4. Retículo Endoplásmico

4. Retículo Endoplásmico

4.1 ¿Qué es?

El Retículo Endoplásmico es una red de membranas interconectadas, dividido en dos porciones: Retículo Endoplásmico Rugoso, que presenta ribosomas en su superficie citosólica, y el Retículo endoplásmico Liso, carente de ribosomas.

Gracias a sus funciones, se podría definir como el sitio de síntesis de proteínas, hormonas esteroideas, fosfolípidos y ácidos grasos, así como el secuestramiento de Ca⁺⁺ intracelular y donde se llevan a cabo reacciones de desintoxicación de las células.

4.2 Biosíntesis de membrana en el retículo endoplásmico

Las membranas sólo surgen de membranas preexistentes. Crecen a la vez que las proteínas y lípidos recién sintetizados se insertan en las membranas existentes del RE y pasan hacia todos los demás compartimientos de la célula.

Recordemos que las membranas se componen por dos hojas de fosfolípidos asimétricas. La mayor parte de los lípidos se sintetiza por completo dentro del RE, con excepción de la esfingomielina y glucolípidos, así como lípidos únicos de las membranas de las mitocondrias y los cloroplastos.

Las enzimas que participan en la síntesis de fosfolípidos son proteínas integrales de membrana del RE cuyos sitios activos se orientan hacia el citosol y los fosfolípidos recién producidos se insertan en la mitad de la bicapa dirigidos hacia el citosol.  Algunas de estas moléculas de lípidos se giran más tarde hacia la hoja contraria por acción de unas enzimas llamadas flipasas. Los lípidos son transportados en el RE al aparato de Gogli y la membrana plasmática como parte de la bicapa que constituye las paredes de las vesículas de transporte.

Cuando la membrana se mueve de un compartimiento al siguiente, sus proteínas y lípidos se modifican por efecto de las enzimas que residen en los diversos organelos de las células, lo que contribuye a que a cada compartimiento de membrana tenga una composición única y una identidad distintiva, lo cual es contribuido por varios factores:

• Enzimas que modifican los lípidos que ya están dentro de la membrana de los organelos y los convierten en un tipo de fosfolípidos.
• Algunos tipos de fosfolípidos se desprenden de un compartimiento y pueden incluirse de manera preferencial dentro de la membrana de la vesícula en formación, mientras que otros tipos se dejan atrás.
• Las células contienen proteínas de transferencia de lípidos que pueden unir y transportar a los lípidos a través del citosol acuoso de un compartimiento de membrana a otro sin la participación de vesículas de transporte.
• El Retículo Endoplásmico se mantiene continuo durante la división celular o bien, puede vesicularse durante la profase, y en la telofase, así como la envoltura nuclear se reforma, las vesículas se fusionan  para reconstruir el RE.

4.3 Estructura:                            

·        Membrana: 70% proteínas, 30% lípidos.

• La membrana mide aproximadamente 7nm de grosor.
• Además de la presencia de ribosomas, el retículo endoplásmico rugoso (RER) es diferente del liso (REL) en cuanto a que la estructura del RER consiste en sacos aplanados (cisternas) y el REL consiste en una red de túbulos interconectados
• El RE rugoso se continúa con la membrana externa de la envoltura nuclear
• Es particularmente abundante en las células secretoras (como los osteoblastos, las células acinares del páncreas y, ya que es el punto de entrada de la ruta de secreción donde las proteínas secretoras encuentran las maquinarias necesarias para el plegamiento, control de calidad y señalización.

4.4 Funciones

Retículo Endoplásmico Rugoso

El retículo endoplásmico rugoso es el punto inicial de la vía biosintética: Es el punto donde se sintetizan las proteínas, las cadenas de carbohidratos y fosfolípidos que viajan por los compartimientos membranosos de la célula.

Almacenamiento de proteínas

Síntesis de proteínas en ribosomas unidos a la membrana o en ribosomas libres

Los polipéptidos se sintetizan en dos puntos distintos dentro de la célula:

• Ribosomas unidos a la superficie citosólica de la mebrana del RER:
• Proteínas que secreta la célula
• Proteínas integrales de membrana
• Proteínas solubles que se encuentran en compartimientos del sistema endomembranoso (RE, aparato de Golgi, lisosomas, endosomas, vesículas y vacuolas vegetales).
• Ribosomas libres:
• Proteínas destinadas a permanecer en el citosol
• Proteínas periféricas de la superficie citosólica
• Proteínas que se transportan en el núcleo
• Proteínas que se incorporan a los peroxisomas, cloroplastos y mitcondrias.

