El Sistema de Endomembranas: Tráfico de Proteínas y Retículo Endoplasmático

Sistema de Endomembranas

La célula, en su evolución, ha ido creando compartimentos de membrana en su interior, dividiendo su citosol. Estos compartimentos están separados por membranas, relacionados entre sí, y en cada uno se realizan funciones diferentes. La membrana que los separa siempre es una bicapa de fosfolípidos, aunque presentan diferentes proteínas. Estas proteínas pueden ser:

Proteínas estructurales específicas, las que constituyen la propia membrana. Ejemplo: porinas mitocondriales.
Proteínas transportadoras específicas. Ej: bomba protónica en lisosomas y endosomas.
Proteínas enzimáticas solubles específicas. Ej: catalasas del peroxisoma.
Proteínas receptoras específicas de la membrana de cada orgánulo. Ej: Rab de los endosomas.
Proteínas enzimáticas asociadas a la membrana (no estructurales). Ej: disulfuro-isomerasa del retículo.

Tráfico de Proteínas

Las proteínas deben viajar a sus destinos desde su lugar de síntesis. Ej: polirribosomas libres en el citosol o adheridos al retículo. Hay varios tipos de transporte:

Transporte regulado en los poros, que se trata de estructuras que regulan el paso selectivo de sustancias. Solo aparecen en la envoltura nuclear. Tienen dentro un «guardián del poro», además de proteínas laterales. Las proteínas que van al núcleo han sido sintetizadas en los polirribosomas libres del citosol, y constan de un péptido señal al núcleo.
Transporte transmembrana, a través de translocadores proteicos y chaperonas (proteínas celadoras). Entrada de las proteínas mitocondriales a la mitocondria: TOM TIM23,22 y pp CHAPERONAS
Transporte vesicular, por ejemplo, en endosomas. Las proteínas van desde el Retículo a través de vesículas.

Señales de Clasificación de Proteínas

El péptido señal en la proteína desplegada está casi siempre en el extremo amino. En pocas ocasiones está en el centro o en el extremo COOH.
Hay una segunda señal de clasificación, la región señal, que es una zona de concurrencia de varios péptidos señal.

Estructura del Retículo Endoplasmático

Una sola gran cavidad, el lumen, delimitada por el RE granular (REG) y el RE liso (REL). Hay distintas proteínas unidas a cada espacio. El granular tiene sáculos alargados sobre los que se unen los ribosomas, mientras que el liso es una estructura más tubular sin ribosomas.
El REG está más desarrollado que el REL, excepto en las células especializadas en la síntesis de lípidos.

Tipos de RE

REG
REL: se
Retículo en lamelas anulares
Retículo sarcoplasmático:
Compartimento secuestrante de Calcio

Proteínas Sintetizadas en Ribosomas Adheridos al REG

Se sintetizan tanto proteínas asociadas a la membrana como solubles.

Las proteínas solubles se «descuelgan» de los ribosomas que las están sintetizando y flotan inicialmente en el lumen del RE.
Las proteínas ancladas no se quedan solo en el RE, también pasan a Golgi, ribosomas o vesículas de secreción. Estas proteínas van pasando por los diferentes sistemas saculares de Golgi, donde se empaquetan específicamente, separando los tipos.

Paso de Proteínas a través de la Membrana del REG

Las dos subunidades de los ribosomas están sueltas, y se unen al RNAm del núcleo, que ha viajado hasta el citosol. Cuando aparece el péptido señal en la proteína sintetizándose se anclan a la membrana del RE y los ribosomas siguen sintetizando la proteína. Las proteínas se introducen en el translocador y van creciendo hacia dentro del RE, donde hay una peptidasa que corta el péptido señal.
En cuanto se sintetiza el péptido señal, que indica que se trata de una proteína del RE, es reconocido por el complejo SRP (Partícula de Reconocimiento del péptido Señal), y se une a él.
El complejo SRP está formado por seis cadenas polipeptídicas y una hebra pequeña de RNA 7 S que se enlaza por complementariedad de bases. Posee una parte que reconoce el péptido señal, otra por el que se une al sitio A del ribosoma, y otra parte GTPásica por el que se ancla al receptor en el RE. Se coloca pegada a la subunidad mayor del ribosoma y bloquea la incorporación de nuevos aminoácidos.
En el RE hay una proteína anclada a la membrana, que casi todo su dominio está en el citosol. Esta proteína reconoce el complejo SRP y lo «engancha», adhiriendo la proteína al RE. Coloca la proteína enfrentada a un translocador proteico (complejo de proteínas), que implican también en la membrana la presencia de chaperonas. El complejo SRP se recicla y la proteína que en síntesis va entrando al RE. Se trata de una incorporación cotraduccional, es decir, la proteína se incorpora durante su síntesis. El paso al lumen del retículo es con gasto energético, y requiere de proteínas chaperonas (complejo Sec61).

