetativaes de 5 a 5.5, aunque puede llegar a 2 en el limon, oincluso 0.6 en algunas algas.

2. Funciones

La vacuola es un organulo central en la fisiologıa yhomeostasis de las celulas vegetales, lo cual implicarealizar una variedad de funciones, las cuales puedendepender del tipo celular considerado. Entre las prin-cipales funciones de las vacuolas estan las de mantenerla forma y tamano de la celula mediante turgencia,almacen (azucares, metabolitos, lıpidos, aminoacidos,enzimas, proteınas, antocianinas). Tambien sustan-cias toxicas y moleculas dedicadas la defensa de lasplantas contra patogenos y herbıvoros.

Turgencia

La turgencia celular es una medida de la presion

hidrostatica ejercida contra las paredes celulares delas celulas vegetales. Esta turgencia esta controladapor las vacuolas, las cuales pueden incorporar sus-tancias, como iones, en su interior para crear ambi-entes osmoticos variables respecto al citoplasma, loque produce flujos de entrada y salida de agua. Estacapacidad de transporte de moleculas en contra degradientes reside fundamentalmente en la membranade la vacuola, donde hay dos bombas (ATPasa-H+ ypirofosfatasa-H+) que crean gradientes de protonescon gasto de energıa, y que son utilizados para eltransporte de otras moleculas. La capacidad de acu-mular agua en la vacuola es crucial para el crec-imiento del tamano celular tras la mitosis, que sepuede incrementar de 10 a 20 veces el tamano inicial,lo cual es un factor importante en el crecimiento delos organos vegetales. El crecimiento mediante tur-gencia es una buena estrategia, puesto que se gastamenos energıa en introducir agua en la celula que ensintetizar proteınas nuevas (que es lo que hacen lascelulas animales para crecer). Es interesante que estaacumulacion de agua se haga en la vacuola, porquesi se hiciera en el citoplasma, el contenido de este sediluirıa tanto que la celula no serıa viable.

Almacen de sustancias

Las vacuolas son un punto de llegada del traficovesicular y, dependiendo del tipo celular, son centrosde almacenamiento de azucares y proteınas. Esto esparticularmente claro en las semillas donde las vac-uolas son centros de almacenamiento proteico, reser-vas que seran movilizadas durante la germinacion.Despues, en las celulas diferenciadas, estas vacuolasse convierten en lıticas. Por otra parte, las plan-tas no tienen un sistema de excrecion como los an-imales, ni se pueden mover para evitar sustanciastoxicas, de manera que la estrategia es almacenarlas.Ası, en las vacuolas se almacenan algunos productosde desecho del metabolismo y sustancias potencial-mente toxicas para la celula como metales pesadostales como el cadmio, zinc o nıquel. Pero tambienalmacenan otras sustancias como algunos pigmentos,por ejemplo las antocianinas en los petalos (acumu-ladas en las celulas epidermicas), sustancias toxicaspara evitar a los herbıvoros, resinas, alcaloides comoel opio, etcetera. Gran parte del sabor de las frutas yverduras se debe a las moleculas que se acumulan en



las vacuolas. Degradacion

Las vacuolas lıticas se dan en tejidos vegetativosde la planta, por eso tambien se llaman vacuolasvegetativas. En estas vacuolas se acumulan enzi-mas como proteasas y nucleasas, ademas de un con-junto de proteınas relacionadas con la defensa frentea patogenos. Las vacuolas tienen un pH acido queconsiguen con bombas de protones localizadas en susmembranas. De este modo actuan como lugares parala degradacion de moleculas. Tendrıan una misionsimilar a los lisosomas de las celulas animales. Aligual que los lisosomas, tambien participan en los pro-cesos degradativos durante la autofagia. En las vacuo-las se encuentran las denominadas enzimas vacuolaresprocesadoras las cuales participan en la conversion delos precursores moleculares que llegan a la vacuolaen productos activos y tambien en el mecanismo deapoptosis.

Apoptosis

Las vacuolas participan en la apoptosis de plantaspor un proceso denominado autolisis. Hay un tipo demuerte celular de las celulas vegetales que se llamamuerte celular hipersensitiva, que se produce cuandose rompe la membrana de la vacuola.