El sitio de síntesis de una proteína depende de la secuencia de aminoácidos de la porción amino-terminal del polipéptido, conocida como “secuencia señal”, que dirige al polipéptido emergente y al ribosoma hacia la superficie de la membrana del Retículo Endoplásmico. El polipéptido se mueve en dirección al espacio de cisterna del retículo endoplásmico, un canal acuoso recubierto con proteína en la membrana del retículo endoplásmico. Esto ocurre al mismo tiempo de la traducción.

Síntesis de proteínas secretoras, lisosómicas o vacuolares vegetales en los ribosomas unidos a membranas

1.    El polipéptido es sintetizado en un ribosoma libre

2. Conforme emerge del ribosoma, el polipéptido se une a la partícula de reconocimiento de señal (SRP), el cual detiene la traducción hasta que el complejo SRP-ribosoma-cadena naciente se une con un receptor SR situado dentro de la membrana del RE.

3.    La unión de este complejo al receptor de SRP es seguida por la liberación de la SRP mediante la hidrólisis de GTP, y el ribosoma se enlaza con un translocón (Complejo Sec61) de la membrana del RE.

4. El contacto de la secuencia señal con el interior del translocón causa el desplazamiento del tapón y la abertura del pasaje, permitiendo que el resto del polipéptido se transponga a través de la membrana de manera cotraduccional.

5.    Una vez que el polipéptido naciente pasa a la luz del RE, el péptido señal se corta por acción de la peptidasa señal y la proteína se pliega con ayuda de carabinas como BiP.

Procesamiento de proteínas recién sintetizadas en el RE

• Peptidasa señal (enzima de membrana): Se encarga de retirar la porción amino-terminal que contiene el péptido señal.
• Oligosacariltransferasa (enzima de membrana): Agrega carbohidratos a la proteína naciente.
• Chaperonas moleculares: Reconocen a las proteínas mal plegadas y les dan la oportunidad de adquirir la estructura dimensional correcta (nativa).
• Disulfuro isomerasa de proteína (enzima en la luz del RE): Formación y reordenamiento de los enlaces disulfuro en las proteínas.

Síntesis de proteínas integrales de membrana en los ribosomas unidos a la membrana

Estas proteínas de membrana se traslocan a la membrana del RE conforme se sintetizan, con el mecanismo descrito anteriormente, sin embargo, contienen uno o más segmentos transmembranosos hidrófobos que son desviados directamente del canal del transmembranoso hacia el interior de la bicapa lipídica.

Los pasos se describen a continuación:

1. El polipépdio naciente entra al translocón justo como si fuera una proteína secretora, sin embargo la entrada de la secuencia transmembrana hidrófoba en el poro bloquea la translocación adicional del polipéptido naciente por el conducto.
2. Aquellos segmentos que sean lo suficientemente hidrófobos se “disolverán” de manera espontánea en la bicapa lipídica y al final se convertirán en segmentos transmembranosos de una proteína integral de membrana.
3. El extremo de carbono-α puede quedar en la luz y el extremo amino, en este caso, quedaría en el citosol, y visceversa.
4. Se piensa que la diferencia de cargas entre los fosfolípidos de la bicapa que se orientan hacia el citosol y hacia la luz contribuye a definir la topología de las proteínas de la membrana
5. Los segmentos transmembrana de la proteína adquieren una estructura secundaria con conformación helicoidal.

Glucosilación

Glucoproteínas: Proteínas unidos con oligosacáridos (glúcidos de cadenas cortas y sencillas).

Proteoglucanos: Proteínas con un contenido elevado de glúcidos

¿Por qué es importante la presencia de azúcares en el RE?

• La presencia de oligosacáridos tiende a hacer a las proteínas más resistentes a la acción de las proteasas.
• Los grupos carbohidrato funcionan como un sitio de unión para la interacción de la proteína con otras macromoléculas.
• Ayudan al correcto plegamiento de la proteína a la que están unidos.

¿Cómo se logra el orden de los azúcares en los oigosacáridos?

La disposición de los azúcares en las cadenas de oligosacáridos de una glucoproteína depende de la localización espacial de las enzimas específicas en la línea de montaje.

Pasos de la glucosilación:

El segmento basal del carbohidrato no se sintetiza directamente sobre la proteína, sino que se arma sobre un lípido portador (fosfato de dolicol) embebido en la membrana del RE y luego se transfiere en bloque, a residuos de asparagina específicos del polipéptido.