1 Proteínas Solubles

Cuando el translocador reconoce al péptido señal y se va introduciendo, hay una peptidasa al lado del translocador que corta el péptido señal, y la proteína madura se libera al lumen.

2 Proteínas Transmembrana

Con extremo COOH en citosol y NH₂ en el lumen: la proteína consta de dos péptidos señal: el primero se ancla a la membrana (secuencia de inicio de la translocación), y el segundo detiene la translocación (secuencia de fin de la translocación). La peptidasa corta el primer péptido.
Con extremo COOH en el lumen y NH₂ en citosol: un péptido señal se ancla a la membrana, y no actúa ninguna peptidasa.
Ambos extremos en citosol (paso doble): dos péptidos señal y no actúa peptidasa.
Proteínas multipaso: alternancia del primer y segundo péptido repetidas veces.

Procesos en el Lumen del REG

Procesos de plegamiento correcto de proteínas.

1 Proteínas de Unión BiP

Al entrar las proteínas en el ambiente del lumen e ir formándose dentro, intervienen las BiP, de la familia de las hsp70, que mantienen a las proteínas aisladas entre ellas. Se unen a cortos fragmentos peptídicos hidrofóbicos y evitan que se plieguen de manera incorrecta. El organismo tiene un sistema de alerta para la falta de estas proteínas y activa su síntesis:

El RE detecta gran cantidad de proteínas con mal plegamiento. La proteína mal plegada envía señales hacia el lumen.
En la membrana se encuentran proteínas quinasas, que al fosforilarse activan el dominio ribonucleasa, que es capaz de romper RNAs, como los precursores de RNAm que se encuentran alrededor del RE.
La ribonucleasa (proteína quinasa activada) corta y empalma los exones del mRNA sintetizando una proteína reguladora con la función de buscar los genes que codifican las proteínas chaperonas BiP, y activa su región promotora.
Entra por los poros de la envoltura nuclear, activa esos genes, que generan RNAm, salen del núcleo y van a los ribosomas del RE, donde se sintetizan las chaperonas.

2 Ruptura de Puentes S-S

Los aminoácidos hidrofóbicos se «esconden» al pasar a un medio acuoso como es el lumen, para evitar plegamientos incorrectos, pero no es la única forma de plegamiento incorrecto: también hay aminoácidos azufrados. Para que esto no provoque un plegamiento incorrecto, la glutation reductasa se une a ellas en el citosol. Pero cuando se sintetizan en el lumen del RE no hay glutation reductasa, y una proteína enzimática periférica asociada a la cara interna de la membrana se encarga de evitar este plegamiento incorrecto: la proteína disulfuro-isomerasa. Va modificando la disposición de estos puentes, y mantiene los necesarios para que la proteína tenga la conformación más estable, de mínima energía, y no origine plegamientos incorrectos.

3 N-Glicosilación Central

Si se da esta N-glicosilación se da en el aminoácido asparagina.
El resultado final es la adición de 2 moléculas de N-acetil-glucosamina, 9 manosas y 3 glucosas. El proceso es progresivo:
En el citosol se une cada azúcar a un lípido (dolicol). El azúcar glucosa se une como azúcar activado unido al UDP.
A continuación se unen 5 manosas unidas al GDP. El dolicol hace un salto de flip-flop y se introduce a la cara luminar. En este dominio se unen 4 manosas y 3 glucosas. El esqueleto va unido aún al dolicol. Cotraduccionalmente pasa el esqueleto a la asparagina especial.
Este esqueleto siempre es constante, pero luego en el RE pueden sufrir cambios (recorte de azúcares) eliminando normalmente glucosas y alguna manosa. Luego pasarán a Golgi, donde pueden sufrir más modificaciones.

