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BIOLOGÍA CELULAR APLICADA
TEMA 1. MEMBRANAS CELULARES
Siempre que hablamos de una membrana, ya sea membrana intracelular o extracelular, tiene que tener una cara citosólica y una cara exoplásmica.
Membranas que encontramos
en una
célula
- Membrana plasmática la cara exoplásmica es la que da al exterior mientras que la citosólica es la que contacta con el citosol.
- Sistemas de membrana intracelulares , como las del aparato de Golgi, RE, complejo endosomal, mitocondrias, cloroplastos, membrana nuclear, vesículas endo y exociticas, etc. Estas membranas tienen la cara citosólica hacia el citosol de la célula (exterior del orgánulo) y la exoplásmica hacia la luz del orgánulo.
FACTORES REGULADOS POR LAS MEMBRANAS CELULARES
- Factores quimiosmóticos : incorporación/expulsión de determinados nutrientes, metabolitos, sales…
- Regulación osmótica del volumen : flujo de iones H2O
- Factores químicos , como la síntesis de ATP
- Transducción de señales: entrada de calcio
- Regulación del pH
- Expulsión o secuestro de metabolitos tóxicos…
Cualquier cambio que se produzca en estos factores, podemos pensar que es debido a una alteración en la organización molecular de la membrana. A nivel experimental, si vemos bajada de ATP en la célula, puede haber varios motivos, pero lo primero que debemos pensar es que la membrana no está correctamente organizada, igual que si observamos una desregulaciones pH.
Dentro de las membranas que afectan a la homeostasis de la célula, hay tres que fundamentalmente van a estar implicadas:
- Membrana plasmática : Daños drásticos en la MP pueden dar lugar a cambios en su organización o en sus funciones, como el mantenimiento de la permeabilidad cuyo cambio puede dar lugar a la pérdida/salida de determinados componentes y orgánulos celulares ocasionando su muerte por
necrósis.
- Membrana del compartimento endosomal: Así mismo, un cambio en la permeabilidad de la MP puede producir una masiva incorporación de agua en la célula alterando las membranas del compartimento endosomal (LISOSOMAS) haciendo que determinados encimas se liberen al citosol y puedan provocar la digestión de componentes y orgánulos celulares (los encimas del compartimento funcionan a pH acido lo que no significa que si los ponemos a pH neutro como el del citosol no pudieran degradar determinados componentes celulares y si esto ocurre el destino final de la célula volvería a ser necrosis porque se digieren todos los componentes celulares). #si en lugar de liberarse todas las enzimas produciendo la digestión de orgánulos, se liberaran poco a poco y se pudiera señalizar con tiempo el problema, se activaría la apoptosis, pero como se ha liberado tan deprisa y ha comenzado la digestión se da lugar a la necrosis.#
- Membranas mitocondriales: Otros daños en la MP pueden producir entradas de calcio al interior de la célula, donde actúa como segundo mensajero teniendo un rango de actuación muy estrecho, por lo que cambios en la cantidad de sus iones pueden aumentar la permeabilidad en las membranas mitocondriales y liberar determinados factores de estas al citosol. En este caso la célula
muere por apoptósis. De la misma manera, este cambio puede tener otros efectos secundarios como
la disminución de ATP ya que es en la membrana mitocondrial donde se encuentra la ATPasa. Las bajadas de ATP pueden tener múltiples efectos secundarios como el aumento de las especies reactivas de oxigeno (peróxido, superóxido...), estos en condiciones normales se producen en cantidades tolerables, pero cuando hay daños en la membrana mitocondrial se producen en exceso y necesitamos eliminarlos mediante encimas antioxidantes aunque cuando incrementa demasiado llegando a un umbral en el que los encimas no pueden seguir actuando se produce la muerte.
NECROSIS: Muerte celular provocada por un agente nocivo que causa una lesión tan grave que no se puede reparar o curar.
APOPTÓSIS: Muerte celular programada provocada por la misma célula, con el fin de autocontrolar su desarrollo y crecimiento, desencadenada por señales celulares controladas genéticamente.
La organización de las membranas tiene como función mantener la homeostasis.
Cuando se produce un estrés en la célula, se produce un mecanismo de adaptación en el cual la célula se adapta a este nuevo cambio, por ejemplo si suben las especies reactivas, la célula produce más encimas antioxidantes y estaría adaptándose. -Este proceso de adaptación es reversible ya que cuando la célula soluciona el problema vuelve a las condiciones normales-.
Hay veces en las que la célula no consigue adaptarse al estrés, o en las que se produce daños mayores, lo cual produce una lesión , porque el daño dura demasiado tiempo o es demasiado potente como para que la célula pueda adaptarse a él.
La lesión celular puede ser reversible si el daño es suave o transitorio, así la célula seguiría usando sus mecanismos de adaptación hasta conseguir la homeostasis y llegue a las condiciones normales. Sin embargo si la lesión es severa o se mantiene mucho en el tiempo , se llega a una fase de lesión irreversible que produce la muerte celular por apoptosis o necrosis dependiendo de la lesión, duración, señal que reciba la célula, y su gravedad.
El paso de agua por la membrana es por acuaporinas pero lo que de verdad regula el volumen es la bomba de sodio potasio de la membrana plasmática.
El volumen celular influye de manera evidente en la migración, crecimiento, muerte y metabolismo intracelular. Si entra agua la célula se hincha y mediante disminución regulada del volumen vuelve al estado normal. Cuando la célula pierde agua hay otro mecanismo regulador que es el incremento regulado del volumen que hace que vuelva al volumen normal.
Es importante que el balance osmótico del interior celular sea constante y su mantenimiento se debe a la bomba sodio-potasio ayudada por transportadores de cationes para regular el volumen.