• Los primeros siete azúcares (dos residuos N-acetilglucosamina 1-fosfato y cinco manosas) se transfieren uno a la vez al dolicol fosfato en el lado citosólico de la membrana del RE.
• El dolicol fosfato se gira hacia el otro lado de la membrana.
• Los azúcares restantes (cuatro manosas y tres residuos de glucosa) se unen en el lado luminal de la membrana. Estos últimos se unen uno por uno en el lado citosólico de la membrana con el extremo de la molécula de fosfato dolicol, que luego se gira al otro lado de la membrana y cede sus azúcares al extremo creciente de la cadena del oligosacárido.
• Una vez que el oligosacárido está ensamblado por completo se transfiere por mecanismos enzimáticos a un residuo de asparagina (con la secuencia N-X-S/T) del polipéptido naciente.
• El dolicol fosfato rota de nueva cuenta al otro lado de la membrana y está listo para empezar a aceptar azúcares otra vez.

La cadena de oligosacárido se somete a un proceso gradual de modificación, lo cual permite la evaluación de la glucoproteína recién sintetizada por un sistema de control para determinar si es apta o no.

• A la glucoproteína se le retiran dos de los tres residuos terminales de glucosa por acción de enzimas (glucosidasa I y II).
• La glucoproteína se una a la chaperona del RE (calnexina o calreticulina).
• La última glucosa es eliminada por la glucosidasa II, lo que ocasiona que la chaperona libere a la proteína.
• Si la proteína está mal plegada, es reconocida por la UGGT, que añade un nuevo residuo de glucosa de nuevo a uno de los resiudos de manosa en el extremo del oligosacárido recién reducido.
• Una vez que se ha vuelto a unir el residuo de glucosa, las chaperonas reconocen a la proteína “marcada”, dándole a la proteína otra oportunidad para plegarse de manera correcta.
• Después de un periodo con la chaperona, el residuo de glucosa se elimina del oligosacárido y la enzima UGGT nuevamente revisa a la proteína, para confirmar si alcanzó su estructura tridimensional.
• Si continúa mal plegada, nuevamente se le añade glucosa, dándole oportunidad de plegarse de manera correcta, para que continúe con su camino.
• Si permanece por un tiempo prolongado en el RE, a la proteína se le retiran uno o más residuos de manosa, lo cual impide que la proteína sea reciclada.
• La proteína mal plegada se transporta al citosol por un proceso conocido como transposición inversa, las cadenas de oligosacáridos se retiran y la proteína es degradada en el proteasoma. Esto se conoce como Degradación Vinculada con el Retículo Endoplásmico (ERAD).
• Cuando las proteínas mal plegadas se generan más rápidamente en RE de las que pueden ser transportadas en el citoplasma, se acumulan en el interior del RE, lo que puede ser letal para la célula, la cual inicia una respuesta de proteína no plegada (UPR).
• El RE contiene en su membrana sensores, que le permiten determinar la cantidad de proteínas mal plegadas, los cuales son regulados por chaperonas, principalmente las BiP. Si el BiP se mantiene unido a los sensores, los mantiene inactivos. Sin embargo, la acumulación de las proteínas mal plegadas, las BiP son reclutadas a la luz del RE como chaperonas para dichas proteínas defectuosas, y al quedar liberadas de las BiP, los sensores PERK se dimerizan, convirtiéndose en una proteína cinasa que fosforila al factor de iniciación eucariota (eIF2a), inactivándolo, por lo que se impide que la célula sintetice más proteínas en RE, brindando más tiempo a la célula para procesar a las proteínas ya existentes en la luz del RE.
• En otros casos, BiP inhibe a ATF6, pero al liberarlo, este sensor se desplaza al aparato de Golgi, donde el dominio citosólico de la proteína se separa de su dominio transmembrana y se difunde por el citosol hacia al núcleo, donde estimula la expresión de genes cuyas proteínas codificadas (chaperonas, proteínas de cobertura que forman vesículas de transporte y proteínas de la maquinaria de control de calidad) alivian la tensión en el RE.

Retículo Endoplásmico Liso

Síntesis de hormonas esteroideas en las células endocrinas de las gónadas y la corteza suprarrenal

El paso inicial ocurre en las mitocondrias, donde se rompen las cadenas laterales del colesterol para formar pregnenolona.