4 Unión de Proteínas a Glicolípidos de la Membrana del REG

Hay algunas proteínas ancladas al retículo que se sueltan por el extremo NH₂ en el interior y se unen a un glicolípido, generalmente por el glucosil-fosfatidil-inositol. Esta unión es un anclaje GPI, regulable por una simple fosfatasa. Este tipo de modificación solo sirve para proteínas que van a la membrana plasmática.

5 Reconocimiento y Destrucción de Proteínas Mal Plegadas

Algunos azúcares sirven de reconocimiento para unas proteínas ancladas en la membrana del RE llamadas calnexinas, que «retienen» a las proteínas mal plegadas hasta que actúa una glucosilasa y rompe este enlace. Si las chaperonas consiguen el plegamiento correcto de la proteína esta puede salir del RER. Si no, una glucosiltransferasa añade un azúcar activado de nuevo a la proteína mal plegada y de nuevo es reconocida por la calnexina, para seguir de nuevo el ciclo. Las que tras ciclos sucesivos no se han plegado correctamente, otra chaperona las reconoce y envía a la membrana del retículo a una proteína translocadora, que la envía al citosol, donde actúa una N-glucanasa para eliminar los azúcares y reutilizarlos. Son marcadas por ubiquitina, y degradadas en proteosomas para reaprovechar sus componentes.

Retículo Endoplasmático Liso

Estructuras tubulares aplanadas en continuación con el REG.
Funciones:
- Síntesis de lípidos: fosfolípidos, colesterol, parte lipídica de las proteínas…
- Detoxificación: tiene unos enzimas específicos (citocromo P450), que hidroxilan a las moléculas a detoxificar. Estos solubilizan la proteína y permiten su eliminación más fácil por orina. Gran variedad de drogas la sufren: barbitúricos, anticoagulantes, antibióticos…
- Metabolismo del glucógeno: su destrucción se da en varias fases. La glucosa-6-P por tener P queda retenida. A veces es necesaria su eliminación, y mediante la glucosa-6-fosfatasa vuelve a glucosa libre.
- Almacenamiento de Calcio

Biosíntesis de Lípidos

En el REL se produce la síntesis de todos los lípidos, incluso fosfolípidos y colesterol, por lo que cumple una función principal en la formación de membranas.
En el citosol se produce una primera reacción: dos restos de ácidos grasos se unen a glicerol-3-fosfato (reacción de esterificación), eliminando el Acetil-CoA. Una acil transferasa incorpora el ácido fosfatídico en la hemicapa citosólica del REL. (Ácido fosfatídico es un precursor de fosfolípidos).
Después ocurren reacciones específicas según el fosfolípido. Una fosfatasa elimina el grupo P, por lo que el OH que se queda libre se unirá a la «cabeza» del fosfolípido, que vienen activadas unidas a nucleótidos. Esta unión se produce por enzimas específicas (en este ejemplo se une colina, por lo que se utiliza colina fosfotransferasa, formando una fosfatidilcolina).
En el momento de la incorporación a la hemicapa externa actúa como una flipasa inespecífica, que por movimiento de flip-flop provoca el crecimiento asimétrico de la membrana, pasando algunos a la hemicapa externa.

2 Proteínas de Transferencia de Fosfolípidos (Proteínas de Intercambio)

En la membrana del REL se forman los fosfolípidos, y se incorporan a la hemicapa citosólica. Unas proteínas intercambiadoras «envuelven» al fosfolípido, que es hidrofóbico. Las proteínas intercambiadoras «extraen» el fosfolípido y lo desplazan por el citosol hasta llegar a la hemicapa del orgánulo, que no tiene comunicación vesicular, y allí las insertan.

Biogénesis del REG

Las proteínas se sintetizan en los ribosomas del REG (Ir a incorporación)
La síntesis de lípidos descrita arriba.