8. Exocitosis y Endocitosis

8. Exocitosis y endocitosis

8.1 Exocitosis

La exocitosis es la fusión de vesículas con la membrana plasmática. Las  vesículas se forman en el TGN del aparato de Golgi y viajan hasta la membrana plasmática con quien se fusionan.

La fusión de la membrana produce una abertura a través de la cual se libera el contenido de la vesícula o gránulo hacia el espacio extracelular.  Se cree que el contacto entre la vesícula y las membranas plasmáticas conduce a la formación de un pequeño “poro de fusión” recubierto con proteína.

Algunos poros de fusión tan sólo se cierran de nuevo, pero en la mayoría de los casos el poro se dilata con rapidez para formar una abertura para que se descargue el contenido de la vesícula.

La superficie luminal de la membrana de la vesícula se vuelve parte de la superficie externa de la membrana plasmática, mientras que la superficie citosólica de la membrana de la vesícula se torna parte de la cara interna de la membrana plasmática.

Hay dos tipos de exocitosis: constitutiva y regulada.

1. La exocitosis constitutiva se produce en todas las células y se encarga de liberar moléculas que van a formar parte de la matriz extracelular o llevar moléculas que sirven para regenerar la membrana plasmática. Es un proceso constante de producción, desplazamiento y fusión de vesículas, con diferente intensidad de tráfico según el estado fisiológico de la célula.
2. La exocitosis regulada se produce sólo en aquellas células especializadas en la secreción (por ejemplo: las productoras de hormonas, las neuronas, las células del epitelio digestivo, las células glandulares y otras.) En este tipo de exocitosis se liberan moléculas que realizan funciones para el organismo como la digestión o que afectan a la fisiología de otras células que están próximas o localizadas en regiones alejadas en el organismo.

Las vesículas de secreción regulada no se fusionan espontáneamente con la membrana plasmática sino que necesitan ATP, GTP y  una señal que normalmente es un aumento de la concentración de calcio. Estas se acumulan en el citoplasma y cuando reciben la señal para su liberación se dirigen hacia regiones concretas de la membrana plasmática. La direccionalidad del camino de estas vesículas está determinada por la acción de los microtúbulos y filamentos de actina del citoesqueleto, el cual, mediante la intervención de las proteínas motoras, las transporta hasta su lugar de fusión apropiado.

Los dos tipos de exocitosis empaquetan moléculas diferentes, luego el complejo TGN debe arreglárselas para separar ambos tipos de cargas. Las moléculas que no tienen una señal específica serán empaquetadas en vesículas de exocitosis constitutiva (siendo la vía por defecto.) Las proteínas del interior de estas vesículas son liberadas en el medio extracelular mientras que las integrales de membrana de la vesícula formarán parte de la membrana plasmática. En el caso de las vesículas de secreción regulada se forman inicialmente pequeñas vesículas que una vez en el citosol se fusionan entre sí para formar otras más grandes que permanecen en el interior celular hasta que llega una señal que permite la fusión con la membrana plasmática.

La liberación de moléculas al exterior celular supone la fusión de la membrana de la vesícula con la membrana plasmática, de la cual terminará por formar parte.  No todas las vesículas que se fusionan con la membrana plasmática provienen del aparato de Golgi.

Los endosomas tempranos son orgánulos especializados en recibir vesículas formadas en la membrana plasmática, proceso denominado endocitosis. Tras su fusión con el endosoma parte del contenido vesicular es reciclado y llevado de vuelta a la membrana plasmática por medio de vesículas que se forman en el propio endosoma. Los cuerpos multivesiculares, orgánulos con vesículas internas, pueden en ocasiones fusionarse con la membrana plasmática y liberar al exterior celular su contenido vesicular. A estas vesículas liberadas se les denomina exosomas.

En una misma célula pueden coexistir dos tipos de cuerpos multivesiculares, aquellos que se fusionarán con los lisosomas para la degradación de su contenido y aquellos que se fusionarán con la membrana plasmática para liberar a su contenido al exterior. La diferencia estas en las proteínas que se encuentran en su superficie.

8.2 Formación de vesículas

La construcción geométrica de la cubierta de las vesículas cubiertas de Clatrina deriva de la estructura de la Clatrina, la cual consiste en tres cadenas pesadas y tres lligeras unidas para formar un trisquelion (modulo trípode de clatrina). Cada miembro del trisquelion se extiende hacia afuera en dos aristas de un polígono, y las moléculas se superponen de modo que cada vértice de un polígono contiene un centro de los trisqueliones componentes

Las vesículas que se forman durante la endocitosis contienen una capa de adaptadores situados entre la celosía de clatrina y la superficie de la vesícula que queda frente al citosol

8.3 Endocitosis

En la endocitosis, el material que se va a introducir es rodeado por una porción de la membrana plasmática que luego se invagina para formar una vesícula que contiene el material digerido.

