Biología Celular@Yale
Contenido de la clase
Organelos unidos a membranas
Las células eucariotas contienen conjuntos de proteínas que funcionan como una unidad llamada organelos. Algunos de estos orgánulos están rodeados por una membrana de estructura similar a la de la célula pero con una composición diferente de proteínas y fosfolípidos.
Los orgánulos unidos a membranas ofrecen varias ventajas a las células eucariotas. En primer lugar, las células pueden concentrar y aislar enzimas y reactivos en un volumen más pequeño, aumentando así la velocidad y la eficacia de las reacciones químicas. En segundo lugar, las células pueden confinar proteínas y moléculas potencialmente dañinas en orgánulos unidos a la membrana, protegiendo al resto de las células de sus efectos nocivos. Por ejemplo, el lisosoma, que es un orgánulo unido a la membrana, contiene muchas enzimas que digieren proteínas, ácidos nucleicos y lípidos. Si estas enzimas se liberaran en el citosol, podrían masticar las proteínas, los ácidos nucleicos y los lípidos de la célula, provocando su muerte. La membrana que rodea al lisosoma mantiene esas enzimas digestivas alejadas del resto de la célula.
Organización del citoplasma mediante microtúbulos
Los orgánulos y las proteínas no suelen estar distribuidos al azar por toda la célula, sino que se organizan localizándolos en las regiones donde son necesarios. La célula utiliza microtúbulos y proteínas motoras para ayudar a localizar los orgánulos. Los microtúbulos son largos filamentos que se extienden por todo el citoplasma. Dos tipos de proteínas motoras, las quinesinas y las dineínas, caminan a lo largo de los microtúbulos y generan fuerza para arrastrar los orgánulos por el citoplasma.
Los microtúbulos son polímeros de un heterodímero de tubulina alfa y beta. La tubulina se polimeriza en protofilamentos lineales y un microtúbulo contiene 13 protofilamentos dispuestos en un cilindro con un núcleo hueco. Los microtúbulos están polarizados en un extremo negativo y otro positivo. Los microtúbulos crecen desde sus extremos positivos añadiendo más subunidades de tubulina. Los extremos negativos de los microtúbulos son inestables y están estabilizados por las proteínas del centro organizador de microtúbulos (MTOC). Si el MTOC está en el centro de la célula, los microtúbulos irradian hacia el exterior con sus extremos positivos hacia la membrana plasmática
Las quinesinas y las dineínas caminan a lo largo de los microtúbulos utilizando la energía de la hidrólisis del ATP. Ambos conjuntos de proteínas contienen dominios motores que se unen a los microtúbulos e hidrolizan el ATP. Los dominios motores generan el movimiento a lo largo de los microtúbulos. La mayoría de las quinesinas caminan hacia el extremo positivo de los microtúbulos, mientras que la dineína lo hace hacia el extremo negativo. Esto proporciona a las células dos herramientas para controlar la distribución de los orgánulos a lo largo de los microtúbulos. Las kinesinas y las dineínas también contienen un dominio de unión de carga que las une a diferentes orgánulos. Las kinesinas son una gran familia de proteínas y el dominio de unión a la carga es el más divergente, lo que permite que diferentes miembros de la familia de kinesinas se unan a diferentes orgánulos. La dineína es un gran complejo de varias proteínas y la forma en que se une a la carga está menos clara.
Los filamentos de actina también apoyan el transporte de material celular, pero en distancias mucho más cortas que los microtúbulos. Los filamentos de actina son un polímero de actina que es una pequeña proteína globular. El filamento de actina es un conjunto helicoidal de actina y, al igual que los microtúbulos, tiene un extremo positivo y otro negativo, y los filamentos crecen más fácilmente desde su extremo positivo. Los filamentos de actina carecen de los amplios contactos laterales de los microtúbulos y suelen ser mucho más cortos que éstos. Los filamentos de actina tienden a localizarse cerca de la membrana celular donde proporcionan soporte estructural.
