7. Lisosomas

7. Lisosomas

7.1 ¿Qué es?

Son vesículas con enzimas hidrolíticas que, al liberarse, destruirían toda la célula. Las dimensiones de estos orgánulos (de décimas de micrómetro a varios micrómetros) y su contenido son muy variables, debido a que actúan como vacuolas digestivas. Están presentes en todas las células animales.

7.2 Estructura

Un lisosoma típico contiene cerca de 50 enzimas hidrolíticas diferentes que se producen en el RER y se dirigen a estos organelos Consideradas en conjunto, las enzimas lisosómicas pueden hidrolizar todo tipo de macromoléculas biológicas.

Las enzimas de un lisosoma comparten una propiedad importante: todas alcanzan su actividad óptima en un pH acido, por lo que son hidrolasas ácidas. El pH óptimo de estas enzimas se sitúa por debajo del pH del compartimiento lisosómico, que se aproxima a 4.6. La elevada concentración interna de protones se mantiene mediante una bomba de protones (una ATP-asa de H+ tipo V) presente en la membrana que limita al organelo.

Las membranas lisosómicas contienen diversas proteínas integrales muy glucosiladas cuyas cadenas de carbohidratos se cree que forman un recubrimiento protector para la membrana contra el ataque de las enzimas que encierra.

Aunque los lisosomas tienen una colección predecible de enzimas, su apariencia en las micrografías electrónicas no es distintiva ni uniforme.

Enzimas contenidas en los lisosomas

•        Nucleasas, que incluyen ribonucleasas y desoxirribonucleasas (ADN).
•   Fosfatasas: fosfatasas ácidas (monoésteres de fosfato) y fosfodiesterasas (fosfodiésteres).
•        Proteasas: catepsina (proteínas) y colagenasa (colágeno). Los lisosomas contienen dos tipos de proteasas cuya acción complementaria permite una degradación eficaz de las proteínas:
•    Endopeptidasas (catepsinas), que fragmentan las proteínas catalizando la hidrólisis de los enlaces peptídicos ubicados en el interior de las cadenas (p. ej., tripsina, pepsina, etc.).
•    Exopeptidasas (carboxipeptidasas y aminopeptidasas), que eliminan los aminoácidos carboxiterminales y aminoterminales, respectivamente.
•  Polisacaridasas y oligosacaridasas: a-glucosidasa (glucógeno), b-acetilglucosaminidasa (b-galactósidos), a-manosidasas (a-manósidos), fucosidasas (oligosacáridos fucosilados) y sialidasa (oligosacáridos sialilados).
•    Enzimas que hidrolizan lípidos: lipasas ácidas (triacilgliceroles) y fosfolipasas (fosfolípidos).
•   Enzimas que hidrolizan esfingolípidos: arilsulfatasa (galactosilsulfátidos) y ceramidasa (ceramida).
•  Enzimas que hidrolizan los GAG (glucosaminoglucanos): a-N-acetilglucosaminidasa (heparán sulfato), b-galactosidasa (queratán sulfato), heparán-N-sulfatasa (heparán sulfato), iduronato sulfatasa (dermatán sulfato)

Tipos de lisosomas:

Lisosomas primarios: Vesículas formadas a partir del Aparato de Golgi. Sólo contienen hidrolasas ácidas. Tan pronto se forman, se fusionan con vesículas que contienen los sustratos que deben ser catabolizados. Las nuevas vesículas formadas, que contienen tanto las hidrolasas ácidas como los materiales que van a ser degradados, se denominaron genéricamente lisosomas secundarios.

Vesículas autofágicas: Se forman a partir de membranas del retículo endoplásmico que contienen fosfatasa ácida. Estas membranas envuelven a aquellas partículas que van a ser degradadas. Inicialmente estas vesículas (autofagosomas) no contienen enzimas lisosomales; posteriormente, a ellas se les fusionan lisosomas, con lo cual se inicia la degradación del contenido de las vesículas autofágicas; estas nuevas vesículas se conocen como autofagolisosomas.