Otras

Hay vacuolas especializadas en diferentes tejidos.Por ejemplo, en los tegumentos internos de la cubiertade las semillas acumulan flavonoides, los cuales dancolor a los petalos, protejen de los rayos ultravioletaa semillas y a otras estructuras, sirven como defensafrente a estres. Estas moleculas son sintetizadas enlas membranas del retıculo, pero en su lado citosolicoy translocados a las vacuolas para su procesamientofinal. Cruzan la membrana gracias a unos transporta-dores especıficos. Aunque podrıan tambien entrar enel propio retıculo y desde ahı ser transportados a lasvacuolas por el trafico vesicular.

Algunas plantas, como las brasicales, tienen vacuo-las en sus partes vegetativas que funcionan como repe-lestes de hervıboros puesto que acumulan proteınas,como las mirosinasas, que al ser liberadas por elhervıboro degradan otros compuestos de la hoja ydan productos toxicos para el animal. Las celulasque acumulan mirosinasas en sus vacuolas se llaman

celulas de mirosina y se localizan cerca de los hacesconductores de las hojas.

Las plantas carecen de sistema inmune por lo quecada celula tiene que protegerse a sı misma. En lavacuola se hayan proteınas de defensa y enzimaticas.Hay dos mecanismos de defensa que llevan a cabo lasvacuolas (Figura 27): el colapso de su membrana y lafusion de esta con la membrana plasmatica. Las in-fecciones vıricas llevan a la rotura de la membranade la vacuola y a la liberacion de sus enzimas alcitosol, donde degrada los virus que se encuentren pro-liferando en el citosol. La fusion de la membrana de lavacuola con la membrana permite liberar las enzimasy proteınas de defensa al exterior celular y atacar alas bacterias que proliferan extracelularmente.

Figura 27: Mecanismos de proteccion de las vaculas. Ro-tura de su membrana y degradacion del contenido cito-plasmatico o fusion con la membrana plasmatica y lib-eracion de las enzimas lıticas al exterior celular. (Modi-ficado de Shimada et al., 2018)

3. Ruta vesicular

Las vacuolas forman parte de la ruta del traficovesicular. Mas concretamente se pueden considerarcomo producto final resultado del trafico vesicular,puesto que la formacion y mantenimiento de las vac-uolas depende del sistema de este trafico. A ellas lle-gan vesıculas con moleculas que tiene que almacenar,



o enzimas para la degradacion, ası como todos lasmoleculas que componen su membrana. A la vacuolase puede llegar por diferentes caminos:

Retıculo endoplasmatico - Aparato de Golgi - Vac-uola; Retıculo endoplasmatico - Aparato de Golgi -Compartimento prevacuolar - Vacuola. Esta ruta esla tıpica para llevar enzimas hidrolıticas a la vac-uola. Los compartimentos prevacuolares se podrıanequiparar a los cuerpos multivesiculares de los ani-males. Al contrario que en las celulas animales, lasenzimas lıticas no poseen una manosa-6 fosfato parasu seleccion en el lado trans del aparato de Golgi,sino que se realiza mediante un peptido senal que con-tienen en su secuencia de aminoacidos. Hay peptidossenal especıficos para las vacuolas lıticas y otros paralas vacuolas de almacen. Todas las proteınas que vana las vacuolas necesitan un senal de reparto especıfica.Hay 3 senales: secuencias especıficas de aminoacidos,aminoacidos hidrofobos y otras no conocidas. Paracada una tiene que haber receptores especıficos.

Retıculo endoplasmatico - Vacuola. Directamentedesde el retıculo endoplasmatico rugoso. Vıa queparece importante en celulas como las de las semillas,donde el material que se aporta es fundamentalmentede reserva. Esta ruta serıa muy frecuente en estascelulas, mientras que en otros tipos celulares como enlas hojas serıa relativamente rara. Las vesıculas quese forman para este transporte son independientes dela cubierta COP II, que es necesaria para llegar alaparato de Golgi. En este camino directo a la vacuolahay a veces una parada en forma de compartimentosintermedios, los cuales son compartimentos pasajerosdonde se retienen a las proteınas antes de que lleguena la vacuola. Esta vıa directa retıculo-vacuola pareceser una modificacion del mecanismo molecular de laautofagia que las plantas utilizan para almacenar sus-tancias en la vacuola.

Membrana celular - Vacuola. Las vesıculas de en-docitosis se pueden fusionar directamente con la vac-uola, la cual actuarıa como los endosomas tempranos.



