CAPÍTULO 49: Tráfico y distribución intracelulares de proteínas

Dentro de la célula, las proteínas son sintetizadas en polirribosomas, pero desempeñan sus funciones particulares en muchas ubicaciones subcelulares diferentes. Algunas están destinadas a ser componentes de orgánulos específicos, otras para el citosol o las diversas membranas celulares y aún otras para exportación. De este modo, hay considerable tráfico intracelular de proteínas. En 1970, Blobel reconoció por vez primera que para que las proteínas lleguen a sus ubicaciones apropiadas, por lo general contienen información (una señal o secuencia codificadora) que las dirige de manera apropiada. Esto llevó a la identificación de varias de las señales específicas (cuadro 49-1), y quedó de manifiesto que ciertas enfermedades se producen por mutaciones que afectan estas señales. En este capítulo se comentan el tráfico intracelular de proteínas y su distribución, además de que se consideran brevemente algunos de los trastornos que se producen cuando ocurren anormalidades.

Puede considerarse que las vías biosintéticas de proteína en células son un sistema de distribución grande. Muchas proteínas portan señales (por lo general, pero no siempre, secuencias de aminoácidos específicas) que las dirigen a su destino, lo que asegura que se suministren a la membrana o el compartimento celular apropiado; estas señales son un componente fundamental del sistema de distribución. Las secuencias señal generalmente son reconocidas e interactúan con áreas complementarias de otras proteínas que sirven como receptores para las que contienen las señales.

Una importante decisión de distribución se toma en etapas tempranas de la biosíntesis de proteína, cuando proteínas específicas son sintetizadas sea en polirribosomas libres o unidos a membrana. En 1971, Blobel y Sabatini propusieron la hipótesis de la señal, en parte para explicar la distinción entre polirribosomas libres y unidos a membrana. Propusieron que las proteínas sintetizadas en polirribosomas unidos a membrana contenían una extensión peptídica N terminal (péptido señal N terminal) que hace que queden fijos a las membranas del ER (polirribosomas unidos a membrana), y facilita la transferencia de proteína hacia la luz del ER. Por otro lado, los polirribosomas que sintetizan proteínas que carecen del péptido señal retendrían el movimiento libre en el citosol (polirribosomas citosólicos). Un aspecto importante de la hipótesis de la señal es que todos los ribosomas tienen la misma estructura y que la distinción entre ribosomas unidos a membrana y libres depende sólo de que los primeros portan proteínas que tienen péptidos señal. Dado que muchas proteínas de membrana son sintetizadas en polirribosomas unidos a membrana, la hipótesis de la señal desempeña un importante papel en conceptos de montaje de membrana. Las regiones del ER que contienen polirribosomas unidos se llaman ER rugoso, y la distinción entre los dos tipos de ribosomas da lugar a dos ramas de la vía de distribución de proteínas, llamadas la rama citosólica y la rama del ER rugoso (RER) (figura 49-1).

Las proteínas sintetizadas por polirribosomas citosólicos son dirigidas a mitocondrias, núcleos y peroxisomas por señales específicas, o permanecen en el citosol si carecen de una señal. Cualquier proteína que contiene una secuencia de dirección que después es eliminada se denomina una preproteína. En algunos casos, también se elimina un segundo péptido, y en ese caso la proteína original se conoce como una preproproteína (p. ej., preproalbúmina; capítulo 52).

Las proteínas sintetizadas y distribuidas en la rama del RER (figura 49-1) incluyen muchas destinadas para diversas membranas (p. ej., del ER, el aparato de Golgi [GA], la membrana plasmática [PM]), así como enzimas lisosomales, y aquellas para exportación desde la célula por medio de exocitosis (secreción). Así, estas diversas proteínas pueden residir en las membranas o en la luz del ER, o seguir la ruta de transporte principal de proteínas intracelulares hacia el GA. En la vía secretora o exocitótica, las proteínas son transportadas desde el ER → GA → PM, y después son liberadas hacia el ambiente externo. Las proteínas destinadas para el GA, la PM, ciertos otros sitios, o para secreción, son transportadas en vesículas de transporte (figura 49-2); más adelante se describirá brevemente la formación de estas importantes partículas. Ciertas otras proteínas destinadas para secreción son transportadas en vesículas secretoras (figura 49-2); éstas son en particular prominentes en el páncreas y en ciertas otras glándulas. Su movilización y descarga se activan y desactivan cuando se requiere, y a menudo se denominan “secreción regulada”. En contraste, las vesículas de transporte que ocurren de manera continua mediante la vía secretora se denominan “transporte constitutivo”. En el capítulo 46 se describe el paso de enzimas a los lisosomas usando la señal de manosa 6-fosfato.

El aparato de Golgi está involucrado en la glucosilación y distribución de proteínas

El GA desempeña dos papeles importantes en la síntesis de proteína. En primer lugar, está involucrado en el procesamiento de las cadenas de oligosacárido de la membrana y otras glucoproteínas N-enlazadas, y contiene también enzimas involucradas en la O-glucosilación (capítulo 46). En segundo lugar, está involucrado en la distribución de diversas proteínas antes de su suministro a sus destinos intracelulares apropiados. Todas las partes del GA participan en el primer papel, mientras que la red trans-Golgi (TGN) está involucrada particularmente en la segunda y es muy rica en vesículas.