Cuando la bomba sodio potasio falla, el volumen celular se desregula y lo primero que ocurre es que incrementan el calcio, agua y sodio en el interior de la célula y se libera mucho potasio, esto hace que se produzca un hinchazón (sueling) en el retículo endoplásmico (cisternas del RE que se dilatan) y su consecuencia es que los ribosomas no estarán completamente adheridos a la membrana y no se producen proteínas dentro del retículo.
Este sueling suele ir acompañado de una hinchazón general en las células.
Las vacuolas almacenan el agua para aislarla del citoplasma y que no pueda salir por difusión para que la célula no se lise y muera por necrosis. Esta situación de vacuolización provocada por la entrada de agua debido al mal funcionamiento de la bomba sodio potasio, que nos hace pensar que puede haber un fallo en la estructuración de la membrana, todavía puede ser un cambio reversible. La célula a través de las vacuolas puede eliminar el agua para que la célula no se lise, siendo esta una lesión reversible. Además del sueling, en general también se observa sueling en las mitocondrias y en los lisosomas. La membrana de las mitocondrias se une a un colorante llamado rodamina123 que se mete dentro y no puede salir, pero cuando hay sueling la membrana cambia, se permeabiliza y puede salir sin problema. En los lisosomas ocurre lo mismo.
Cuando hay vacuolas y sueling en la célula es porque ya está muy dañada y suele ser lesión irreversible.
Otros componentes afectados con el sueling es el citoesqueleto de actina. Cuando la membrana no está bien la actina no forma los filamentos desde la membrana plasmática y por lo tanto no se forman los filamentos sino grumos o acúmulos de esta. El sueling en las células puede producir la perdida de microvellosidades y la formación de blebs (ampollas) dilaciones de la membrana, en este caso sería irreversible y muere por necrosis.
Otro factor regulado es la síntesis de ATP que sería la quimiosmósis que se produce a través de la cadena de transporte de electrones y la formación de ATP en la mitocondria.
La mayoría de las rutas de señalización se proceden desde la membrana plasmática, por la activación de receptores que se encuentran en ella, pero no están solo en ésta, sino también en orgánulos internos. Finalmente producen respuestas celulares que pueden ser a medio o largo plazo, de ahí la importancia que tiene una correcta organización de la membrana plasmática para que las rutas funcionen bien.
Los receptores de la superficie no siempre están presentes, necesitan un mecanismo de organización que indique si la célula pone en marcha el mecanismo de poner los receptores en la membrana o bien quitarlos cuando ya se ha producido la señalización. Tanto en el caso de ponerlos como de quitarlos en la membrana, se necesita que la organización de la membrana sea correcta y en dominios de membrana , cuya presencia asegura una correcta señalización.
La homeostasis del pH , si el del citosol es más o menos 7.2, cada orgánulo o compartimento tiene diferentes pH
Todos estos factores regulados por las membranas celulares se pueden producir por reacciones químicas que tienen lugar en las membranas. Se va a tratar de interacciones lípido-lípido, lípido-proteína, de enzimas
modificadores de lípidos, de transporte vesicular y no vesicular y en el caso de hablar de la MP además de la presencia de actina cortical y sus proteínas asociadas.
Es decir, estos factores estarán regulados por la organización de las membranas, que a su vez depende de las acciones de esos componentes.
En estas condiciones el modelo de mosaico fluido de Nicolson sería una representación muy simplificada de la membrana. A pesar de que Nicolson cree que su modelo de membrana no cambia, las variaciones en este han ido cambiando sobre todo respecto a la interacción de proteína-lípido y las interacciones lípido-lípido.
Antes la mayoría de los estudios se centraban en la función y la dinámica de la membrana. Ahora la mayoría de las investigaciones implican el intentar desarrollar modificaciones del funcionamiento de la membrana con el objetivo de corregir disfunciones relacionadas con patologías, sobre todo en la estructura, en el transporte, en la señalización y en la remodelación de las membranas. Para esto hay que replantearse la estructura básica de la membrana.
ORGANIZACIÓN MOLECULAR DE LAS MEMBRANAS CELULARES
Propiedades de la bicapa lipídica y dominios de membrana.
PROPIEDADES DE LA BICAPA LIPÍDICA
La formación de una bicapa es posible gracias a la presencia de componentes lipídicos, todos ellos con carácter anfipático, con cabeza polar en contacto con el agua y una cola hidrocarbonada hidrofóbica hacia el interior de la membrana, lo que hace que en presencia de agua las colas se organicen enfrentadas unas a otras repeliendo el agua, y quedando las cabezas polares hacia el exterior en contacto con el agua. Al ser el interior hidrofóbico pasan mejor moléculas hidrofóbicas a través de la bicapa.
PRINCIPALES COMPONENTES LIPÍDICOS DE LAS BICAPAS
Colesterol, fosfolípidos, esfingolípidos , además una porción de estos lípidos está adherida a
residuos de polisacáridos siendo: glicolípidos.
Los fosfolípidos ,son los glicerofosfolipidos y esfingolípidos.
GLICEROFOSFOLÍPIDOS: tienen una molecula de glicerol-3P que se esterifica en los carbonos 1 y 2 con dos acidos grasos dando lugar al acido fosfatídico y al grupo fosfato se le une un aminoalcohol el cual define el tipo de glicerofosfolipido:
- Fosfatidilserina: unión de serina, se encuentra en la monocapa interna.
- Fosfatidiletanolamina: unión de etanolamina, se encuentra en la monocapa interna.
- Fosfatidilcolina: unión de colina, se encuentra en la monocapa externa.
