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 pueden seleccionar de manera específica qué moléculas deben ir a cada compartimento,las cuales son en sí mismas responsables de las funciones de tales compartimento. Por ejemplo, a la membrana plasmática deben ir receptores, moléculas de adhesión, canales, etcétera. Las vesículas son cargadas en el compartimento fuente con aquellas moléculas que deben ser transportadas, posteriormente son dirigidas hacia el orgánulo diana, al que reconocen, y finalmente se fusionan con él. Entonces, las moléculas transportadas formarán parte del orgánulo y serán las responsables de su función, aunque otras moléculas sólo estarán de paso y serán empaquetadas en otras vesículas para ser transportadas a otro compartimento celular.

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 producen de forma continua.

Formación de vesículas

La formación de una vesícula en un compartiemento fuente es un proceso complejo. Participan numerosas moléculas: las que seleccionan a las moléculas que tienen que ser transportadas, las que participan en la formación y escisión de la propia vesícula.

El proceso de formación vesicular supone una serie de pasos antes de que sus moléculas formen parte de la vesícula.

La formación de vesículas 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. 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 que formarán parte de la cubierta de la vesícula y que también se encuentran en el citosol. Entre las primeras proteínas reclutadas por las moléculas Arf/Sar están las proteína adaptadoras. Éstas se encargan de seleccionar las proteínas que deberán incorporarse en la vesícula. 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. También son las responsables de incorporar otras proteínas integrales que han de ser también 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. Al mismo tiempo que se produce el mecanismo de selección se incorpora una segunda capa de proteínas de la cubierta necesarias en para la formación de la vesícula.

La formación de la vesícula es un proceso que va en paralelo con el reclutamiento de las moléculas que se transportarán. Es un mecanismo complejo en el que participan numerosas proteínas. Curvar a las membranas en el inicio de la formación de una vesícula requiere energía y la aportan proteínas que se insertan en parte en una de las hemimebranas y que tienen unas secuencias de aminoácidos denominados BAR. Hay dos tipos N- y F-BAR. Es posible que ambos dominios generen la curvatura en diferentes momentos de la formación de la vesícula. En cualquier caso, ambas forman túbulos que sobresalen de la membrana del orgánulo fuente, en cuyas membranas se encuentran las proteínas adaptadoras unidas a las proteínas que han de ser transportadas. Paralelamente se incorpora una segunda capa de proteínas que forman parte del recubrimiento como la clatrina o las COP, las cuales parecen tener dos funciones: ayudar a reclutar más proteínas adaptadoras para incorporar más moléculas a la vesícula y formar una estructura redondeada a partir de las curvaturas iniciales de la membrana, dando forma final a la vesícula. Sin embargo, para escindir la vesícula del compartimento fuente se necesita de otras proteínas, denominadas dinaminas, que estrangulan la comunicación membranosa entre el compartimento diana y la vesícula. En la formación de vesículas, al menos en la membrana plasmática durante la endocitosis, participan también los filamentos de actina que arrastran y alejan a la vesícula de la membrana.

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. Durante este trayecto el recubrimiento de la vesícula no se desprende sino que parece participar en el reconocimiento inicial del compartiemento diana. Tras ello 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.

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 Martens 2008).

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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