Las chaperonas son proteínas que estabilizan proteínas sin plegamiento o con plegamiento parcial

Las chaperonas moleculares son proteínas que estabilizan intermediarios no plegados o parcialmente plegados, lo que les da tiempo para plegarse de manera apropiada, y evita interacciones inapropiadas, lo que combate así la formación de estructuras no funcionales. Casi todas las chaperonas muestran actividad de ATPasa, y se unen a ADP y ATP. Esta actividad es importante para su efecto en el plegamiento de proteína. El complejo de ADP-chaperona a menudo tiene afinidad alta por la proteína no plegada, que, cuando se une, estimula la liberación de ADP con reemplazo por ATP. A su vez, el complejo de ATP-chaperona libera segmentos de la proteína que se han plegado de manera apropiada, y el ciclo que comprende unión de ADP y ATP se repite hasta que la proteína es liberada. Las chaperonas se requieren para el direccionamiento correcto de proteínas a sus ubicaciones subcelulares. En el cuadro 49-2 se listan varias de las propiedades importantes de estas proteínas.

Las chaperoninas son la segunda clase importante de chaperonas. Forman estructuras tipo tonel complejas, en las cuales una proteína no plegada es secuestrada para separarla de otras proteínas, lo que le da tiempo y condiciones idóneas en las cuales plegarse de manera apropiada. La estructura de la chaperonina bacteriana GroEL se ha estudiado en detalle. Es polimérica, tiene dos estructuras tipo anillo, cada una compuesta de siete subunidades idénticas y, de nuevo, el ATP está involucrado en esta acción. La proteína de choque por calor Hsp60 es el equivalente de GroEL en eucariontes.

Las proteínas sintetizadas por medio de la rama de distribución citosólica contienen una señal de captación, lo que les permite ser captadas hacia el orgánulo subcelular correcto o, si están destinadas para el citosol, carecen de una señal de direccionamiento. Las señales de captación específicas dirigen las proteínas a las mitocondrias, el núcleo, y peroxisomas (cuadro 49-1). Dado que la síntesis de proteína está completa antes de que ocurra transporte, estos procesos se denominan translocación postraduccional. Ahora se considerarán, a su vez, los mecanismos involucrados.

Casi todas las proteínas mitocondriales son importadas

Las mitocondrias contienen muchas proteínas. Trece polipéptidos (en su mayor parte componentes de membrana de la cadena de transporte de electrones) son codificados por el genoma mitocondrial (mt), y sintetizados en ese orgánulo usando su propio sistema sintetizador de proteína. Sin embargo, la mayoría (al menos varios cientos) son codificados por genes nucleares, son sintetizados fuera de las mitocondrias en polirribosomas citosólicos y deben ser importados. Las células de levadura han resultado ser un sistema en particular útil para analizar los mecanismos de importación de proteínas mitocondriales, debido en parte a que ha resultado posible generar diversos mutantes que han aclarado los procesos fundamentales involucrados. Casi todo el progreso se ha hecho en el estudio de proteínas presentes en la matriz mitocondrial, como las subunidades de ATPasa F₁. Aquí sólo se comenta en detalle la vía de importación de proteínas de la matriz.

Las proteínas de la matriz deben pasar desde polirribosomas citosólicos a través de las membranas mitocondriales externa e interna para llegar a su destino. El paso por las dos membranas se llama translocación. Tienen una secuencia líder amino terminal (presecuencia), de alrededor de 20 a 50 aminoácidos de longitud (cuadro 49-1), que no está altamente conservada, sino que es anfipática y contiene muchos aminoácidos hidrofóbicos y con carga positiva (p. ej., Lis o Arg). La presecuencia es equivalente a un péptido señal que media unión de polirribosomas a membranas del ER (véase más adelante), pero en este caso dirige proteínas a la matriz. En la figura 49-3 se muestran algunas características generales del paso de una proteína desde el citosol hacia la matriz mt.

La translocación es postraduccional, después de que las proteínas de la matriz son liberadas desde los polirribosomas citosólicos. Antes de la translocación ocurren interacciones con diversas proteínas citosólicas que actúan como chaperonas (véase más adelante) y como factores de dirección.