- Fosfatidilinositol : unión de inositol, se encuentra en la monocapa
- (^) Fosfatidilglicerol: unión de glicerol.
ESFINGOLÍPIDOS: su base estructural es la ceramida (esfingosina con un acido graso unido a su grupo amino mediante enlace amida). Los tipos de esfingolípidos se producen por la unión de distintos sustituyentes al grupo alcohol de la ceramida.
proteoglicanos y glicoproteínas. La capa de oligosacáridos antes se llamaba glicocalix aunque ahora se llama capa de carbohidratos en la membrana, y son los residuos unidos a lípidos o a proteínas en la cara externa de la membrana. POR LO TANTO, Si estamos en la MP la capa estará hacia el exterior de la célula, pero en un lisosoma la capa externa estaría hacia la luz del lisosoma.
COMPONENTES PROTEICOS DE LA MEMBRANA.
Proteínas de membrana. No se pueden clasificar desde el punto de vista de su composición porque son muy diferentes, por lo que se clasifican en función del papel en la membrana o en su defecto según su localización en la membrana.
- Según la función tenemos: marcadores de superficie, receptores, enzimas, proteínas de transporte.
- Según la localización en la membrana: integrales (penetran en la membrana), periféricas (no contacto con la bicapa), ancladas a lípidos (como el glicosilfosfatidilinositol)
En el 72 Singer y Nicolson describen el modelo de mosaico fluido que habla de la bicapa de lípidos donde están las proteínas, siempre con la idea del mosaico fluido: estructura donde las proteínas distribuidas al azar forman parte de la bicapa. Hoy en día se conoce la constitución de la membrana a nivel de nano escala donde hemos observado la presencia de dominios de membrana : regiones dentro de la membrana con características especiales (no mosaico) zonas de la membrana en las que no tenemos la bicapa con las proteínas distribuidas aleatoriamente.
DOMINIOS DE MEMBRNA
Actualmente dentro del funcionamiento de los dominios de membrana se da mucha importancia a la presencia del citoesqueleto sobre todo el de actina aunque también los microtubulos tienen un gran papel en la organización de las membranas en forma de dominios.
Los DOMINIOS se pueden clasificar en 2 grupos:
- Balsas lipídicas (rafts)
- Definición : es una zona de la membrana donde mayoritariamente hay esfingolípidos y colesterol que sirven para el anclaje de determinadas proteínas. Si no está asociado a proteínas no es un raft, aunque sea una zona con muchos esfingolípidos y colesterol.
Encontramos regiones en las que no hay balsas (regiones normales intermedias) llamadas regiones no raft , y las regiones con balsas que son regiones raft.
Las balsas son dinámicas, es decir, en un momento determinado pueden aparecer y en otro separarse y desaparecer. Pueden medir entre 100 y 200 nanometros, como son tan dinámicos a veces podemos encontrar uno muy pequeño y veces en las que varios se unan y formen uno grande, por lo que podemos encontrar tamaños muy variables.
La organización en dominios tiene como función compartimentalizar procesos celulares, es decir, asegurarse de que en un punto concreto de la membrana hay un conjunto determinado de lípidos y proteínas necesarias para que se produzca un determinado proceso en la célula.
Para hablar de raft tenemos que tener en cuenta también el citoesqueleto de actina que ancla todas las proteínas y lípidos en la membrana plasmática.
La actina cortical queda justo debajo de la membrana plasmática y para que un dominio esté perfectamente estructurado tenemos que contar con una correcta estructuración de la actina cortical.
Se piensa que las principales funciones de los rafts son las de centros organizadores para el ensamblaje de moléculas de señalización (los lípidos por si solos pueden actuar como moléculas de señalización como la ceramida, pero además hay proteínas que pueden actuar en rutas de señalización) esto por un lado significa que tienen esfingolípidos en gran cantidad y por otro que la mayoría de las proteínas ancladas son proteínas de señalización.
La organización de los rafts influye en la fluidez de la membrana y en el tráfico a través de ella. En la fluidez de la membrana ya que estas zonas son menos fluidas por su alta presencia en colesterol. En el tráfico, se ha visto que cuando hay movimientos de endocitosis o exocitosis, hay zonas donde mayoritariamente se va a producir la endocitosis de determinados componentes y otras zonas donde se endocita otros componentes. Los rafts van a ser zonas para endocitosis de determinadas moléculas mientras que otras zonas no raft pueden ocuparse de mecanismos de endocitosis de otras moléculas. POR EJEMPLO: La endocitosis mediada por clatrina se produce siempre en zonas no raft, mientras que otras endocitosis se producen mayoritariamente en regiones raft, por eso se dice que estas regiones regulan el tráfico. De esta misma manera regulan el tráfico de receptores ya que estos no se exponen continuamente y a través del tráfico vesicular se desplazan a la membrana o salen de ella, y este movimiento de los receptores (que no tengan que ver con la clatrina) también depende de la correcta organización de los rafts.
■ CAVEOLAS: invaginaciones de rafts lipídicos que no están en el mismo plano que la región no raft. Se encuentran EXCLUSIVAMENTE en la membrana plasmática
■ RAFTS PLANOS: quedan en el mismo plano que el resto de la membrana y solo varia respecto a la membrana en la composición
- Composición y estructura: la mayoría de los rafts lipídicos están en la membrana plasmática, aunque se sabe que otras membranas intracelulares también tienen organizaciones en rafts por ejemplo la red trans del Golgi y los endosomas primarios y de reciclaje, de hecho, la primera vez que se describieron fue en la red trans del complejo de Golgi. Esto es válido para los rafts PLANOS, porque las caveólas se encuentran EXCLUSIVAMENTE en las membranas plasmáticas.