Las miosinas son una clase de proteínas motoras que pueden generar fuerza a lo largo de los filamentos de actina. Algunas miosinas están implicadas en la contracción celular (es decir, la contracción del músculo), mientras que otras apoyan el movimiento y el posicionamiento de los orgánulos. Las miosinas de clase V participan en el transporte de orgánulos en varios tipos de células. Al igual que la estructura de la kinesina, las miosinas de clase V contienen un dominio motor que se une a los filamentos de actina y utiliza la energía de la hidrólisis de ATP para caminar a lo largo de los filamentos. El extremo C de la miosina V se une a los orgánulos.
Para transportar y posicionar los orgánulos, las células suelen utilizar tanto los microtúbulos como los filamentos de actina. Los microtúbulos, las quinesinas y las dineínas se utilizan para mover los orgánulos a largas distancias (varias micras o más), mientras que los filamentos de actina transportan los orgánulos a cortas distancias (por ejemplo, cerca de la membrana plasmática). A menudo, un orgánulo contendrá más de un tipo de proteína motora (por ejemplo, kinesina y miosina V) para permitir que las células utilicen ambos conjuntos de filamentos para posicionar el orgánulo.
Secuencias de señalización
Para mantener la identidad y la función de los diferentes orgánulos y la membrana plasmática, las células necesitan dirigir proteínas específicas a los orgánulos y otros compartimentos intracelulares. La mayoría de estas proteínas contienen una secuencia corta, llamada secuencia señal, que determina su localización intracelular. Las secuencias señal pueden localizarse en cualquier parte de una proteína, pero a menudo se encuentran en el extremo N. Las secuencias señal que dirigen las proteínas a un mismo orgánulo no suelen compartir la misma secuencia primaria. Suelen ser las propiedades bioquímicas generales de la secuencia las que determinan si dirige una proteína a un orgánulo. Las secuencias de señalización se utilizan para importar tanto proteínas solubles como proteínas integrales de membrana.
Importación de proteínas a los orgánulos unidos por membrana
Debido a que las membranas que rodean a los orgánulos restringen el paso de las proteínas, los orgánulos han desarrollado diferentes mecanismos para importar proteínas desde el citoplasma. La mayoría de los orgánulos contienen un conjunto de proteínas de membrana que forman un poro. Este poro permite el paso de proteínas con la secuencia de señal correcta. Algunos poros (RE, mitocondrias) sólo pueden albergar proteínas desplegadas, mientras que otros poros (núcleo, peroxisoma) permiten el paso de proteínas plegadas.
Dirigir proteínas al retículo endoplásmico
Las proteínas destinadas a la secreción, a la membrana plasmática o a cualquier orgánulo de la vía secretora se insertan primero en el RE. La mayoría de las proteínas atraviesan el RE de forma cotraduccional, siendo sintetizadas por los ribosomas en el RE. Tanto las proteínas solubles (proteínas que residen en el lumen de los orgánulos o son secretadas) como las proteínas integrales de membrana se dirigen al RE y se translocan por el mismo mecanismo.
La secuencia de señal para las proteínas del RE suele residir en el N-terminal. La partícula de reconocimiento de señales (SRP), un complejo de 6 proteínas y un ARN, se une a la secuencia señal inmediatamente después de su traducción. La SRP también interactúa con el ribosoma y detiene la traducción. La superficie de las membranas del RE contiene un receptor para el SRP. El receptor de la SRP recluta la SRP, la proteína naciente del RE y el ribosoma al RE. El receptor SRP libera el SRP de la secuencia señal y permite que la traducción continúe en la membrana del RE.
Los ribosomas en la membrana del RE se unen al translocador de proteínas. El translocador es una proteína transmembrana que forma un poro acuoso. El poro es el canal a través del cual las proteínas del RE recién sintetizadas serán translocadas a través de la membrana del RE. La traducción de la proteína del RE genera la «fuerza» para empujar la proteína del RE a través del canal.
Las proteínas solubles se translocan completamente a través del canal; la secuencia señal permanece en el canal y es escindida del resto de la proteína por una proteasa en el lumen del RE.