Las moléculas extracelulares pueden entrar al interior de la vesícula de forma inespecífica, en solución, o de forma específica unidas a receptores de membrana. La ingestión de partículas grandes es llamada fagocitosis, mientras que la entrada de fluidos es pinocitosis y la de macromoléculas “macropinocitosis”

Sus funciones son la incorporación de moléculas externas en grandes cantidades (principalmente para su degradación), para reciclar moléculas de la membrana plasmática que formarán parte de las propias vesículas o compartimentos que se formen.

Otra función menos aparente es compensar los procesos de exocitosis al eliminar el exceso de membrana plasmática añadida y mantener así una superficie de membrana estable y funcional.

Al mecanismo de incorporación de moléculas específicas reconocidas por receptores de la membrana plasmática se le llama endocitosis mediada por receptor, en donde las macromoléculas que se van a introducir se unen a receptores específicos que se encuentran concentrados en las depresiones revestidas con clatrina.

La dinamina, una proteína de unión a GTP asociada a la membrana, ayuda a que estas depresiones se invaginen a partir de la membrana para formar las vesículas revestidas con clatrina.

La construcción geométrica de la cubierta de las vesículas cubiertas de clatrina deriva de la estructura de la clatrina, que consiste en tres cadenas pesadas y tres lligeras unidas para formar un trisquelion (modulo trípode de clatrina).

Cada miembro del trisquelion se extiende hacia afuera en dos aristas de un polígono, y las moléculas se superponen de modo que cada vértice de un polígono contiene un centro de los trisqueliones componentes

Las vesículas que se forman durante la endocitosis contienen una capa de adaptadores (AP2, el más estudiado de todos) situados entre la celosía de clatrina y la superficie de la vesicula que queda frente al citosol

El AP2, que se incorpora en las vesículas que se desprenden de la membrana plasmática, contiene múltiples sub unidades con distintas funciones.

La sub unidad µ acopla a las colas citoplasmáticas de los receptores específicos en la membrana plasmática, lo que conduce a la concentración de los receptores en la vesícula cubierta emergente.

La sub unidad β se une y congrega las moléculas de clatrina de la celosía supradyacente. La estructura de una vesícula cubierta puede contener hasta 12 proteinas accesorias diferentes que forman un red dinamina de moléculas de interacción. No se conocen las funciones de estas moléculas, pero la más estudiada de estas es la dinamina, que es necesaria para la liberación de la vesícula cubierta de clatrina. La dinamina se ensambla alrededor del cuello de la invaginación cubierta justo antes de que se desprenda de la membrana

Se conocen siete fosfoinosítidas distintas y sus anillos fosforilados se encuentran en la superficie de la membrana, otorgándole una identidad superficial a los diversos compartimientos en los que se concentran.

La hoja interna de la membrana plasmática tiene niveles altos de PI(4,5)P2, que es importante en la atracción de dinamina y AP2, implicadas en la endocitosis mediada por clatrina. PI(4,5)P2 puede formarse y destruirse con rapidez por acción de enzimas que se localizan en sitios y momentos particulares dentro de la célula.

8.4 La vía endocítica 

Existen dos tipos diferentes de receptores que están sujetos a la endocitosis, los receptores domésticos (encargados de la captación de materiales que se utilizan en la célula) y los receptores de señalización, encargados de unir los ligandos extracelulares que llevan mensajes que cambian las actividades celulares.

La endocitosis de los receptores domésticos deriva en la entrega de los materiales a la célula y el receptor regresa a la superficie celular para realizar más rondas de captación

La endocitosis de los receptores de señalización conduce a la regulación en descenso del receptor, que tiene el efecto de reducir la sensibilidad de la celula a la estimulación por la hormona o factor crecimiento.

Los receptores de señalización están marcados por un enlace covalente con una etiqueta (de ubiquitina) en la cola citoplasmática del receptor cuando aún está en la superficie celular.

Los materiales unidos con la vesícula se transportan al endosoma, que representa los centros de distribución a lo largo de la vía endocítica. El líquido de la luz de los endosoma se acidifica por efecto de una ATP-asa de H+ en la membrana.

Los endosomas se dividen en dos clases, tempranos (localizados en la periferia) y tardíos (cercanos al núcleo). Según el modelo prevaleciente, los endosomas tempranos maduran hasta volverse tardíos, en una transformación caracterizada por

•      Descenso en el ph
•      Intercambio de proteínas Rab
•      Cambio en su morfología interna 

El cambio en su morfología ocurre cuando la membrana limitante externa del endosoma forma yemas en su superficie luminal que se invaginan para crear una población de vesículas (cuerpos multivesiculares)

El endosoma temprano sirve como estación clasificadora que dirige los receptores y ligandos por vías diferentes. Los receptores domésticos se disocian debido a la alta concentración de H y se concentran en compartimientos tubulares especializados (centros de reciclaje) que los llevan de regreso a la membrana plasmática.

Los receptores únicos con ubicuitina son reconocidos por una serie de complejo proteínicos ESCRT que derivan a los receptores a las membranas que dan origen a las vesículas interna de los endosomas tardíos.

Los endosomas tardíos se fusionan con un lisosoma, lo que da origen a la degradación del contenido del endosoma por acción de enzimas lisosomicas.