guía de autoaprendizaje

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Primera Edición - 2016 1

Guía de Autoaprendizaje

ORGANELOS MEMBRANOSOS Y TRAFICO INTRACELULAR DE PROTEÍNAS

Área Biología

Resultados de aprendizaje

Contenidos Introducción Origen evolutivo de organelos membranosos Movimiento de proteínas entre compartimentos Transporte regulado Transporte de transmembrana Transporte Vesicular

Debo saber Estructura de la membrana celular Biomoléculas Transcripción y síntesis de proteínas

INTRODUCCION

A diferencia de las células procariontes, las células eucariontes son altamente compartimentalizada. Esto quiere decir que, dentro de ella, hay un conjunto de compartimentos o espacios delimitados por membrana, que mantienen separadas las diferentes reacciones químicas y procesos que ocurren en la célula. A éstos compartimentos se les llama organelos u orgánulos celulares. La dotación de enzimas de cada organelo es lo que determina las funciones asociadas a él, y dado que las enzimas son proteínas, las rutas y formas en cómo éstas proteínas arriban a cada organelo es muy importante. Como hemos dicho, cada compartimento está delimitado por membrana, una membrana que en su estructura general es equivalente a la membrana plasmática: una bicapa lipídica con proteínas embebidas en ella. Tal como en el caso de la membrana plasmática, la estructura de membrana de los organelos determina las sustancias y elementos que ingresan y que salen de cada organelo. Los principios de la difusión, y los diferentes tipos de transporte activo y pasivo, se aplican también al movimiento de importación y exportación de moléculas de los organelos. En la figura 1, podemos ver los principales compartimentos u organelos de una célula eucarionte. El compartimento que suele ser prominente es el núcleo, dentro del cual se encuentra el ADN nuclear y es allí donde se produce la replicación del ADN y la producción de los todos tipos de ARN (reacción llamada transcripción). Los cloroplastos y las mitocondrias también poseen ADN en menor cantidad, y hay en ellos también replicación y transcripción de algunos genes propios (esto es probablemente una herencia evolutiva de origen evolutivo, ver más adelante). Sin embargo, la principal función de mitocondrias y organelos es la generación del ATP que la célula requiere para las rutas biosintéticas. El citoplasma o citosol, es el compartimento matriz del interior celular, en el cual los organelos (núcleo, mitocondrias, cloroplastos y otros), se encuentran. El citoplasma no solo es el lugar donde se encuentran los organelos, ya que en él ocurren vías de reacciones químicas muy importante para la célula, como la producción de ciertas proteínas (en ribosomas libres), y rutas catabólicas como la glicólisis.



Figura 1: Esquema de la estructura y organización de organelo sub celulares de una célula eucarionte.

Un organelo que suele tener una gran superficie de membrana, incluso más que la propia membrana celular, es el retículo endoplasmático (RE), que es un compartimento laberíntico ubicado alrededor del núcleo, cuyas membranas están en continuidad con la membrana externa del núcleo. El RE tiene zonas que están tapizadas por ribosomas, dándole al RE un aspecto rugoso, y el nombre de retículo endoplasmático rugoso (RER). En este compartimento ocurrirá la síntesis de muchas proteínas que al ser sintetizadas quedan embebidas en la membrana del RER o ingresan a su interior. La mayor parte de éstas proteínas serán destinadas otros organelos. Las regiones del RE que no tienen ribosomas adosados, constituyen el retículo endoplasmático liso (REL), y en se producen la mayor parte de los lípidos y constituye un importante reservorio de calcio intracelular. Las proteínas y lípidos que se producen en el RE, se transportan hacia otro organelo laberíntico llama complejo o aparato de Golgi, en el cual lípidos y proteínas sufren alagunas modificación química y luego son destinados a su ubicación final, que puede ser algún organelo celular, la membrana celular, o el exterior de la célula (proceso llamado exocitosis). Otros organelo que vemos en la figura son los lisosomas, que en su interior contienen enzimas hidrolíticas (enzimas que rompen macromoléculas y las convierten en moléculas más pequeñas). A los lisosomas llegan, entre otros, elementos que la célula ha ingresado desde el exterior (proceso llamado endocitosis). En su ruta hacia los lisosomas, el material endocitado viaja en vesículas llamadas endosomas. Finalmente, los peroxisomas, son organelos cuyas enzimas procesan moléculas tóxicas a través de reacciones oxidativas.