Fagolisosomas: Vesículas que se forman por un proceso de fagocitosis y a las cuales se fusionan lisosomas.

Endosomas: Las vesículas endocíticas (pinosomas) formadas durante la endocitosis (pinocitosis) se fusionan con vesículas que tienen una forma tubular, las cuales se conocen como endosomas, receptosomas o prelisosomas. Estas vesículas se distinguen por su morfología, por ser menos densas que los lisosomas y por ser un compartimento ligeramente ácido (pH 6 a 6.2). Esta característica permite que aquellas proteínas que han sufrido endocitosis vía receptores específicos sean disociadas y queden dentro de la vesícula como proteínas solubles; de esta forma, los receptores libres son reciclados a la membrana extracelular en pequeñas vesículas y el material soluble es acarreado a los lisosomas secundarios.

Cuerpos multivesiculares: Los cuerpos multivesiculares se forman cuando ciertos pinosomas, al fusionarse con la membrana del endosoma, se invaginan y vesiculan hacia el lumen de la vesícula; así, en esta vesícula evertida, los componentes de la membrana, que antes estaban en contacto con el lumen de la vesícula pinocítica, ahora están en contacto con el lumen de la vesícula multivesicular. Se ha observado que las vesículas pinocíticas que son secuestradas en los cuerpos multivesiculares contienen receptores a los cuales se les ha unido su hormona. Mediante este mecanismo, el complejo receptor-hormona, al llegar a un compartimento acídico, se disocia, pero, a diferencia de lo que pasa con un receptor que llega a un endosoma donde queda atrapado, no puede ser reciclado a la membrana y es degradado. De esta forma, la célula no puede volver a ser estimulada por un tiempo.

Cuerpos residuales: En el lumen de este tipo de vesículas se observa una estructura polimórfica electrodensa compuesta por residuos no digeridos por los lisosomas. El contenido de estas vesículas puede ser eliminado por las células mediante un mecanismo de exocitosis, pero los residuos no digeridos nunca se han visto libres en el citosol.

7.3 Biogénesis

Síntesis de enzimas lisosómicas en el RER

Las enzimas lisosómicas son sintetizadas en el RE con un péptido señal. Después de la eliminación del péptido señal, estas enzimas experimentan una N-glucosilación. La cadena oligosacarídica está unida a dolicol (un lípido intramembrana), y a continuación es transferida en bloque a la enzima lisosómica gracias a la acción de una oligosacárido transferasa. En las cisternas cis del aparato de Golgi, la cadena oligosacarídica es sometida a la acción de dos enzimas:

§  Una N-acetilglucosamina transferasa que añade un grupo N-acetilglucosamina 1-fosfato a un residuo de manosa.

§  Una N-acetilglucosaminasa que elimina, posteriormente, la N-acetilglucosamina y deja el fosfato unido a la manosa.

Por consiguiente, las enzimas lisosómicas poseen un radical M6P (manosa 6-fosfato) gracias al cual son enviadas a su destino final.

La PI3-cinasa (fosfoinosítido 3-cinasa) es necesaria para dirigir las proteínas recién sintetizadas hacia los lisosomas. La administración de wortmanina, un metabolito fúngico, inhibe la codificación de la PI3- cinasa (para algunos autores, este inhibidor se uniría de forma covalente a la enzima), lo cual provoca una depleción del M6P-R (receptor de manosa 6-fosfato) en los sáculos cis y detiene el envío de las enzimas recién sintetizadas a los lisosomas.

Formación de vesículas que contienen hidrolasas

Las vesículas que contienen hidrolasas son pequeñas vesículas que se originan en el aparato de Golgi y cuya función consiste en transferir las enzimas lisosómicas. Se forman por evaginación de la membrana de la TGN; estas vesículas recibían, y reciben aún a veces, el nombre de lisosomas primarios.