Dos complejos de translocación separados están situados en las membranas mitocondriales externa e interna, y se denominan (respectivamente) TOM (translocasa de la membrana externa) y TIM (translocasa de la membrana interna). Cada complejo se ha analizado, y se ha encontrado que está compuesto de diversas proteínas, algunas de las cuales actúan como receptores (p. ej., Tom20/22) para las proteínas que están llegando, y otras como componentes (p. ej., Tom40) de los poros transmembrana a través de los cuales deben pasar estas proteínas. Las proteínas deben encontrarse en el estado no plegado para pasar por los complejos, y esto se hace posible mediante unión (dependiente de ATP) a varias proteínas chaperonas, entre ellas Hsp70 (figura 49-3). En las mitocondrias, las chaperonas están involucradas en la translocación, distribución, plegamiento, montaje y degradación de proteínas importadas. Se requiere una fuerza motriz de protón a través de la membrana interna para la importación; está constituida del potencial eléctrico a través de la membrana (negativo en el interior) y el gradiente de pH (capítulo 13). La carga negativa en la matriz puede ayudar al paso de la secuencia líder con carga positiva a través de la membrana. La presecuencia es separada en la matriz por una proteasa procesadora de matriz (MPP). El contacto con otras chaperonas presentes en la matriz es esencial para completar el proceso general de importación. La interacción con mt-Hsp70 (mt = mitocondrial; Hsp = proteína de choque por calor; 70 = ∼ 70 kDa) asegura importación apropiada hacia la matriz, y evita plegamiento erróneo o agregación, mientras que la interacción con el sistema mt-Hsp60-Hsp10 asegura el plegamiento apropiado. Las interacciones de proteínas importadas con las chaperonas anteriores requiere hidrólisis de ATP para impulsarlas.

No se han elucidado por completo los detalles de cómo se translocan las preproteínas. Es posible que el potencial eléctrico asociado con la membrana mitocondrial interna cause un cambio conformacional en la preproteína no plegada que se está translocando y que esto ayude a empujarla para que cruce. Además, el hecho de que la matriz es más negativa que el espacio intermembrana quizás “atraiga” el amino terminal con carga positiva de la preproteína para que entre a la matriz. Para que ocurra translocación se necesita aposición estrecha en sitios de contacto entre las membranas externa e interna.

Lo anterior describe la principal vía de proteínas destinadas para la matriz mitocondrial. Empero, ciertas proteínas se insertan en la membrana mitocondrial externa, lo cual es facilitado por el complejo TOM. Otras se detienen en el espacio intermembrana y algunas se insertan en la membrana interna. Aún otras proceden hacia la matriz y después regresan a la membrana interna o al espacio intermembrana. Varias proteínas contienen dos secuencias de señalización (una para entrar a la matriz mitocondrial y la otra para mediar la reubicación subsiguiente [p. ej., en la membrana interna]). Ciertas proteínas mitocondriales no contienen presecuencias (p. ej., citocromo c, que se localiza en el espacio intermembrana) y otras contienen presecuencias internas. En general, las proteínas emplean diversos mecanismos y rutas para llegar a sus destinos finales en las mitocondrias.

En el cuadro 49-3 se resumen las características generales que se aplican a la importación de proteínas hacia orgánulos, incluso mitocondrias y algunos de los otros orgánulos que se comentarán más adelante.

El transporte de macromoléculas hacia adentro y hacia afuera del núcleo comprende señales de localización

Se ha estimado que en una célula eucarionte activa más de un millón de macromoléculas por minuto son transportadas entre el núcleo y el citoplasma. Estas macromoléculas incluyen histonas, proteínas ribosomales y subunidades ribosomales, factores de transcripción, y moléculas de mRNA. El transporte es bidireccional y ocurre a través de los complejos de poro nuclear (NPC). Éstos son estructuras complejas con una masa de aproximadamente 15 veces la de un ribosoma, y están compuestas de agregados de alrededor de 30 proteínas diferentes. El diámetro mínimo de un NPC es de alrededor de 9 nm. Las moléculas de menos de aproximadamente 40 kDa pueden pasar por el canal del NPC mediante difusión, pero hay mecanismos de translocación especiales para moléculas más grandes. Estos mecanismos se están investigando de manera intensiva, pero ya han surgido algunas características importantes.

Aquí se describirá principalmente la importación nuclear de ciertas macromoléculas. El cuadro general que ha surgido es que las proteínas que se van a importar (moléculas de carga) portan una señal de localización nuclear (NLS). Un ejemplo de una NLS es la secuencia de aminoácidos (Pro)₂-(Lis)₃-Arg-Lis-Val (cuadro 49-1), que es notoriamente rica en residuos básicos. Dependiendo de cuál NLS contiene, una molécula de carga interactúa con una de una familia de proteínas solubles llamadas importinas y el complejo se acopla transitoriamente en el NPC. Otra familia de proteínas llamadas Ran desempeña un papel regulador crucial en la interacción del complejo con el NPC y en su translocación a través del NPC. Las proteínas Ran son GTPasas nucleares monoméricas pequeñas y, al igual que otras GTPasas, existen en estados unido a GTP o unido a GDP. Están reguladas por sí mismas por factores de intercambio de nucleótido guanina (GEF), que están situados en el núcleo, y por proteínas aceleradoras de GTPasa (GAP) Ran, que son predominantemente citoplasmáticas. El estado unido a GTP de Ran es favorecido en el núcleo, y el estado unido a GDP, en el citoplasma. Las conformaciones y actividades de moléculas de Ran varían dependiendo de si está unido a ellas GTP o GDP (el estado unido a GTP es activo; véase la exposición sobre proteínas G en el capítulo 42). Se cree que la asimetría entre el núcleo y el citoplasma (respecto a cuál de estos dos nucleótidos está unido a moléculas de Ran) es crucial en el entendimiento de las funciones de Ran en la transferencia de complejos de manera unidireccional a través del NPC. Cuando se liberan moléculas de carga dentro del núcleo, las importinas recirculan al citoplasma para ser usadas de nuevo. En la figura 49-4 se resumen algunas de las características principales en el proceso anterior.