ORIGEN EVOLUTIVO DE LOS SISTEMAS DE MEMBRANA Las células eucariontes son células evolutivamente más nuevas que las procariontes, lo cual nos permite pensar que las células eucariontes evolucionaron a partir de las procariontes por algún mecanismo de trasformación. Si miramos las células procariontes de la actualidad, las bacterias, veremos que, en ausencia de compartimentos membranosos, ellas organizan las funciones celulares en torno a la parte interna de la membrana celular. Ello porque muchas funciones como la síntesis de ATP, el bombeo de protones, entre otras, requieren de una membrana. Una célula eucarionte es



considerablemente más grande que una procarionte, por lo cual la superficie de membrana no es suficiente para los requerimientos de un aumentado volumen celular. Considerando esto, en la actualidad se han propuesto varias teorías sobre el origen de la célula eucarionte y su particular compartimentalización. En la figura 2, vemos las más aceptadas ideas sobre el origen de las estructuras intracelulares eucariontes. Suponemos que el aumento de tamaño celular actúo como presión selectiva para provocar una invaginación de la membrana plasmática, confinado el ADN en un compartimento que de todas formas quedaría en contacto con el citoplasma (núcleo y poros nucleares que comunican con el citoplasma). Esta invaginación originó no solo el núcleo, sino que fue arrastrado el conjunto de membranas aledaños a la zona que contenía el ADN, con ribosomas adosados, originando el RE. Así se habría originado la célula eucarionte primitiva, y se explica el origen de núcleo, citoplasma, RE, aparato de Golgi, vesículas de secreción y endosomas. En un proceso posterior, éste eucarionte primitivo habría adquirido organelos como mitocondrias y cloroplastos. La presencia de doble membrana de estos organelos, asi como su tamaño y la presencia de ADN, hace pensar que hubo una relación de simbiosis de eucariontes primitivas con bacterias que desarrollaron evolutivamente las reacciones oxidativas aeróbicas (lo que actualmente ocurre en las mitocondrias de las células eucariontes), y con bacterias que desarrollaron la fotosíntesis (lo que actualmente ocurre en los cloroplastos de algunas células eucariontes). Esta simbiosis, se postula, que se transformó en algún momento en una endosimbiosis, en la cual las pequeñas bacterias fueron engullidas, pero no digeridas, por la célula eucarionte primitiva.

Figura 2: Origen hipotético de los organelos celulares de la célula eucarionte



MOVIMIENTO DE PROTEÍNAS ENTRE COMPARTIMENTOS

Salvo las proteínas que se generan en el interior de mitocondrias y cloroplastos (que representan una fracción muy reducida del total de proteínas de una célula), todas las proteínas de una célula se sintetizan, inicialmente, en ribosomas que se encuentran libres en el citoplasma. En la medida en que la síntesis cursa, algunas proteínas presentan, en su secuencia de aminoácidos, una zona que actúan como señal de su destino (péptido señal). Aquellas que no tienen esta señal, completan el proceso de síntesis en ribosomas del citoplasma y permanecen en él: son proteínas residentes del citoplasma (proteínas de citoesqueleto, enzimas de la glicólisis, por ejemplo). Las que sí presentan señales de destino, pueden:

1. dirigirse al RE mientras son sintetizadas (se mueve el ribosoma con la proteína naciente hacia el RE) y terminar la síntesis en este organelo. Desde el RE, las proteínas luego pueden ser derivadas a otros organelos.

2. terminar el proceso de síntesis en ribosomas libres del citoplasma y luego dirigirse a su organelo de destino.