Estructura
La caveolina 1 y 2 se expresan juntas y en la mayoría de los tipos celulares mientras que la 3 está restringida al musculo, donde solo hay 3.
Además de las caveolinas, cuando aislamos las caveólas encontramos otras proteínas que son las cavinas que son proteínas citosólicas que regulan la función y organización de las CAVEOLINAS.
Cavinas: 4 tipos que actúan en complejos con determinadas características
■ 1 formación/invaginación de la caveóla
■ 2 elongación de la caveóla
■ 3 regula la gemación o separación de las caveólas de la membrana y su movimiento a lo largo de los MT. En las caveólas se producían endocitosis por lo tanto requiere que la caveola se escinda y se desplace por el citosol a través de los MT de esto se ocupa esta cavina
■ 4 Especifica del musculo
El funcionamiento total de la caveola requiere de las cavinas 1, 2 y 3. Es citosólica y solo se une a la caveola cuando se está produciendo la invaginación.
PROPIEDADES DE LAS BALSAS LIPIDICAS: En condiciones de reposo nos encontramos distintos dominios rafts que están dispersas por la membrana. Vemos pequeñas plataformas dispersas aleatoriamente en la membrana. Su posicionamiento depende del anclaje al citoesqueleto de actina. Cuando los rafts los encontramos en superficies de mayor tamaño es debido a que las plataformas pueden estabilizarse y unirse entre ellas a través de interacciones prot-prot o lip-prot para ser más grandes, fundiéndose en una sola más grande llamada FASE RAFT. Esto ocurre cuando se activa el raft lipídico y las plataformas pierden el anclaje a la actina y se funden unas con otras dando lugar a la fase raft. Hay evidencias de que hay otros componentes del citoesqueleto localizados en los rafts como la tubulina, vinculina o filamina. Esto se piensa porque fueran regiones de anclaje de otros componentes del citoesqueleto o porque en los rafts necesitaran estas proteínas para unirse con la matriz extracelular.
Los rafts se encuentran estabilizados por otro tipo de proteínas, llamadas GALECTINAS que estabilizan el raft y contribuyen al funcionamiento de este, sobre todo en el tráfico intracelular (no tanto en la señalización). Igual que hemos dicho que las caveólas son un punto donde se puede hacer endocitosis los rafts se van a ocupar con todas las endocitosis que no son de clatrina.
Las galectinas son lectinas y todas ellas tienen una característica común que consiste en que todas tienen un dominio de reconocimiento de carbohidratos (CRD) las galectinas son capaces de reconocer CH en otras moléculas. Todas tienen este dominio que aprox tiene unos 130 Aa. Hay distinto tipos de familias
- Galectinas prototipo: tienen un único dominio de reconocimiento de CH pero pueden funcionar como monómero o como dímero.
- Galectinas quimera: Tienen un dominio de reconocimiento de CH conectado con un péptido aminoterminal de unos 120 Aa
- Galectinas de repetición en tándem: dos dominios de unión a CH unidos por un linker de unos 70 Aa.
Las galectinas pueden estar en el interior de la célula haciendo unas funciones que no tienen nada que ver a cuando están asociadas a los dominios de membrana, pueden estar en el citosol, núcleo, y en los dominios de membrana encontramos las mayas de galectinas porque están unidas a los dominios y forman mayas entre sí. No se entiende el tipo de secreción que sufre la célula para depositar las galectinas en superficie ya que estas no tienen secuencia señal y son sintetizadas por ribosomas libres en el citosol y las proteínas que se sintetizan aquí pueden ir a orgánulos, citosol o núcleo pero las situadas en la membrana o en el exterior de la célula tienen que sintetizarse en la membrana del retículo. Las galectinas que vemos
dentro está bien, sin embargo las galectinas que forman mayas en la membrana se tienen que transportar no se sabe cómo, aunque se dice que puede ser por una vía de secreción distinta a la normal. Se piensa que pueden salir como un intermediario que luego se pliega, o directamente como monómero…pero no se sabe nada.
En el dominio de reconocimiento se unen a glúcidos u oligosacáridos presentes en otras proteínas. Las galectinas en su dominio reconocen la N-ACETILLACTOSAMINA presente en numerosos polisacáridos de muchas glicoproteínas. Proteínas que tienen este residuo son las de la membrana basal, receptores de la membrana prot de la membrana lisosomal. Las galectinas pueden establecer enlaces entre galectinas de la misma familia y entre familias diferentes. La maya se forma por uniones entre las galectinas entre si y luego cada pligomero se une a glicoproteínas o glicolípidos que se unen a otras. Las galectinas solo se unen en dimeros con las de la misma familia, pero la maya puede tener de todo tipo. Enonctramos mayas en la mayoría de tejidos humanos.
Redes de tetraspaninas
Son dominios de memrbana distintos a raft lipídico porque las proteínas que aparecen no tienen nada que ver. Tienen en común que las redes se localizan también en zonas donde hay mucho esfingolipido y mucho colesterol. Son proteínas transmembrana que presentan 4 dominios transmembrana, además de estos presentan un bucle pequeño extracelular y uno grande extracelular y luego las terminaciones N y C en la porción citosólica. Seria una prot integral con 4 dom con los extremos en la cara citosólica y en la extracelular dos bucles uno grande y otro pequeño. En las cel humanas aparecen en todos los tipos celulares y en total son 33 tipos en el genoma humano (se han visto también en hongos y plantas) en cada tipo pude haber mas de una familia. Dentro de los orgánulos de la celula también vemos tetraspaninas, sobre todo el compartimentos relacionados con rutas endociticas como en endosomas, por lo que no son exclusivas de MP. Como característica tienen la capacidad de formar aasociaciones laterales con otras proteínas de membrana lo que da lugar a las redes de tetraspanina. Las proteínas que interaccionan son otras tetraspaninas de otro tipo, receptores acoplados a proteínas G, y diferentes miembros de las integrinas y las inmunoglobulinas. En el procesamiento tetraspaninas se habla de dos posibles situaciones por las que se formaría una red
- 1er caso se piensa que se unen laterlamente a otras proteínas durante el periodo de biosíntesis en el retículo y llegarían a la membrana ya asociadas
- 2nda opción: se piensa que es en el Golgi donde se unen mediante acido palmítico entre tetraspaninas de diferentes tipos o con otras proteínas.