Las proteínas de la membrana integral contienen una secuencia de transferencia de parada aguas abajo de la secuencia señal. La secuencia de transferencia de parada cesa la translocación a través del canal y la porción de la proteína después de la secuencia de transferencia de parada reside fuera del RE. Las proteínas de la membrana integral pueden translocarse de forma que su extremo N o su extremo C residan en el lumen del RE. Las proteínas con su C-terminal en el lumen tienden a tener una secuencia de señal interna. El translocador parece abrirse por un lado para permitir que las proteínas integrales de membrana se difundan en la bicapa lipídica circundante.
Algunas proteínas atraviesan la membrana varias veces y estas proteínas contienen después de la secuencia de parada de transferencia una secuencia de inicio de transferencia que reinicia la translocación de la proteína a través del canal. Una proteína con una secuencia de señal, transferencia de parada y transferencia de inicio abarcaría la membrana dos veces con un bucle que residiría en el citosol o lumen. Para generar proteínas que abarquen la membrana varias veces, la proteína necesitaría varias secuencias de transferencia de parada y de inicio alternadas.
Una vez que las proteínas entran en el RE, se pliegan en sus estructuras tridimensionales. Existen varios mecanismos que ayudan a plegar las proteínas, como las chaperonas y la glicosilación. El RE también contiene mecanismos para manejar las proteínas que no se pliegan.
Dirigir proteínas a las mitocondrias
Aunque las mitocondrias contienen su propio genoma, la mayoría de las proteínas mitocondriales están codificadas por genes nucleares, lo que hace necesario un mecanismo para dirigir e importar esas proteínas a las mitocondrias. Al igual que las proteínas importadas en el RE, las proteínas mitocondriales contienen una secuencia señal que las dirige a las mitocondrias. A diferencia de las proteínas del RE, las mitocondriales se importan de forma postraduccional. Dado que las proteínas deben estar desplegadas para translocarse a través de los canales de la membrana mitocondrial, las proteínas mitocondriales se mantienen desplegadas en el citosol gracias a las chaperonas.
La importación de proteínas en las mitocondrias es similar a la importación en el RE, pero se complica por la presencia de dos membranas alrededor de las mitocondrias. Las proteínas mitocondriales pueden residir en la membrana externa, en la membrana interna, en el espacio intermembranal o en la matriz (espacio dentro de la membrana interna).Así, las mitocondrias tienen translocadores que permiten el paso de las proteínas a través de la membrana externa y a través de la membrana interna. El complejo TOM media el paso a través de la membrana externa mientras que el complejo TIM media el paso a través de la membrana interna.
Translocación de proteínas en las mitocondrias
La secuencia señal que dirige las proteínas a la matriz suele residir en el N-terminal. La secuencia señal es reconocida por las proteínas del complejo TOM. El complejo TOM pasa las proteínas al espacio de la membrana interna donde el complejo TIM en la membrana interna pasa la proteína a la matriz. Los complejos TOM y TIM suelen trabajar juntos para translocar una proteína a través de ambas membranas. La translocación a través de las membranas mitocondriales depende de la energía. Las chaperonas dentro de la matriz ayudan a «tirar» de la proteína a través de la membrana interna y requieren hidrólisis de ATP para funcionar. Las proteínas se pliegan dentro de la matriz.
Las proteínas dirigidas a la membrana interna utilizan un mecanismo similar al de las proteínas de la matriz, pero contienen una secuencia de transferencia de parada reconocida por el complejo TIM. Las proteínas dirigidas a la membrana externa se translocan a través de la membrana externa al espacio intermembrana y luego son importadas a la membrana externa por el translocador SAM. Las proteínas destinadas al espacio intermembranal se insertan parcialmente en la membrana interna y luego son escindidas por una proteasa y liberadas en el espacio de la membrana interna.
Importación y exportación de proteínas nucleares
A diferencia del RE y de las mitocondrias, el núcleo importa principalmente proteínas solubles. Además, las proteínas a menudo se desplazan entre el núcleo y el citoplasma y la célula utiliza la importación/exportación nuclear para regular varias vías bioquímicas críticas. El núcleo está rodeado por dos membranas y en ellas hay miles de poros nucleares a través de los cuales las proteínas y otras macromoléculas (ARN, ribsosomas) entran y salen del núcleo. Los poros nucleares se estabilizan en las membranas gracias a las láminas, una red citoesquelética que subyace a la membrana nuclear interna y que proporciona soporte estructural a la membrana. El poro nuclear restringe el paso de material en función de su tamaño: las cosas menores de ~ 30 kD se difunden libremente a través del poro, pero las moléculas grandes necesitan una forma de entrar y salir. Las proteínas que trafican hacia el núcleo contienen una señal de importación nuclear y las que también deben salir del núcleo contienen una secuencia de exportación nuclear.