De ésta forma, se distinguen tres sistemas fundamentales mediante los cuales las proteínas se movilizan entre compartimentos y hacia fuera de la célula. Estos se parecían en la figura 3, y consideran: Transporte regulado: Movimiento de proteínas que se sintetizan en ribosomas libres del citoplasma y que ingresan hacia el interior del núcleo, a través de poros nucleares. Los poros nucleares son complejos de proteínas dispuestos en interrupciones que tiene la envoltura nuclear y que actúan selectivamente para permitir el paso de elementos desde y hacia el núcleo. Transporte de transmembrana: Movimiento entre proteínas del citoplasma y organelos como mitocondrias, cloroplastos (y otros plastidios), peroxisomas y el RE. Las proteínas deben atravesar las membranas de éstos organelos, desplegando su estructura terciaria, y pasar a través de proteínas translocadoras Transporte vesicular: Es el tipo de movimiento que moviliza las proteínas desde el RE hacia el aparato de Golgi, y de éste hacia endosomas, lisosomas, vesículas de secreción, o directamente al exterior de la célula. También, como se muestra en la figura 3, existe un tránsito de éste tipo desde el exterior de la célula (exocitosis), hacia diversos compartimentos intracelulares. Lo característico de éste tipo de transporte es que las proteínas viajan dentro de vesículas que se escinden de un compartimento (gemación) y se funden con otro (fusión), y por tanto las proteínas viajan confinadas desde el interior de un compartimento hacia otro compartimento. En la siguiente sección, analizaremos el transporte regulado y de transmembrana, y dejaremos para un siguiente apunte, las rutas de transporte vesicular.



Figura 3: Tipos de tránsito de proteínas entre los distintos compartimentos de la célula eucarionte

TRANSPORTE REGULADO

El núcleo es un compartimento prominente en una célula eucarionte, que está delimitado por una doble membrana que llamamos envoltura nuclear. Como muestra la figura 4, esta doble membrana está constituida por una membrana que se contacta con el interior del núcleo (membrana nuclear interna), y una membrana nuclear en contacto con el citoplasma (membrana nuclear externa), que está en continuidad con el RE. En la misma figura podemos ver que la envoltura nuclear posee interrupciones que constituyen perforaciones que conectan el interior del núcleo, con el citoplasma. Estas perforaciones, están recubiertas de estructuras proteicas y se denominan en su conjunto complejo de poro nuclear (NPC es la sigla en inglés). La figura 6 muestra una representación esquemática de un NPC. Estas estructuras actúan como poros acuosos, por los cuales pueden difundir, en ambas direcciones dependiendo de sus concentraciones relativas, moléculas hidrofílicas de pequeño tamaño. Esta selección por tamaño, explicaría que muchas moléculas o agregados moleculares grandes, como los ribosomas citoplasmáticos, no entran al núcleo. Sin embargo, hay moléculas de gran tamaño, como las enzimas de la replicación o de la transcripción, que se sintetizan en el citoplasma y deben ser importadas al interior del núcleo. El proceso de su importación se realiza activamente, no por mera difusión, y requiere que las proteínas presenten una señal de localización de importación en su estructura proteica. Esa parte de la proteína se une a receptores de importación nuclear, proteínas presentes en el citoplasma, que ubican a la proteína que requiere ser transportada, sobre la estructura proteica del NPC. En ese momento el NPC se abre y deja pasar a la molécula sin necesidad que ésta última modifique su estructura, se despliegue, en este tránsito. Un proceso



similar, con señales de exportación y receptores de exportación, estaría involucrado en la salida de moléculas grandes desde el núcleo hacia el citoplasma, tales como unidades ribosomales, y los diferentes tipos de RNA.

Figura 4: Esquema de la envoltura nuclear de una célula eucarionte. Observa que la membrana externa o citosólica, es contínua con el RE.

Figura 5: Esquema del complejo de poro nuclear (NPC) en la envoltura nuclear del núcleo de una célula eucarionte.