En el momento de su formación, las vesículas que contienen hidrolasas quedan recubiertas por una capa o cubierta de clatrina/adaptina que desaparece rápidamente. La membrana de estas vesículas no posee proteínas Lamp-1 y Lamp-2. Estas vesículas engloban las enzimas recién sintetizadas en el RER, que están marcadas con M6P, a través de la cual se unen a los M6P-R situados en su membrana.

Existen dos tipos de receptores de M6P:

§  Un receptor designado con las siglas CI-MPR, que no depende del calcio (receptor de manosa fosfato independiente de calcio, calcium-independent mannose phosphate receptor).

§  Un receptor de la M6P, dependiente de calcio (M6P-R).

A pH neutro, el CI-MPR reconoce las proteínas portadoras de la señal, que consiste en la presencia de M6P, y se une a ellas. A pH 6, el CI-MPR se separa de su ligando.

7.4 Función

Degradación de materiales que llegan a la célula desde el ambiente extracelular

Muchos organismos unicelulares ingieren partículas de alimento que luego degradan por medios enzimáticos en un lisosoma.

Las partículas muy grandes entran en la célula mediante una función especializada de la membrana celular que se denomina endocitosis, siendo las formas principales de esta la pinocitosis y la fagocitosis.

Pinocitosis

Se refiere a la ingestión de partículas diminutas que forman vesículas de líquido extracelular y partículas dentro del citoplasma celular, siendo el único medio por el cual pueden entrar macromoléculas grandes, como las proteínas.

Los receptores se concentran en orificios pequeños de la superficie externa de la membrana celular, que se conocen como hendiduras revestidas. En el interior de la membrana celular, por debajo de estas hendiduras, hay una red de clatrina.

Una vez que las moléculas proteicas se han unido a los receptores, las propiedades de superficie de esa zona de la membrana cambian de tal forma que todas las hendiduras se invaginan hacia el interior y las proteínas fibrilares que rodean a las que se invagina hacen que se cierren los bordes sobres las proteínas unidas y sobre una pequeña cantidad de líquido extracelular. Inmediatamente después, la porción invaginada de la membrana se rompe separándose de la superficie de la célula, formando una vesícula de clatrina dentro del citoplasma de la célula

Fagocitosis

Se inicia cuando una partícula, como una bacteria, una célula muerta o un resto de tejido, se une a los receptores de la superficie de los fagocitos. En el caso de las bacterias, cada una de ellas ya suele estar unida a un anticuerpo específico frente a ese organismo y es ese anticuerpo el que se une a los receptores de fagocitosis, arrastrando consigo a la bacteria.

La zona de la membrana alrededor de los puntos de unión se evagina hacia afuera en una fracción de segundo para rodear a toda la partícula, y después cada vez más receptores de la membrana se unen a los ligandos de la partícula. Todo esto ocurre bruscamente, como si fuera una cremallera para formar una vesícula fagocítica cerrada.

Las proteínas contráctiles contraen el eje de la vesícula, de forma tan completa, que esta se separa de la membrana celular, dejando la vesícula en el interior de la célula del mismo modo que se forman las vesículas de la pinocitosis.

Autofagia

Los lisosomas también tienen una función clave en el recambio de organelos, o sea en la destrucción regulada de los propios organelos celulares y su remplazo. Durante este proceso, un organelo, como la mitocondria está rodeado por una debe membrana (fagóforo) para producir una vesícula secuestrante de doble membrana llamada autofagosoma.

La membrana externa del autofagosoma, una vez formada, se fusiona con un lisosoma y genera una estructura llamada autolisosoma, en la cual hay degradación de la membrana interna del autofagosoma y el contenido en su interior. La célula puede disponer de los productos de estas reacciones de degradación.

1 a 1.5% de las proteínas dentro de un hepatocito sano son degradados por medio de autofagia, cada hora, como parte del fenómeno normal de renovación celular. Según se piensa, el confinamiento dentro de las vesículas autofagosómicas es un fenómeno relativamente selectivo y no aleatorio simplemente.