Esto significa que las redes podrían venir prefabricadas del interior de la celula.
En la memrbana podemos encontrar raft plano, caveola, dominios enriquecidos en tetraspaninas que tienen una composición en lípidos similar a la del raft y además es común anclaje a la fibras corticales de actina.
Su función principal se dice que son dominios donde unas proteínas implicadas en rutas de señalización se agrupan apra asegurar el proceso (como los rafts) la diferencia entre ambos son las proteínas.
Los rafts y las redes son la base para el estudio de numerosas enfermedades.
FISIOPATOLOGÍAS DE LOS DOMINIOS DE MEMBRANA.
- Funciones asociadas a los dominios de membrana
- Ejemplos de patologías.
Introduccion: Virchow dijo que todas las enfermedades son cambios a nivel celular. En el caso de las membranas normalmente se intenta hacer cambios en la composición o estructura de laas membranas para remediar alteraciones. Hay enfermedades descritas de las que se conoce la base celular. Hipercolesterolemia celular, fibrosis quística, enfermedades de alzheimer… Las principales funciones asociadas a los dominios es la transducción de señales. Los lípidos en si mismos pueden actuar como mensajeros o en rutas de
normal se produce en regiones no raft y la via amiloidogenica en regiones raft. Estudios demuestran que el péptido betaamiloide se produce tanto en la MP como en las membranas internas. El papel dentro de las células no se conoce, ahora se piensa que en la región trans-golgi y en endosomas es donde se produce el péptido mientras que en la MP se produce la via no amiloidogenica entonces la celula lo intenta liberar y las placas se agregan fuera de la celula. El péptido se forma dentro y por exocitosis sale de la celua y en el exterior, pegado a la membrana en los rafts se agrega para dar las placas.
Se intentan buscar dianas terapéuticas:se busca inhibir la secretasa beta y gamma. La inhibición de la beta causaba demasiados problemas metabólicos por lo que se ha centrado mas en la inhibición de las beta. El problema es que estos encimas no actúan solo en este proceso y si la inhibmos necestamos un tratamiento para contrarrestar los problemas que causa su carencia en otros procesos. Los laboratorios dicen que es mejor aplicarlo en etapas tempranas.
Otro abordaje seria retirar componentes de los rafts para bajar la producción de b-amiloide. Como el colesterol ya que es un gran componente de los rafts, podemos usar medicamentos que los reduzcan como las estatinas que bloquean la ruta metabolica y hacen que haya menos colesterol, pero en el sistema nervioso se fabrica su propio colesterol, no es que le llegue por la sangre porque no atraviesa la barrera hematoencefalica. Pero se ha visto que tomando estatinas no altera la producción de b- amiloide.
Otra aproximación seria desestructurar los rafts pero claro si los desestructuramos surgen multitud de problemas, lo que se pretende es desplazar la proteína APP o las secretasas de la región raft. Pueden usar inhibidores de secretasas con tal estructuración que solo vayan a regiones donde hay muchos niveles de colesterol(rafts) mediante nanoparticulas.
- SINDROME METABOLICO están relacionadas las caveólas. Es un gripo no casual de factores de riesgo que incrementan la posibilidad de desarrollar accidentes cardiovasculares y diabetes tipo II. Hay insulina en suero pero las células no reciben correctamente la señal y por eso se dice que hay resistencia a insulina, dando lugar a patologías.
Dentro de los receptores de las caveólas encontramos el receptor de insulna que pertenece algrupo de receptores tirosina/kinasa que tienen un dominio exracelular, un dominio transmembrana y un dominio citosolico. Cuando se les une un ligando actúan como dimeros, se autofosforilan, uno fosforila a otro y fosforilan otras proteínas dando lugar a la transducción de la señal. Se ha visto que el receptor de insulina se ha expresado en todas las células del organismo, y tiene como dianas el hígado, el tejido adiposo y el musculo esquelético los relacionados con el papel metabolico de la insulina. Cuando hablamos del papel de la insulina en musculo o adipocitos es cuando tiene que ver con niveles de glucosa en sangre. La glucosa entra en sangre mediante GLUT 4, cuando no hay señal de insulina (cuando no actua como ligando en el receptor) glut4 esta en el interior de las células en vesículas, es cuando la insulina se une al receptor cuando el glut4 es desplazado a la membrana para situarse en ella y permitir la entrada de glucosa. Se ha visto que la translocación de glut4 tiene que ver con la presencia de caveolinas y flotilinas por lo que glut4 se situa en la membrana en los rafts lipídicos. En el caso de los adipocitos, los receptores de insulina están localizados en las caveólas, esto significa que los dominios raft tiene papel en la señalización de la insulina. Con experimentos de aislamiento se ha visto que el receptor de insulina esta en la zona porque se une fisicament a a la caveolina 1 y esta unión es imprescindible para que haya señalización de insulina.
Cuando no se produce la señalización de insulina se detectan cambios que tienen que ver con los órganos en los que participaba la insulina como hormona disminuyendo la entrada de glucosa y una supresión de la síntesis de lípidos en el tejido adiposo.