TRANSPORTE DE TRANSMEBRANA

Este tipo de movimiento se estable entre las proteínas, ya sintetizadas o en proceso de síntesis, desde el citoplasma y hacia: mitocondrias y cloroplastos; peroxisomas y RE. Por las diferencias en la estructura de éstos organelo, primero hablaremos de la importación de proteínas hacia mitocondrias y cloroplastos. Mitocondrias y cloroplastos tienen ADN propio y ribosomas propios. Hay genes en ADN mitocondrial y cloroplástico que se transcriben y traducen a proteínas en el interior de éstos organelos. Sin embrago, esta maquinaria propia produce un número muy reducido de proteínas, y la mayor parte de las proteínas necesarias en mitocondrias y cloroplastos, son producidas en el citoplasma e importadas a éstos organelos. Recordemos también, que mitocondrias y cloroplastos están delimitados por una doble membrana, y que en los cloroplastos se agrega un tercer sistema de membranas internas. Por tanto, las proteínas deben ingresar atravesando, en ocasiones, dos o tres membranas. En el caso de las proteínas que serán importadas a las mitocondrias, éstas comenzarán su ingreso apenas termina su transducción, y por ello se dice que el proceso es de translocación postraduccional. La presencia de una secuencia señal característcia es necesaria para que la proteína interactúe con un receptor que reconoce esta señal, receptor que se encuentra en la membrana externa de la mitocondria. Un conjunto de proteínas, o complejos protéicos, actúan como canales de translocación, mediante los cuales las proteínas atraviesan una o las dos membranas mitocondriales, tal como se muestra en la figura 6.

Figura 6. Mecanismo de translocación de proteínas hacia la matriz mitocondrial.

El mecanismo de translocación de proteínas a la mitocondria es un mecanismo activo, que requiere aporte energético. Los procesos que involucran movimiento desde el citoplasma hasta en espacio intermebrana (atravieso de la primera membrana externa), son impulsados por la hidrólisis de ATP. El paso por la membrana interna hacia la matriz mitocondrial, utiliza el potencial de membrana que se establece entre el espacio intermembrana y la matriz mitocondrial, debido al gradiente de H+ entre ambos lugares. A pesar que los receptores y las proteínas translocadoras son diferentes, en los cloroplastos el proceso de importación es muy similar a las de las mitocondrias. Como se muestra en la figura 7, en los cloroplastos hay además proteínas cuyo destino es la membrana tilacoidal o el espacio tilacoidal, y hay cuatro rutas de translocación para su importación.



Figura 7: Mecanismos de trasnlocación de proteínas al interior de cloroplastos

La importación de proteínas hacia el retículo endoplasmático, ocurre, a diferencia de lo visto en mitocondrias y cloroplastos, de manera cotraduccional. Esto quiere decir que las proteínas comienzan a ser importadas cuando aún no ha terminado de ser traducidas, y los ribosomas se trasladas con la cadena polipetídica naciente, a la cara externa del RE. Tal como muestra la figura 8, la aparición de la secuencia señal en la cadena polipetídica creciente, dirige al complejo de traducción (ribosoma, mRNA, tRNAs, cadena polipetídica) hacia un translocador de la membrana del RE. El translocador es una proteína que actúa como poro mediante el cual la cadena polipetídica ingresa al lumen del RE. Una enzima peptidasa, corta la secuencia señal, y en ese momento la proetínas es liberada hacia el interior del RE y el trasnlocador se cierra, de manera que la proteína ya no pude salir de RE. Las proteínas que sufren este proceso y quedan en el interior del RE, se denomina solubles en el RE. Sin embrago, hay proteínas cuyo destino es la propia membrana del RE, y se denominan proteínas de transmembrana. Ellas son parcialmente trasnlocadas hacia el lúmen, en un proceso que se ilustra en la figura 9.



Figura 8: Translocación de una proteína soluble del RE

Figura 9: Translocación de una proteína de transmembrana del RE

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