Proteínas similares a las importinas, denominadas exportinas, participan en la exportación de muchas macromoléculas (diversas proteínas, moléculas de tRNA, subunidades ribosomales, y ciertas moléculas de mRNA) desde el núcleo. Las moléculas de carga para exportación portan señales de exportación nuclear (NES). Las proteínas Ran también están involucradas en este proceso, y ahora se encuentra establecido que los procesos de importación y exportación comparten diversas características. La familia de importinas y exportinas se denomina carioferinas.

Otro sistema está involucrado en la translocación de casi todas las moléculas de mRNA; éstas son exportadas del núcleo al citoplasma como complejos de ribonucleoproteína (RNP) fijos a una proteína denominada exportador mRNP, que es una molécula heterodimérica (esto es, compuesta de dos subunidades diferentes, TAP [también llamada Nfx1] y Nxt-1) que transporta moléculas de RNP a través del NPC. Ran no está involucrada. Este sistema parece usar la hidrólisis de ATP por una RNA helicasa (Dbp5) para impulsar la translocación.

Otras GTPasas monoméricas pequeñas (p. ej., ARF, Rab, Ras y Rho) son importantes en diversos procesos celulares, como la formación y el transporte de vesículas (ARF y Rab; véase más adelante), ciertos procesos de crecimiento y diferenciación (Ras), y la formación del citoesqueleto de actina (Rho). Un proceso que comprende GTP y GDP también es crucial en el transporte de proteínas a través de la membrana del ER (véase más adelante).

Las proteínas importadas hacia peroxisomas portan secuencias de direccionamiento únicas

El peroxisoma es un orgánulo importante involucrado en aspectos del metabolismo de muchas moléculas, entre ellas ácidos grasos y otros lípidos (p. ej., plasmalógenos, colesterol, ácidos biliares), purinas, aminoácidos, y peróxido de hidrógeno. El peroxisoma está rodeado por una membrana única, y contiene más de 50 enzimas; la catalasa y la urato oxidasa son enzimas marcadoras para este orgánulo. Sus proteínas son sintetizadas en polirribosomas citosólicos y se pliegan antes de la importación. Se han estudiado las vías de importación de varias de sus proteínas y enzimas; algunas son componentes de la matriz (figura 49-5), y otras, componentes de membrana. Se han descubierto al menos dos secuencias de direccionamiento peroxisomal-matriz (PTS). Una, PTS1, es un tripéptido (esto es, Ser-Lis-Leu [SKL], pero se han detectado variaciones de esta secuencia) situado en el carboxilo terminal de varias proteínas de la matriz, entre ellas la catalasa. Otra, PTS2, es una secuencia de nueve aminoácidos en el N terminal, y se ha encontrado en al menos cuatro proteínas de la matriz (p. ej., tiolasa). Ni una ni otra de estas dos secuencias es dividida después de que entra a la matriz. Las proteínas que contienen secuencias PTS1 forman complejos con una proteína receptora citosólica (Pex5) y las proteínas que contienen secuencias PTS2, forman complejos con otra proteína receptora (Pex7). Los complejos resultantes a continuación interactúan con un complejo de receptor de membrana, Pex2/10/12, que las transloca hacia la matriz. También hay proteínas involucradas en el transporte adicional de proteínas hacia la matriz. Pex5 es reciclada hacia el citosol. Se ha encontrado que casi todas las proteínas de membrana peroxisomales no contienen ninguna de las dos secuencias de dirección anteriores, pero parecen contener otras. El sistema de importación puede manejar oligómeros intactos (p. ej., catalasa tetramérica). La importación de proteínas de la matriz requiere ATP, no así la importación de proteínas de la membrana.

La mayor parte de los casos de síndrome de Zellweger se debe a mutaciones en genes involucrados en la biogénesis de peroxisomas

El interés por la importación de proteínas hacia peroxisomas ha sido estimulado por estudios sobre el síndrome de Zellweger, esta enfermedad queda de manifiesto en el momento del nacimiento, y se caracteriza por deterioro neurológico profundo; las víctimas a menudo mueren en el transcurso de un año. El número de peroxisomas puede variar desde ser casi normal hasta faltar casi por completo en algunos pacientes. Los datos bioquímicos comprenden una acumulación de ácidos grasos de cadena muy larga, anormalidades de la síntesis de ácidos biliares, y reducción notoria de plasmalógenos. La enfermedad generalmente se origina por mutaciones en genes que codifican para ciertas proteínas (la familia de genes PEX) también llamadas peroxinas (involucradas en diversos pasos de la biogénesis de peroxisoma [como la importación de proteínas antes descrita], o en genes que codifican para ciertas enzimas peroxisomales). Dos enfermedades estrechamente relacionadas son la adrenoleucodistrofia neonatal y la enfermedad de Refsum infantil. El síndrome de Zellweger y estas dos enfermedades representan un espectro de características que se superponen; el síndrome de Zellweger es el más grave (muchas proteínas afectadas), y la enfermedad de Refsum infantil es la menos grave (sólo una o algunas proteínas afectadas). En el cuadro 49-4 se listan estas enfermedades y enfermedades relacionadas.