APROXIMACIONES TERAPEUTICAS se ha visto que niveles altos de determinados esfingolípidos en los rafts, el receptor de insulina se va de las caveólas y se situa en los lugares donde están esos
mayores niveles de esfingolípidos gangliosidos. En pacientes con niveles altos de glucosa, los niveles del gangliosido GM3 son 3 veces mayores que un individuo normal, también se encuentra en pacientes con niveles altos de triglicéridos y colesterol. La presencia de GM3 altos seria un biomarcador de resistencia a insulina.
Lo primero que se pensó fue inhibir la síntesis de GM3 y asi disminuia en los gangliosidos y el receptor no se desplaza.
Bloqueando el GM3 se ha visto en animales que aumentan las señales de insulina, la glucosa hepática y han disminuido los lípidos, pero esta idea es la aproximación terapéutica que mas se tiene en cuenta para la resistencia a insulina y la diabetes tipo 2, en fase 2 ya hay fármacos usado que tienen previos datos de que funcionan como inhibidores de gangliosidos aplicado a otro síndrome, el de gaucher que se produce acumuluacion de gangliosidos en lisosomas por falta de encimas o por pH inadecuado.
Redes de tetraspaninas asociadas con una gran cantidad de enfermedades humanas. Cuando las redes no están bien organizadas suele ser por mutaciones en proteínas de su organización y no la estructuren bien.
Usando modelos de cáncer y enfermedades infecciosas en animales se peude atacar a las tetraspaninas y mejorar estas patologías.
Se trata de modular anticuerpos monoclonales contra las tetraspaninas nos aseguramos ir directamenta a la tetraspanina y así vamos directamente a ella con un fármaco que altere la tetraspanina. Actualmente se desarrollan otras aproximaciones. Cuando hay un tumor hay angiogénesis (desarrolla nuevos capilares para recibir mas nutrientes) por eso es un proceso diana en la tumorgenesis, hay tetraspaninas que estabilizan trombos y bloqueándolas hacemos inestable el trombo. Hay aproximaciones terapeuricas para ver cuales son las mas efectivas. Se ha probado con bucles que insertas en la mp y se bloquea la unoi de tetraspaninas con otras tetraspaninas. Se esta usando los mrna de transferencia que se une al mensajero y produce en el unos cortes para evitar transcribir proteínas esenciales en las uniones de tetraspaninas.
TEMA 2 TRAFICO INTRACELULAR, ESTRUCTURAS DE TRANSPORTE Y RUTAS BIOSINTETICAS
Y ENDOCITICAS.
Una visión general en el trafico intracelular vemos una serie de componentes que participan en las dos rutas y que convergen ene l compartimento endosomal. En la via biosintetica/anterógrada se inicia en el RE y de ahí pasa al Golgi y de este en la red trans es donde se dirige el contenido de las vesículas a los diferentes destinos que pueden ser la secreción, proteínas lípidos y azucares de membrana, pueden ir al compartimento endosomal. La endocitica parte de la membrana plasmática incorpora vesículas endociticas va al compartimento endosomal. Por eso el compartimento celular es el que une ambas rutas. Experimento de Pulso y caza: marcar una molecula y ver donde va en la celula. Así palade describió la ruta biosintetica. Brown y goldstein describieron la endocitosis mediada por receptor.
TRAFICO INTRACELULAR
RE tenemos dos regiones. Solo hay un RE pero tiene dos regiones lineales, es decir están en el mismo RE
- RER:Sintesis y procesamiento de proteínas.
Cualquier proteína comienza la síntesis en ribosomas libres en el citosol, hay unas que finalizan la síntesis en estos y hay otras que van al RE para completar su síntesis (via secretora). Estas son las prot destinadas al RER. Dentro de estas proteínas hay solubles y transmembranosas. Las solubles son todas las de secreción (libera la exterior) y las proteínas que se encuentran en el interior de orgánulos que participan en la ruta secretor RE, AG y CE. TAMBEIN hay síntesis de proteínas transmembrnosas que estén en la membrana de RE, MP y en membranas de otros orgánulos. Las proteínas que completan la síntesis en ribosomas libres van al nucleo, los peroxisomas, a cloroplastos y mitoconcdrias. Para destinar las proteínas al lugar correspondiente que tienen que llegar tienne una secuencia señal que les indica donde tiene que ir (si no la tienen se quedan en
COMPARTIMENTO ENDOSOMAL: seria el lugar donde convergen las rutas de endocitosis y secretora. Ess un conjunto de estructuras tubulares que aparece en eel interior de las células donde hay distintos componentes o subgrupos. Por un lado los endosomas tempranos que se originan por vesículas que proceden de la MP con un pH de 6.5 y tienen un contenido mas acido que el del citosol mediante las bombas de protones. Los endosomas tempranos se ttransforman en cuerpos multivesiculares donde el ph es de 5.5 que finalemente acaban convirtiéndose en endosomas tardíos con pH 4.5que son los que reciben desde la red trans del Golgi todas las hidrolasas acidas y proteínas de membrana para hacer la digestión celular. El lisosoma es el compartimento final donde se degradan todos los productos, el ph es de 4.5 y la diferencia con e tardío es que el lisosoma tiene las encimas activas porque se elimina el fosfato de la manosa. El lisosoma en si mismo no tiene contacto con nada, no recibe mas encimas del Golgi ni mas componentes para degradar. También hay endosomas de reciclaje son aquellos que se ocupan de devolver a la membrana determinados componentes, tienen un pH de 6.8 ligermanete mas acido que el cdel citosol.
TIPOS DE ESTRUCTURA DE TRANSPORTE EN EL TRAFICO VESICULAR.