Los siguientes pasos que tienen lugar a partir de la pregnenolona se realizan gracias a enzimas de retículo endoplasmático liso y conducen a la formación de testosterona, estrona, estradiol, corticosterona y desoxicortisol. La corticosterona y el desoxicortisol pueden penetrar en la mitocondria para transformarse en aldosterona y cortisol, respectivamente

La secreción esteroidea se difunde por el citoplasma, unida a transportadores de lípidos y atraviesa la membrana plasmática mediante transportadores de membrana del tipo ABC (ATP binding cassettes) para liberarse a los capilares sanguíneos. No es transportada en el interior del retículo endoplasmático liso, que no establece conexiones con la membrana plasmática.

Desintoxicación

En algunos órganos como el hígado y el pulmón, por ejemplo, el REL es también la subestructura celular involucrada en la desintoxicación de drogas, alcohol, barbitúricos y otros xenobióticos potencialmente peligrosos.

La desintoxicación se lleva a cabo en dos fases, básicamente:

La primera incluye oxidación, reducción, hidratación, hidrólisis, isomerización y otras reacciones específicas. En general, los productos de reacción de la fase I son químicamente más reactivos que el compuesto original, y al parecer, esta fase tiene como objetivo la creación de especies reactivas más que el verdadero proceso de desintoxicación, el cual se da en la fase II.

En la segunda fase se lleva a cabo una reacción de glucoronidación, en la cual un azúcar del UDP-ácido glucorónico es unido covalentemente al xenobiótico o endobiótico, facilitando así su eliminación mediante la orina o la bilis.

Las reacciones de conversión de estos compuestos a compuestos menos peligrosos son catalizadas por oxidasas —que incluyen las enzimas del citocromo P450— localizadas en la membrana del REL. Estas enzimas que, interesantemente carecen de un sustrato específico, son capaces de oxidar miles de compuestos hidrofóbicos convirtiéndolos en hidrofílicos que son más fáciles de excretar.

Secuestro de iones calcio en el citoplasma celular

El calcio se almacena en el retículo endoplasmático liso unido a la proteína calsecuestrina, que presenta poca afinidad por el Ca²⁺ pero gran capacidad para retenerlo

Un receptor de la membrana plasmática unido a proteínas G activa la fosfolipasa C, que actúa sobre el fosfatidil inositol de la hemimembrana interna y produce dos mensajeros diferentes: el inositol trifosfato (IP3) y el diacilglicerol. El IP3 activa los canales de Ca2+ de las membranas del retículo endoplasmático liso para que los iones Ca²⁺ pasen al citosol.

Estos iones se unen a las quinasas C y al diacilglicerol (que ha permanecido en la membrana plasmática), activando por fosforilación diversas proteínas intracelulares.

Algunas de estas quinasas C no se activan directamente por el Ca2+ y necesitan como intermediaria la proteína citosólica calmodulina. Son las quinasas-CaM, que fosforilan serinas o treoninas de algunas proteínas como la quinasa de la cadena ligera de miosina, que induce la contracción del músculo liso, o la quinasa de la fosforilasa que degrada el glucógeno en glucosa.

El retículo endoplásmico liso tiene en su superficie a la glucosa 6-fosfatasa, implicada en la glucogenólisis.

Síntesis de quilomicrones intestinales

La lipasa pancreática degrada la grasa de la luz intestinal hasta glicerol, ácidos grasos y monoglicéridos. Así la absorben las células intestinales denominadas enterocitos, mediante proteínas de transporte de ácidos grasos(FATP) presentes en la membrana plasmática.

Dentro de las células los ácidos grasos quedan unidos a las proteínas de unión de ácidos grasos (FABP), que adoptan una disposición en láminas β formando una bolsa en la que se introducen los ácidos grasos, que interaccionan de forma no covalente con la proteína.

Los enterocitos transforman los ácidos grasos y el glicerol en triglicéridos, que son exportados unidos a proteínas en forma de quilomicrones. Al ser sustancias compuestas de lípidos y proteínas, en su síntesis participan tanto el retículo endoplasmático rugoso (síntesis del componente proteico) como el retículo endoplasmático liso (síntesis del componente lipídico).

En los enterocitos hay retículo endoplasmático rugoso y liso entremezclados en la parte apical. Estas membranas forman vesículas que van a parar al complejo de Golgi, desde donde las lipoproteínas son segregadas como vesículas con un contenido denso, que no llena totalmente la membrana, al espacio extracelular lateral de los enterocitos.

Desde allí alcanzan la lámina propia y penetran en los extremos ciegos de los vasos linfáticos, que los conducena la sangre.