Como se indicó, la rama del ER rugoso es la segunda de las dos ramas involucradas en la síntesis de proteínas y la distribución de las mismas. En esta rama, las proteínas tienen péptidos señal N terminal y son sintetizadas en polirribosomas unidos a membrana. Por lo general se translocan hacia la luz del ER rugoso antes de distribución adicional (figura 49-2). No obstante, ciertas proteínas de membrana son transferidas directamente hacia la membrana del ER sin alcanzar su luz.

En el cuadro 49-5 se resumen algunas características de péptidos señal N terminal.

Hay mucha evidencia que apoya la hipótesis de la señal, lo cual confirma que péptidos señal N terminal están involucrados en el proceso de translocación de proteína a través de la membrana del ER. Por ejemplo, proteínas mutantes que contienen péptidos señal alterados en los cuales aminoácidos hidrofóbicos son reemplazados por otros hidrofílicos, no son insertadas en la luz del ER. Por otro lado, proteínas no de la membrana (p. ej., α-globina) a las cuales se han fijado péptidos señal mediante ingeniería genética, pueden insertarse en la luz del ER, o incluso secretarse.

La translocación de proteínas al ER puede ser cotraduccional o postraduccional

Casi todas las proteínas nacientes son transferidas a través de la membrana del ER hacia la luz mediante la vía cotraduccional, así llamada porque el proceso ocurre durante la síntesis de proteína en proceso. El proceso de alargamiento de la porción restante de la proteína que se está sintetizando probablemente facilita el paso de la proteína naciente a través de la bicapa lipídica. Es importante que las proteínas se mantengan en un estado no plegado antes de entrar al canal conductor (de otro modo pueden ser incapaces de tener acceso al canal). La vía comprende varias proteínas especializadas y procede en cinco pasos que se resumen a continuación y en la figura 49-6.

Paso 1: La secuencia señal surge del ribosoma y se une a la partícula de reconocimiento de señal (SRP). La SRP contiene seis proteínas asociadas con una molécula de RNA asociada a ella. Tanto la molécula de RNA como sus proteínas desempeñan diversos papeles (como unión a otras moléculas) en esta función. Este paso suspende temporalmente el alargamiento adicional de la cadena polipeptídica (paro del alargamiento) después de que se han polimerizado alrededor de 70 aminoácidos.

Paso 2: El complejo de SRP-ribosoma-proteína naciente viaja a la membrana del ER, donde se une al receptor de SRP (SRP-R), una proteína de la membrana del ER compuesta de subunidades α y β esta última abarca la membrana del ER. La SRP guía el complejo al SRP-R, lo que evita expulsión prematura del polipéptido en crecimiento hacia el citosol.

Paso 3: la SRP es liberada, se reanuda la traducción, el ribosoma se une al translocón (complejo Sec 61), y el péptido señal se inserta en el canal en el translocón. La SRP y ambas subunidades del SRP-R pueden unirse a GTP que debe estar en la forma de GTP en ambos complejos para permitirles que interactúen. Cuando ocurre interacción, el GTP es hidrolizado, la SRP se disocia del SRP-R y es liberada, y el ribosoma se une al translocón, lo que permite que el péptido señal entre en él.

Paso 4: El péptido señal induce abertura del canal en el translocón al unirse a ciertos residuos hidrofóbicos en él, lo que de este modo hace que el tapón (mostrado en la parte inferior del translocón en la figura 49-6) se mueva. El polipéptido que está creciendo a continuación es translocado por completo a través de la membrana, impulsado por su síntesis continua. El translocón consta de tres proteínas de membrana (el complejo Sec61) que forma un canal conductor de proteína en la membrana del ER a través del cual la proteína recién sintetizada puede pasar. El canal sólo se abre cuando un péptido señal está presente, lo cual preserva la conductancia a través de la membrana del ER cuando se cierra. El cierre del canal cuando no se están translocando proteínas evita que iones como calcio y otras moléculas escapen a través de él, y causen disfunción celular.

Paso 5: La señal peptidasa divide el péptido señal, y el polipéptido/proteína translocado por completo es liberado hacia la luz del ER. El péptido señal probablemente es degradado por proteasas. Los ribosomas son liberados de la membrana del ER y se disocian hacia sus dos tipos de subunidades.

Las proteínas secretoras y las proteínas solubles destinadas para orgánulos distales al ER cruzan por completo la bicapa de la membrana y son descargadas hacia la luz del ER. Muchas proteínas secretoras son N-glucosiladas. Las cadenas de N-glucano, si están presentes, son añadidas por la enzima oligosacárido: proteína transferasa (capítulo 46) conforme estas proteínas cruzan la parte interna de la membrana del ER (un proceso llamado glucosilación cotraduccional). Después, estas glucoproteínas se encuentran en la luz del aparato de Golgi, donde ocurren cambios adicionales de cadenas de glucano (capítulo 46) antes de distribución intracelular o secreción.