El moimiento tanto de proteínas como de cargas se produce a través de diferentes tipos de estructuras de transporte y no solo a través de vesículas. Todas las estructuras funcionan en rutras retrogradas y anterógradas. En principio cualquier estructura de transporte brota a través de una membrana y se funde con una membrana diana.
A demás de las vasiculas hay tubulos membranosos elongados que también brotan a partir de una membrana, se mueves a través de los carriles y también se funden con membranas receptoras.
Hay revestimientos de las vesículas y los tubulos con proteínas y este reestimiento se tiene que perder antes de que se funda con la membrana receptora.
El trafico depende de un gruo de proteínas , las proteínas GTPasasmonomericas implicadas en rutas de señalización. Regulan todo el trafico: el brote de la vesicula, el transporte, la fusión con la membrana aceptora. Cualquier etapa esta controlada por GTPasasmonomericas. Hay un factor GDI que asegura que la unión de la GTPasa al GDP, para que la GTP asa se active y este unida ahora a GTP interviene la GEF, para volver al estado inactivo necesitamos una PROTEINA activadora de la hidrolisis de GTP y hacer que la GTPasa vuelva a estar unida a GDP quedando inactiva, esta proteína es la GAP.
Para que se produzca el transporte de vesículas se produce la formación de la vesucula que incluye la selección de la carga que debe llevar la vesicula. Una vez que la vesicula se forma se escinde de la membrana, pierde el revestimiento y se une a la membrana del compartimento receptor donde están las proteínas SNARE.
Las vesículas de transporte para el trafico vesicular son
Tienen homologías similares, todos necesitan adaptadores, siempre necesitan presencia de GTPasa…
Estas tres funcionan en la via biosintetica y endocitica, las cop II en el anterógrado copI retrogrado y clatrina de Golgi al endosoma y en las endocitosis mediadas por clatrina.
Cada proteína de transporte tiene proteínas de revestimiento. Dependiendo del tipo de vesicula habrá diferentes GTPasas asociadas.
VESICULAS COP II: Necesitamos proteínas citosólicas de reclutamiento de cubiertas, se recluta en el punto donde se va a formar la vesicula, para esto necesitamos una GTPasa que en el caso de COP II es Sar1. Ademas en el retículo necesitamos una proteína integral que participe en la formaicon de la vesicula como
GEF (factor intercambiador de nucleótidos) y esta prot integral es Sec12. Para que se reclute la cubierta. Sar 1 se une a la membrana y
La GTPasa libera una cola hidrofóbica que la une a la membrana del retículo. Una vez esta anclada la gtpasa se forma un complejo de sec 23 y 24 el 24 se encarga de reclutar la carga que transporta la vesicula, una vez que se une se une otro complejo proteico formado por sec 13 y sec 31 y todo el complejo es el que reviste a la vesicula de tipo cop II. Sar 1 esta inactiva en el citosol, se une aSec 12 y se une a la membrana ya estando activa.
Ahora la vesicula se tiene que escindir, sec23 actua como GAP promoviendo la hidrolisisi del GTP y el desensamblaje de la cubierta en la vesicula. Sar 1 unida a GTP se situa en el cuello de la vesicula y la extrangula y libera. (como la dinamina en la vesicula de clatrina)
COP I necesitamos recubierta, en este caso se encarga ARF 1, NECESITAMO protenas en la membrana del gogi que actúen como GEF para que la activen, en este caso son proteínas periféricas de la membrana del Golgi. La unión del revestimiento es en bloque, todo junto, el coatomero se une a ARF1 y el coatomero se encarga de reclutar las cargas. Para la excinsion de la vesicula es la misma que recluta las cubiertas ARF1GTP forma un anillo que libera la vesicula. ARFGTPasa hidroliza.
VESICULAS DE CLATRINA: ARF6 recluta la cubierta, el recubrimiento se hace por la clatrina y complejos adaptadores para que reclute las cargas porque las clatrinas no pueden reconocer las cargas. El monómero de la clatrina es un trisquelion que se autoensambla formando pentágonos o hexágonos dañdo lugar a una maya que reviste. Dentro de los complejos adaptadores de la clatrina están las APs GGAs y estoninas. El receptor de la membrana reconoce al ligando (la carga), el adaptador reconoce al receptor y la clatrina se une al adaptador porque la clatrina reviste pero no reconoce como en los casos anteriores en los que el revestimiento reconoce la carga.
Cada complejo adaptador participa en diferentes vías de transporte, en una endocitosis participa AP2 y estonina 2. En la transferencia de edosoma a lisosoma el adaptador es AP3 y en la red trans Golgi a lisosomas también AP3 aunque a veces actua GGA y en el retrogrado de endosoma a Golgi es AP1A o AP4. Generalmente GGA va de la trans Golgi al endosoma. Las estoninas en la via endocitica de la membrana al c. endosomal y las APs depende.
En este caso es la dinamina la que polimeriza en el cuello de la vesicula de clatrina y una vez hidrolizado el GTP la hidrolisis genera la energía para que se excinda la vesicula.
Tmabien encontramos movimeintos de transporte en elementos tubulovesiculares. Dentro de estos se consideran:
- ERES (porción del retículo por donde salen las cargas para ir al trafco) y el compartimento ERGIC (entre el RE y el AG)
- COMPARTIMENTO ENDOSOMAL: es un conjunto de estructuras tubulares
- SECRECION CONSTITUTIVA: lleva a cabo cualquier celula para liberar a la matriz los componentes de esta.
- TRANSPORTE RETROGRADO desde el AG.
