Las células eucariotas se caracterizan por el reparto ordenado y dirigido de moléculas entre diferentes compartimentos celulares mediado por vesículas, que actúan como vehículos. Esto supone una gran ventaja puesto que se puede seleccionar de manera específica qué moléculas deben ir a cada compartimento, las cuales son en sí mismas responsables de las funciones de tales compartimentos. Por ejemplo, las enzimas hidrolíticas ácidas deben ir a los lisosomas, pero no a los endosomas tempranos.

Las vesículas son pequeños compartimentos membranosos que viajan entre compartimentos celulares. Sirven para transportar moléculas solubles disueltas en el medio acuoso del interior de la vesícula y moléculas de membrana formando parte de la propia membrana de la vesícula como son lípidos, canales o receptores.

Las vesículas se forman en el compartimento fuente y se cargan con aquellas moléculas que deben ser transportadas. Una vez liberadas al citosol son dirigidas hacia el orgánulo diana, al cual reconocen, y al que finalmente se fusionan. Entonces, las moléculas transportadas formarán parte del orgánulo y serán las responsables de su función. Sin embargo, otras moléculas sólo estarán de paso en ese compartimento y serán empaquetadas de nuevo en otras vesículas para dirigirse a otro compartimento celular. Es lo que ocurre con algunas proteínas que viajan desde el retículo endoplasmático, pasan por el aparato de Golgi, donde son empaquetadas hacia otros compartimentos

Todos estos pasos requieren la participación de una serie de herramientas moleculares:

Pasos que se siguen en el transporte de moléculas mediado por vesículas.

a) Un complejo molecular para reconocer y atrapar las moléculas que se han transportar. Proteínas adicionales deben formar la vesícula a partir de las membranas del orgánulo fuente. Hay que tener en cuenta que el proceso de formación de una vesícula es tremendamente complejo puesto que su membrana tiene que formar un pliegue y separarse de la membrana del orgánulo fuente.

b) Elementos del citoesqueleto para transportar las vesículas desde el orgánulo fuente hasta el diana.

c) Un complejo molecular para permitir a la vesícula reconozcer y fusionarse con el orgánulo diana.

Vamos a tratar por separado cada uno de estos procesos. Hay que tener en cuenta que en un mismo orgánulo se pueden producir tanto salida como llegada de vesículas como es el caso de la membrana plasmática, donde endocitosis y exocitosis se dan de forma simultánea.

Formación de vesículas

La formación de una vesícula en un compartimento fuente es un proceso complejo. Participan numerosas moléculas: las que delimitan el sitio de formación de la vesícula, las que seleccionan a las moléculas que tienen que ser transportadas, las que participan en la formación y escisión de la propia vesícula, las que permiten posteriormente deshacerse de las proteínas de recubrimiento, etcétera. En levaduras se estima que más de 65 proteínas diferentes intervienen en el proceso formación de una vesícula.

El proceso de formación vesicular supone una serie de pasos antes de que sus moléculas formen parte de la vesícula (modificado de Weinberg y Drubin 2012)

La formación de una vesícula es un proceso ordenado de reclutamiento de moléculas. Aquellas denominadas recubiertas, como las recubiertas por clatrina, COPI y COPII, son los procesos mejor conocidos. La formación de una vesícula recubierta se inicia mediante el reclutamiento de proteínas Arf/Sar a la membrana del orgánulo fuente. Sin embargo, no se sabe cómo se inicia el proceso, ni cómo se selecciona el lugar de la membrana donde tendrá lugar. Las proteínas Arf/sar son pequeñas moléculas que se activan e inactivan mediante la hidrólisis del GTP. Cuando las moléculas Arf/sar son activadas en la membrana del orgánulo fuente se encargan de reclutar a otras proteínas como las proteína adaptadoras, las cuales seleccionan a las proteínas que deberán incorporarse en la vesícula y que se denominan cargas. Las proteínas adaptadoras son capaces de reconocer secuencias señal en los dominios citosólicos de las proteínas transmembrana que a su vez reconocerán a las proteínas del lúmen del orgánulo fuente que deben ser transportadas. Por ejemplo, en las vesículas de exocitosis constitutiva deben viajar proteínas hacia la matriz extracelular, así como receptores transmembrana que deben quedar en la membrana plasmática.