Es probable que la autofagia haya evolucionado en los microorganismos protoeucarióticos en reacción a la privación de nutrientes. Si se somete a inanición a una población de células se advierte un incremento extraordinario de autofagia. En tal situación, las células adquieren energía para conservar su vida al consumir en forma caníbal sus propios organelos. El mismo proceso autofagico se induce en las células de un embrión de mamífero antes de que sea implantado en el útero, y de ese modo, antes de que aproveche los nutrientes que le llegan por medio de la sangre de su madre.

Los genes Atg son necesarios para diversas fases de la vía de la autofagia. La deleción de algunos de los genes autofagicos ocasiona consecuencias graves en el desarrollo embrionario o la fisiología del adulto, de organismos modelo. Por ejemplo, se ha demostrado que la autofagia protege a un organismo contra amenazas intracelulares que varían desde agregados proteínicos anormales, hasta las bacterias y parásitos invasores. La autofagia interviene en la prevención de la neurodegeneración

Si se bloquea la autofagia en un área particular del cerebro de un animal de laboratorio, esa región del SNC experimenta una pérdida masiva de células nerviosas. Esto revela la importancia de la autofagia para proteger a las células cerebrales del daño continuo a las proteínas y organelos que experimentan estas células de larga vida. Es posible que la autofagia intervenga en la prevención de algunos tipos de canceres y lentifique el proceso de envejecimiento del cuerpo.

Una vez que se completa el proceso digestivo en el autofagolisosoma, el organelo se conoce como cuerpo residual. Según sea el tipo celular, el contenido del cuerpo residual puede eliminarse de la célula mediante exocitosis o conservarse dentro del citoplasma por tiempo indefinido como un granulo de lipofuscina. La cantidad de gránulos de lipofuscina se incrementan a medida que el individuo envejece; la acumulación es muy evidente en las células de vida prolongada, como las neuronas, en las que estos gránulos se consideran una característica principal del proceso de envejecimiento.

7.5 Enfermedades

Las enfermedades lisosomales incluyen a todas las enfermedades relacionadas con el metabolismo de lípidos, de las que rescatamos:

• Enfermedad de Krabbe

La forma temprana es la más común. Se inicia antes de los seis meses de edad, con irritabilidad notoria, hiperacusia, hipertonía, retraso del desarrollo psicomotor e hipertermia no asociada con infección. También, con el tiempo, se desarrolla tetraplejia espástica, atrofia óptica y convulsiones tónicas o clónicas. La enzima deficiente e s la galactocerebrosidasa.

•              Enfermedad de Farber

Es causada por la deficiencia de la enzima lisosomal ceramidasa, lo que lleva a la acumulación de ceramida en varios tejidos, especialmente el conectivo. Los pacientes inician sus síntomas y signos con artritis y artralgias asociadas con nódulos periarticulares.

Los pacientes cursan con retraso del desarrollo psicomotor, atrofia muscular, hiporreflexia y afectación laríngea que se pone de manifiesto por estridor y disfonía.

•             Enfermedad de Fabry

Es causada por la deficiencia de la enzima galactosidasa α, con acumulación progresiva de globosiltriasilceramida. Las manifestaciones incluyen trombosis, infartos cerebrales y cardiacos, insuficiencia renal, hipertensión, entre otras.

•              Mucolipidosis I y II

Las tipos II y III corresponden al grupo de enfermedades lisosomales. Hay defi ciencia de N-acetilglicosamina 1-fosfotransferasa.

Dentro de las principales manifestaciones clínicas se encuentra retraso psicomotor severo, baja talla, facies tosca, hiperplasia gingival, corneas claras, hepatoesplenomegalia, disostosis múltiple, contracturas articulares, infecciones respiratorias a repetición, hipotonía generalizada, piel gruesa y rígida, cardiomegalia, hernias inguinales y umbilical.