Todos estos transportes se llevan mas acabo por los elementos tubulovesiiculares que por vesículas. Los elementos que tienen son los mismoas que los que tienen las vesículas. La selección de la carga depende del revesitimiento y por ello necesita el mismo una vesicula que un túbulo.
ERES: SE RECONOCE morfológicamente como regiones del RER donde no hay ribosomas adheridos y están organizados en pequeñas vesículas o estructuras tubulares, protuberancias etc
ERGIC: lugar de destino inicial para cualquier vesicula que venga desde el retículo, además es donde la carga se queda para posterior mente viajar al Golgi o para viajar de nuevo retrogradamnte al retículo. Hay duda a
BIOSIN: A PARTIR DE COMPONENTES SINTETIZAOS EN EL RE HAY UN TRAFICO EN DIRECCION
MP que pasa por el ergi, ag, y se dirige de la trans Golgi a la MP o a que se produzca un producto de secreción o al compartimento endosomal
ENDOCITICA, se inicia en la MP con distintos transportadores y hace que se integren en la celula moléculas que estaban en el exterior o porque sean proteínas de la MP que se tienen que reciclar o retirar de ella.
Para que una determinada proteína producida en el retículo se dirija a una determinada vesicula de transporte necesita una secuencia señal para que sepa que vesicula la transporte y el destino que tiene. Ej: proteínas marcadas con manosa6P son las que pertenecen al compartimento endosomal y se desplazan en vesículas de clatrina.
La primera etapa de la biosinteitica es el transporte entre el RE y AG, todas las prot primero sufren control de calidad: asegurar que las prot tienen correcto pegamiento y están perfectamente glicosiladas. Para esto las membranas y contenido de retículo tienen proteínas chaperonas que son las que se encargan de las modificaciones oportunas de la proteínas y permitirle, hay chaperonas moleculares que se encargan de formación de puentes disuluro, plegamiento y ensamblaje, si una vez actuada esta no esta completamente plegada es retrotraslocada al citosol y es degradada por el proteasoma, este proceso de RETROTRASLOCACION Y DEGRADACION se conoce como ERAD.
Las prot sintetizadas en el RE llevan todas el mismo polisacárido de 14 residuos, la prot del retículo a través de las glucosidasas 1 y 2 se le retiran 2 de las tres glucosas finales y ya solo le queda 1 glucosa. Las chaperonas siguientes solo pueden reconocer la prot cuando tiene una sola glucosa. Una vez tenemos una glucosa se une la proteína a una chaperona en el retículo que puede ser la calnexina o calreticulina, cualquiera de las chaperonas vale. En el momento en el que la prot se une a la chaperona correspondiente queda retenida para que encimas como la proteindisulfuroisomerasa sea capa de establecer puentes disulfuro en la prot, una vez establecidos vuelve a actuar la glucosidasa 2 y retira la glucosa que quedaba. EN estas condiciones la proteína estaría correctamente plegada y podría salir del complejo de Golgi pero en un primer ciclo no se consigue y no esta correctamente plegada por lo que actua una glucosiltransferansa que le vuelve a poner una glucosa para que pueda volver a ser reconocida por las chaperonas. La calnexina es de membrana y la calreticulina es soluble. Si la proteína no consigue ser plegada es retrotraslocada, ees ubiquitinizada y posteriormente degradada a péptidos por el proteasoma, este es el proceso ERAD.
Teniendo proteínas correctamente plegadas entre el ER y el AR tenemos transporte anterógrado que saca las prt del retículo y el retrogrado que lleva del Golgi y el ergic para el retículo. La mediación de este transporte es con señales de salida y la via antero es por copII y retro cop I.
TRANSPORTE ANTEROGRADO: HAY que mover tanto proteína solubles como transmembrana. En todos los casos la carga que lleva la vesicula que sale del RE tiene una sec señal unida a sec24 que forma parte del revestimiento copII cuando la prot es soluble para salir del re se une a un receptor transmembrana que es una prt del retículo. Las proteínas solubles que sean del retiulo (residentes) llevan una señal de retención KDEL que indica que es del retículo. Pero estas proteínas si salen y luego vuelven en vesículas COP I. Cuando la que sale es transmembrana sale integrada en la membrana. Una ve que las vesículas están estructuradas salen del RE al AG y esta salida es la que por fusión homotipica origina el compartimento ERGIC, esta fase no esta clara como se produce en cuanto a su movimiento.
En el ERGIC se puede producir un transporte retrogrado que devuelve proteínas del ergic al retículo endoplásmico, se ha visto que es inmediato. Tienen que volver los receptores y las SNARE.
Se ha visto que hay receptores KDEL tanto en el retículo como en el AG. El pH de los compartimentos de RE AL FINAL DEL AG se va acidificando. Lo que ocurre es que en el RE hay pH neutro y hace que las proteínas tiendan a agregarse iimpidiendo que se unan al receptor para salir, sin embargo algunas salen, pero se ha visto que en el AG hay receptores KDEL y al ser el pH acido permiten que las proteínas encuentren su receptor y sean devueltas al retículo en vesículas cop I.
TRANSPORTE Y RECICLAJE EN EL AG. A pesar de que cada vez es mas seguro que el mecanismo que se produe en el AG es el de maduración de cisternas hay investigadores que siguen hablando del transporte vesicular que dice que el paso de una cisterna a otra se produce por vesículas copII y copI devuelven a las cisternas anteriores. El modelo de maduración dice que las vesículas cop II forman el ergic y a medida que llegan mas el ergic pasa a cis y continuamente hay flujo de vesículas, en este caso el único trafico seria retrogrado que devuelve los componentes de unas cisternas a otras, según este modelo se considera que el CG tiene cisternas cis, medianas, trans y red trans.