En contraste, las proteínas embebidas en membranas del ER, así como en otras membranas a lo largo de la vía secretoras sólo se translocan parcialmente a través de la membrana del ER (pasos 1 a 4 antes descritos). Pueden insertarse en la membrana del ER mediante transferencia lateral a través de la pared del translocón (véase más adelante).

La translocación postraduccional de proteínas hacia el ER ocurre en eucariontes, aunque es menos común que la ruta cotraduccional. El proceso (figura 49-7) comprende el complejo de translocón Sec61, el complejo Sec 62/Sec63, que también está unido a la membrana, y proteínas chaperonas de la familia Hsp70. Algunos de éstos evitan el plegamiento de proteína en el citosol, pero uno de ellos, la proteína de unión a inmunoglobulina (BiP), está dentro de la luz del ER. La proteína que se va a translocar inicialmente se une al translocón y se liberan chaperonas citosólicas. El extremo líder del péptido a continuación se une a BiP en la luz. El ATP unido a BiP interactúa con Sec62/63, el ATP es hidrolizado a ADP, lo que proporciona energía para mover la proteína hacia adelante, mientras que la BiP-ADP unida evita su movimiento hacia atrás, hacia el citosol. Entonces puede ser traccionado a través por la unión secuencial de moléculas de BiP e hidrólisis de ATP. Cuando la proteína entera ha entrado a la luz, el ADP se intercambia por ATP, lo que permite que se libere la BiP. Además de su función en la distribución de proteínas a la luz del ER, la BiP promueve el plegamiento apropiado al evitar agregación y temporalmente se unirá a cadenas pesadas de inmunoglobulina y muchas otras proteínas que muestran plegamiento anormal, lo que evita que salgan del ER.

Hay evidencia de que la membrana del ER está involucrada en el transporte retrógrado de diversas moléculas desde la luz del ER hacia el citosol. Estas moléculas incluyen glucoproteínas no plegadas o plegadas de modo erróneo, glucopéptidos, y oligosacáridos. Al menos algunas de estas moléculas son degradadas en proteasomas (véase más adelante). La participación del translocón en la retrotranslocación no está clara; quizás estén involucrados uno o más canales. Cualquiera que sea el caso, hay tráfico bidireccional a través de la membrana del ER.

Las rutas que las proteínas siguen para ser insertadas en las membranas del ER son inserción cotraduccional; inserción postraduccional; retención en el GA seguida por recuperación hacia el ER y transporte retrógrado desde el GA.

La inserción cotraduccional requiere secuencias de paro de transferencia o secuencias de inserción internas

En la figura 49-8 se muestran diversas maneras en las cuales las proteínas están distribuidas en membranas. En particular, puede observarse que los amino terminales de ciertas proteínas (p. ej., el receptor de LDL) se encuentran en la cara extracitoplasmática, mientras que para otras proteínas (p. ej., el receptor de asialoglucoproteína) los carboxilo terminales se encuentran en esta cara. Estas disposiciones son explicadas por los eventos biosintéticos iniciales en la membrana del ER. Proteínas como el receptor de LDL entran en la membrana del ER de una manera análoga a una proteína secretora (figura 49-6); cruzan parcialmente la membrana del ER, el péptido señal es dividido, y su amino terminal sobresale hacia la luz (figura 49-14). Sin embargo, este tipo de proteína contiene un segmento altamente hidrofóbico que actúa como una señal de suspensión o paro de la transferencia, y causa su retención en la membrana (figura 49-9). Esta secuencia tiene su extremo N terminal en la luz del ER, y el C terminal en el citosol; la señal de paro de la transferencia forma el segmento transmembrana único de la proteína, y es su dominio de anclaje de membrana. Se cree que la proteína sale del translocón hacia la membrana mediante una compuerta lateral que se abre y cierra continuamente, y permite que secuencias hidrofóbicas entren en la bicapa lipídica.

El parche pequeño de membrana del ER en el cual está situado el receptor de LDL recién sintetizado, después queda integrado como un componente de una vesícula de transporte que finalmente se fusiona con la membrana plasmática, de modo que el C terminal mira hacia el citosol, y el N terminal ahora mira al exterior de la célula (figura 49-14). En contraste, el receptor de asialoglucoproteína carece de un péptido señal N terminal separable, pero posee una secuencia de inserción interna, que se inserta en la membrana pero no es separada. Esto actúa como un ancla, y su C terminal es extrudido a través de la membrana hacia la luz del ER. El citocromo P450 es anclado de una manera similar, pero su N terminal en lugar de su C terminal, es extrudido hacia la luz. La disposición más compleja de un transportador transmembrana (p. ej., para glucosa) que puede tener que cruzar la membrana hasta 12 veces, puede explicarse por el hecho de que las α-hélices transmembrana alternantes actúan como secuencias de inserción no separadas, y como señales de suspensión de la transferencia, respectivamente. Cada par de segmentos helicoidales es insertado como una horquilla. Las secuencias que determinan la estructura de una proteína en una membrana se llaman secuencias topogénicas. El receptor de LDL, el receptor de asialoglucoproteína, y el transportador de glucosa, son ejemplos de proteínas transmembrana tipo I, tipo II y tipo IV, y se encuentran en la membrana plasmática, mientras que el citocromo P450 es un ejemplo de una proteína tipo III que permanece en la membrana del ER (figura 49-8).