Síntesis de lipoproteínas en el hígado

En la sangre, los quilomicrones segregados por los enterocitos son convertidos por las lipasas de lipoproteínas de los vasos sanguíneos en ácidos grasos y glicerol (unidos a transportadores extracelulares de lípidos como la albúmina) y remanentes de quilomicrones (enriquecidos en colesterol), que alcanzan los sinusoides hepáticos. Los ácidos grasos y el glicerol son transportados al citosol del hepatocito mediante las ya mencionadas proteínas FATP presentes en la membrana plasmática.

Dentro de las células los ácidos grasos quedan unidos a las también antes mencionadas proteínas FABP. Los remanentes de quilomicrones son endocitados y degradados por los hepatocitos. En los hepatocitos se sintetizan las lipoproteínas hepáticas, principalmente las de muy baja densidad (VLDL), que contienen triglicéridos y colesterol.

Como ocurre en el enterocito, en este proceso intervienen tanto el retículo endoplasmático liso como el rugoso y el complejo de Golgi, donde se reúnen ambos componentes para emigrar en vesículas que se vierten por exocitosis del lado de un sinusoide, terminando así en la sangre.

4.5 Enfermedades

•     Pseudoacondroplasia

La pseudoacondroplasia es una forma de displasia ósea perteneciente al subgrupo de las espondiloepifisarias, habitualmente de herencia autosómica dominante, aunque también se han descrito formas recesivas y esporádicas. Está producida por mutaciones en el gen COMP que provocan un defecto en la matriz proteica del cartílago. Las mutaciones interfieren con el acodamiento proteico, conduciendo a una acumulación de proteínas en el retículo endoplásmico rugoso de éstas y otras proteínas (incluyendo colágeno tipo IX, y condroitín sulfato) lo que conduce a la muerte celular. 

•      Síndrome de Wolcott-Rallison

Enfermedad genética muy rara de carácter autosómico recesivo asociada a diabetes neonatal permanente, displasia epifisiaria múltiple y otras manifestaciones que incluyen episodios recurrentes de insuficiencia hepática aguda.

Incluye una diabetes que comienza ya en el primer o segundo año de vida, es causada por una mutación en el gen EIF2AK3, que codifica para el factor PERK (proteína sensor de estrés del RER), inhabilitándola.

•      Enfermedades neurodegenerativas

Son procesos crónicos y progresivos y están caracterizadas por pérdidas selectivas y simétricas de neuronas en los sistemas motor sensorial y cognitivo. Se caracterizan por la acumulación y agregación de proteínas no dobladas.

•        Esteatosis hepática

EL exceso de materia lipídica inhibe la función el retículo por lo que el hígado toma una coloración amarilla por la acumulación de grasa en las células de hepatocitos. Tratamiento, no hay uno significativo, solo se recomienda una reducción del peso corporal y una disminución de alimentación sana y actividad física.

•        Encefalopatía espongiforme bovina

Ciertas proteínas ‘escapan’ del sistema de control de calidad de las células, estos fallos estructurales en las proteínas pueden provocar enfermedades como la encefalopatía espongiforme bovina, más conocida como “el mal de las vacas locas”. Esto se produce porque el mecanismo de salida de estas proteínas desde el RE –mediado por el anclaje a GPI– es rápido y no le da tiempo a la célula a detectar la anomalía

•        Fibrosis quística

En casos graves de fibrosis quística, la membrana plasmática de las células epiteliales carece de la proteína codificada por el gen de la fibrosis quística. En tales casos, la proteína mutante es destruida en el proceso de control de calidad del retículo endoplásmico, por lo que no llega a la superficie celular.

•        Defectos Congénitos de Glucosilación (DCG)

Los DCG son un grupo muy heterogéneo de enfermedades con una base genética muy diversa pero que, en general, afectan al sistema nervioso central. El órgano diana es el cerebelo, que puede tener un defecto en su formación y, como consecuencia, ser un cerebelo hipoplásico, o que, en algunos otros casos, también puede tener una pérdida neuronal progresiva, es decir, que se puede asociar a un componente de atrofia. Debido a esto, lo que presentan los pacientes en la exploración es un cuadro de ataxia que se podría englobar dentro de las ataxias recesivas de causa genética. Se suelen diagnosticar por los neuropediatras dado que los síntomas son muy precoces y afectan en las primeras etapas del desarrollo. Los niños afectados adquieren la marcha muy tardíamente y de forma asistida, aunque hay casos más leves en los que los síntomas de afectación de cerebelo son más sutiles, pero se diagnostican más tarde.