Distinguir el citoplasma del nucleoplasma
Para generar un transporte dirigido de proteínas hacia y desde el núcleo, las proteínas deben saber si están en el citoplasma o dentro del núcleo. Para diferenciar entre el núcleo y el citoplasma, las células utilizan una pequeña proteína de unión a GTP llamada Ran. Como todas las proteínas de unión a GTP, Ran existe en estado de unión a GTP o a GDP. Dos proteínas catalizan el cambio entre estos estados. Ran-GAP (proteína activadora de GTPasas) cataliza la hidrólisis de GTP generando Ran-GDP. El Ran-GEF (factor de intercambio de nucleótidos de guanina) cataliza la liberación de GDP y la nueva unión de GTP, generando Ran-GTP. El Ran-GAP se localiza en el lado citoplasmático de los poros nucleares, mientras que el Ran-GEF se asocia a la cromatina y, por tanto, se localiza en el núcleo. Como resultado, la mayor parte de Ran en el núcleo está unida a GTP y la mayor parte de Ran en el citoplasma está unida a GDP.
Importación nuclear
Los receptores (importinas) se unen a secuencias de importación nuclear en las proteínas. Las importinas también interactúan con los filamentos que se extienden fuera del lado citoplasmático de los poros nucleares. Por un mecanismo desconocido, las importinas unidas a su carga atraviesan el poro nuclear. Dentro del poro, el complejo importina-carga se encuentra con Ran-GTP. El Ran-GTP disocia las importinas de la carga, liberando las proteínas de carga para que hagan su trabajo en el núcleo.
Exportación nuclear
Muchas proteínas que entran en el núcleo deben ser exportadas al citoplasma (por ejemplo, las importinas). Estas proteínas contienen una secuencia de exportación nuclear que interactúa con un receptor llamado exportina. El Ran-GTP se une a este complejo exportina-carga y estabiliza la interacción. El complejo exportina-carga-RanGTP atraviesa el poro (mecanismo poco claro) donde se encuentra con Ran-GAP en el lado citoplasmático. El Ran-GAP convierte el Ran-GTP en Ran-GDP haciendo que la exportina se disocie de su carga.
La importación de proteínas a los peroxisomas y el síndrome de Zelleweger
Los peroxisomas son pequeños orgánulos (~ 1 µm de diámetro) que desempeñan diversas funciones para las células. Los peroxisomas metabolizan sustancias químicas nocivas (fenoles, formaldehído, etanol), metabolizan ácidos grasos y catalizan un paso en la síntesis del plasmalógeno, que es un lípido que se encuentra en la mielina.
Las proteínas dirigidas a los peroxisomas contienen una secuencia de señal que es reconocida por una familia de proteínas llamadas proteínas Pex. Algunas de estas proteínas Pex se unen a las secuencias señal mientras que otras para un poro en la membrana de los peroxisomas que permite la entrada de las proteínas de los peroxisomas.
Las células que contienen mutaciones en las proteínas Pex no pueden importar proteínas a los peroxisomas y, en consecuencia, estas células carecen de peroxisomas. Las mutaciones en las proteínas Pex están asociadas a un conjunto de enfermedades denominadas Síndrome de Zelleweger. En el síndrome de Zelleweger, los bebés carecen de tono muscular y, a menudo, de la capacidad de mamar. Los bebés también presentan anomalías craneofaciales y un hígado agrandado. El pronóstico de los niños que padecen el síndrome de Zelleweger es malo y la mayoría no sobrevive más de un año.
Debido a que los peroxisomas contribuyen a la síntesis de un lípido que se encuentra en la mielina, los pacientes con Zelleweger suelen mostrar una pobre mielinización de las neuronas. La mielinización es fundamental para la función de las neuronas en la conducción de señales a las células diana.