Algunas proteínas son sintetizadas en polirribosomas libres unidos a la membrana del retículo endoplasmático postraduccionalmente

Las proteínas pueden entrar a la membrana del ER postraduccionalmente a través de la compuerta lateral en el translocón, de una manera similar a moléculas distribuidas de modo cotraduccional. Un ejemplo es el citocromo b₅, que parece entrar en la membrana del ER después de traducción, ayudado por varias chaperonas.

Otras rutas incluyen retención en el GA con recuperación al ER y transporte retrógrado desde el GA

Varias proteínas poseen la secuencia de aminoácidos KDEL (Lis-Asp-Glu-Leu) en su carboxilo terminal (cuadro 49-1). Las proteínas que contienen KDEL primero viajan al GA en vesículas cubiertas con proteína de cubierta II (COPII) (véase más adelante). Este proceso se conoce como transporte vesicular anterógrado. En el GA interactúan con una proteína receptora de KDEL específica, que las retiene transitoriamente. A continuación regresan al ER en vesículas cubiertas con COPI (transporte vesicular retrógrado), donde se disocian del receptor y, así, son recuperadas. Las secuencias HDEL (H = histidina) sirven para un propósito similar. Los procesos anteriores dan por resultado localización neta de ciertas proteínas solubles a la luz del ER.

Ciertas otras proteínas que no contienen KDEL también pasan al aparato de Golgi y después regresan, mediante transporte vesicular retrógrado, al ER para ser insertadas ahí. Éstas incluyen componentes de vesículas que deben ser reciclados, así como ciertas proteínas de la membrana del ER. Estas proteínas a menudo poseen una señal C terminal situada en el citosol rico en residuos básicos.

De este modo, diversas rutas están involucradas en el montaje de las proteínas de las membranas del ER, y probablemente sucede una situación similar para otras membranas (p. ej., las membranas mitocondriales y la membrana plasmática). En algunos casos se han identificado secuencias de direccionamiento precisas (p. ej., secuencias KDEL).

El tema de la biogénesis de membrana se comenta con mayor detalle más adelante en este capítulo.

Después de entrar al ER, las proteínas recién sintetizadas intentan plegarse con la asistencia de chaperonas y enzimas de plegamiento, y su estado de plegamiento es vigilado por chaperonas y enzimas (cuadro 49-6).

La chaperona calnexina es una proteína de unión a calcio ubicada en la membrana del ER. Esta proteína se une a una amplia variedad de proteínas, entre ellas antígenos del complejo mayor de histocompatibilidad (MHC), y diversas proteínas plasmáticas. La calnexina se une a la especie monoglucosilada de glucoproteínas que ocurre durante el procesamiento de glucoproteínas, y las retiene en el ER hasta que la glucoproteína se ha plegado de manera apropiada. La calreticulina, que también es una proteína de unión a calcio, tiene propiedades similares a las de la calnexina, pero no está unida a membrana. Además de chaperonas, dos enzimas en la luz del ER se encargan del plegamiento apropiado de proteínas. La proteína disulfuro isomerasa (PDI) promueve la formación rápida y la reestructuración de enlaces disulfuro hasta que se alcanza el juego correcto. La peptidil prolil isomerasa (PPI) acelera el plegamiento de proteínas que contienen prolina al catalizar la isomerización cis-trans de enlaces X-Pro, donde X es cualquier residuo de aminoácido.

Las proteínas plegadas de modo erróneo o incompleto interactúan con chaperonas, que las retienen en el ER y evitan que sean exportadas a sus destinos finales. Si esas interacciones continúan durante un período prolongado, las proteínas que muestran plegamiento erróneo por lo general son desechadas mediante degradación asociada con el retículo endoplasmático (ERAD); esto evita una acumulación perjudicial de proteínas mal plegadas. En diversas enfermedades genéticas, como la fibrosis quística, hay retención de proteínas mal plegadas en el ER y, en algunos casos, las proteínas retenidas aún muestran algo de actividad funcional. En la actualidad hay mucho interés por encontrar fármacos que interactuarán con esas proteínas y promoverán su plegamiento correcto y exportación hacia afuera del ER (véase más adelante).