Este conjunto inicial de proteínas se asocian formando agregados en la membrana. Cuando estos alcanzan una concentración crítica se dispara el reclutamiento de otras proteínas que formarán la parte interna de la cubierta de la vesícula. A este momento se le llama punto de transición, y una vez alcanzado la vesícula se formará. Si no se pasa el punto de transición las moléculas que forman los agregados iniciales pueden volver a segragarse en la membrana. Tras la agregación de las proteínas de la cubierta interna se asocian proteínas de la cubierta externa. Entre las proteínas de la cubierta externa están aquellas que permiten entrelazar todas el entramado existente, servir de centros de nucleación de actina o permitir desnudar a la vesícula de estas cubiertas tras la escisión. Cuando las proteínas de la cubierta externa llegan es cuando la curvatura de la membrana empieza a ser visible.

Curvar la membrana de una vesícula y escindirla del compartimento fuente es un proceso coordinado que requiere energía y la participación de varias proteínas. Por ejemplo, hay proteínas que se insertan en una monocapa de la membrana gracias a unas secuencias de aminoácidos denominadas BAR que son capaces de generar curvatura en diferentes momentos de la formación de la vesícula. La polimerización de filamentos de actina y la acción de la miosina son también necesarios para generar fuerzas motoras que ayudan en la protusión y posteriormente en la esción de la vesícula. La escisión o la independencia física de la vesícula respecto al compartimento fuente requiere de curvatura, fuerza motora, pero también de otras proteínas, denominadas dinaminas, que estrangulan la comunicación membranosa entre el compartimento diana y la vesícula. Tras la escisión todas las proteínas que envuelven a la vesícula son liberadas y devueltas al citosol para realizar un nuevo ciclo con la formación de una nueva vesícula.

Viaje

Tras la separación del compartimento fuente la vesícula es dirigida hacia el compartimento diana. Este viaje está mediado por proteínas motoras y elementos del citoesqueleto, tanto filamentos de actina como microtúbulos. Se han descubierto que los filamentos de actina forman uno haces, denominados cables de actina, que tienen uno de sus extremos en las proximidades de los lugares de endocitosis y el otro orientado hacia el interior de la célula, y que parecen ser importantes para el trasiego de vesículas de endocitosis.

Fusión de vesículas

El mecanismo de fusión de una vesícula con su compartimento diana es complejo. Ha de ser selectivo puesto que la célula ha de asegurarse de que una vesícula sólo se fusiona con aquel compartimento para el que las moléculas que transporta han sido destinadas. Pero además, abrir y fusionar membranas supone saltar una barrera termodinámica importante. Esto se hace en pasos sucesivos.

El proceso de fusión vesicular supone una serie de pasos antes de que sus moléculas formen parte del compartimento diana. (Modificado de Weinberg y Drubin 2012 ).

El primer paso es un reconocimiento inicial (en inglés: "tethering"). Es como si se pescara a la vesícula desde el compartimento diana. Esta "caña" está formada por unos complejos proteicos asociados a las membranas del compartimentos diana. Hay distintos tipos, como COG, CORVET, Dsl1, exocysto, GARP/VFT, HOPS/Class C VPS, TRAPPI y TRAPPII, que se distribuyen de forma selectiva en distintos compartimentos. En este reconocimiento también participan las proteínas Rab que se encuentran asociadas a las vesículas y que son de distinto tipo dependiendo del compartiemento o dominio del compartiemento fuente donde se hayan formado. Este reconocimiento inicial es esencial para la especificidad de la fusión entre las vesícula y el compartimento fuente.

Posteriormente sigue la fusión de las membranas de la vesícula y del compartimento fuente. Para ello han de participar las proteínas transmembrana SNARE. Hay dos tipos: v-SNARE y t-SNARE. Las v-SNARE se incorporan en la vesícula durante su formación en el compartimento fuente y las t-SNARE se encuentran en las membranas del compartimento diana. La interacción entre v-SNARE y t-SNARE provoca un acercamiento de las membranas de la vesícula y del compartimento diana, liberando además la energía necesaria para la fusión de ambas membranas. Sin embargo, otras proteínas parecen cooperar con las proteínas SNARE para provocar la fusión de ambas membranas, que es un proceso termodinámicamente desfavorecido. Antes se pensaba que las proteínas SNARE eran necesarias para el reconocimiento entre vesícula y compartimento pero reconocimiento inicial y fusión de membranas son procesos independientes.

Hay que tener en cuenta que la fusión entre membranas celulares no siempre involucra a una vesícula y a un compartimento diana. Se producen fusiones entre compartimentos semejantes como ocurre con los endosomas, las mitocondrias o incluso entre vesículas. Se cree que todos estos casos se siguen mecanismos parecidos con implicación de moléculas similares.

Bibliografía específica

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