11 Bibliografıa

Antonny B, Schekman R. 2001. ER export: publictransportation by the COPII coach. Current opinionin cell biology. 13:438-443.

Cabrera M, Ungermann C. 2010. Guiding endoso-mal maturation. Cell. 141:404-406.

Cheng JPX, Nichols BJ. 2016. Caveolae: onefunction or many? Trends in cell biology. doi:10.1016/j.tcb.2015.10.010.

Dikeakos, J.D., Reudelhuber, T.L. 2007. Sendingproteins to dense core secretory granules: still a lotto sort out. Journal of cell biology. 117; 191-196.

English AR, Zurek N, Voeltz GK. 2009. PeripheralER structure and function. Current opinion in cellbiology. 21:506-602.

Daleke DL. 2007. Phospholipid Flippases. Thejournal of biological chemistry. 282:821-825.

Farquhar, MG, Palade GE. 1981. The Golgi ap-paratus (Complex) - (1954-1981) - from artifact tocenter stage. The journal of cell biology. 91: 77s-173s.

Glick, BS, Luni A. 2011. Models for Golgi traffick:a critical assessment. Cold Spring Harbor perspec-tives in biology. 3: a005215.

Gorin DR, Di Sansebastiano GP. 2017. Protein andmembrane trafficking routes in plants: conventionalor unconventional? Journal of experimental botany.69: 1-5.

Hawes CR, Brandizzi F, Andreeva AV. 1999. En-domembranes and vesicle trafficking. Current opinionin plant biology. 2:254-461.

Marty F. 1999. Plant vacuoles. Plant cell 11:587-600.

Mayor S. Pagano RE. 2007. Pathways of clathrin-independent endocytosis. Nature reviews in molecu-lar and cell biology. 8:603-612.

Neefjes J, Jongsma MML, Berlin I. 2017. Stop orgo? Endosome positioning in the establishment ofcompartment architecture, dynamics, and function.

Trends in cell biology. 27:580-594.

Nixon-Abell J, Obara, CJ, Weig VA, Li D, LegantWR, Xu CS, Pasolli HA, Harvey K, Hess HF , BetzigE, Blackstone C, Lippincott-Schwartz3 J. 2016. In-creased spatiotemporal resolution reveals highly dy-namic dense tubular matrices in the peripheral ER.Science. 354: 3928-2.

Paez-Valencia J, Goodman K, Otegui MA. 2016.Endocytosis and endosomal trafficking in plants. An-nual review in plant Biology. 67:309-335.

Pereira C., Pereira S, Pissarra J. 2014. Deliveringof proteins to the plant vacuole–an update. Interna-tional journal of molecular sciences 15: 7611-762.

Rind HB, Butowt R, von Bartheld CS. 2005.Synaptic targeting of retrogradely transportedtrophic factors in motoneurons: comparison of glialcell line-derived neurotrophic factor, brain-derivedneurotrophic factor, and cardiotrophin-1 with tetanustoxin. Journal of Neurosciences. 25, 539-549.

Saito K, Maeda M, Katada T. 2017. Regulationof the Sar1 GTPase cycle is necessary for large cargosecretion from the endoplasmic reticulum. Frontiersin cell and development biology. 5: 75.

Shimada T, Takagi J, Ichino T, Shirakawa M, Hara-Nishimura I. 2018. Plant vacuole. Annual reviewin plant biology. https://doi.org/10.1146/annurev-arplant-042817-040508.

Taiz L. 1992. The plant vacuole. Journal of exper-imental biology 172: 113-122.

Thery C. 2011. Exosomes: secreted vesicles andintercellular communications. F100 Biology reports.3:15. doi:10.3410/B3-15.

Vildanova MS, Wang W, Smirnova EA. 2015. Spe-cific organization of Golgi apparatus in plant cells.Biochemistry (Moscow). 79: 894-906.

Witkos TM, Lowe M. Recognition and tethering oftransport vesicles at the Golgi apparatus. Currentopinion in cell biology. 2017. 47:16–23.

Zanetti G, Pahuja KB, Studer S, Shim S, SchekmanR. 2012. COPII and the regulation of protein sortingin mammals. Nature cell biology. 14: 20-28.



Zhang C, Hicks G R, Raikhel NV. 2014. Plant vac-uole morphology and vacuolar trafficking. Frontiersin plant sciences 5: 476.


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