El mantenimiento de la homeostasis en el ER es importante para la función normal de la célula. La perturbación del ambiente singular dentro de la luz del ER (p. ej., por cambios en el Ca²⁺ del ER, alteraciones del estado de óxido-reducción, exposición a diversas toxinas o a algunos virus) puede llevar a capacidad reducida de plegamiento de proteínas, y la acumulación de proteínas mal plegadas. La acumulación de proteínas mal plegadas en el ER se denomina estrés del ER. La célula ha adquirido por evolución un mecanismo denominado la respuesta a proteína no plegada (UPR) para detectar las cifras de proteínas mal plegadas e inician mecanismos de señalización para compensar las condiciones de estrés y restituir la homeostasis del ER. La UPR es iniciada por detectores de estrés del ER, que son proteínas transmembrana embebidas en la membrana del ER. La activación de estos detectores de estrés causa tres efectos principales: 1) inhibición transitoria de la traducción a fin de disminuir la cantidad de proteínas recién sintetizadas, 2) inducción de una transcripción que lleva a expresión aumentada de chaperonas del ER y 3) síntesis aumentada de proteínas involucradas en la degradación de proteínas en el ER mal plegadas (véase más adelante). Por ende, la UPR aumenta la capacidad de plegamiento en el ER y evita una acumulación de productos proteínicos no productivos y en potencia tóxicos, además de otras respuestas para restituir la homeostasis celular. Empero, si persiste la alteración del plegamiento, se activan vías de muerte celular (apoptosis). Es probable que un entendimiento más completo de la UPR proporcione nuevos métodos para tratar enfermedades en las cuales ocurren estrés del ER y plegamiento defectuoso de proteína (cuadro 49-7).

Las proteínas que se pliegan de modo erróneo en el ER son degradadas por la vía ERAD (figura 49-10). Esto ocurre por transporte selectivo de proteínas tanto luminales como de membrana de regreso a través del ER (retrotranslocación o dislocación) para entrar en proteasomas presentes en el citosol. La energía para la translocación parece ser proporcionada al menos en parte por p97, una AAA-ATPasa (una de una familia de ATPasas asociadas con diversas actividades celulares). Todavía no se ha establecido la ruta precisa por la cual las proteínas plegadas de modo erróneo pasan de regreso a través de la membrana del ER. Varios candidatos se han sugerido como posibles canales transmembrana para la ERAD, entre ellos se incluyen Sec61, el complejo que se encarga de la entrada de proteínas al ER, proteína de degradación en el ER 1 (derlin1), y las ERAD E3 ligasas, Hrd1 y Doa10. No obstante, si bien parece razonable suponer que las proteínas deben salir del ER por medio de un poro de membrana, hasta ahora no hay evidencia definitiva de que tal canal exista, y es posible que se use un mecanismo por completo diferente. Por ejemplo, se ha sugerido que pueden estar involucrados procesos de perturbación de membrana similares a los que llevan a la formación de gotitas de lípido citosólicas, o causados por la acción de proteínas romboides, que regulan la proteólisis intermembrana.

Las chaperonas presentes en la luz del ER (p. ej., BiP) y en el citosol ayudan a dirigir proteínas plegadas de modo erróneo a proteasomas. Antes de entrar a proteasomas, casi todas las proteínas son ubiquitinadas (véase el párrafo siguiente) y son escoltadas a proteasomas por proteínas de unión a poliubiquitina. Las ubiquitina ligasas están presentes en la membrana del ER.

La ubiquitina es una molécula clave en la degradación de proteína

Hay dos vías principales de degradación de proteína en eucariontes. Una comprende proteasas lisosomales y no requiere ATP, pero la principal vía comprende ubiquitina y es dependiente de ATP. La vía de la ubiquitina está asociada en particular con el desecho de proteínas mal plegadas y enzimas reguladoras que tienen vida media breve. Se sabe que la ubiquitina está involucrada en diversos procesos fisiológicos importantes, entre ellos la regulación del ciclo celular (degradación de ciclinas), reparación de DNA, inflamación y la respuesta inmunitaria (capítulo 52), emaciación muscular, infecciones virales y muchos otros. La ubiquitina es una proteína pequeña (76 aminoácidos), altamente conservada, que desempeña un papel clave en el marcado de diversas proteínas para la subsiguiente degradación en proteasomas. En la figura 49-12 se muestra el mecanismo de fijación de la ubiquitina a una proteína blanco (p. ej., una forma mal plegada del regulador de la conductancia transmembrana de la fibrosis quística [CFTR], la proteína involucrada en la causa de la fibrosis quística; capítulo 40), y comprende tres enzimas: una enzima activadora (E1), una enzima conjugadora (E2) y una ligasa (E3). Hay varios tipos de enzimas conjugadoras y, sorprendentemente, algunos cientos de ligasas diferentes. Es esta última enzima la que confiere especificidad de sustrato. Una vez que la molécula de ubiquitina está fija a la proteína, también se fijan varias otras, lo que da por resultado una proteína blanco poliubiquitinada. Se ha estimado que deben fijarse un mínimo de cuatro moléculas de ubiquitina para comprometer una molécula blanco a degradación en un proteasoma. La ubiquitina puede separarse de la proteína blanco mediante enzimas desubiquitinantes, y la ubiquitina liberada puede volver a usarse.

Las proteínas ubiquitinadas son degradadas en proteasomas

Las proteínas blanco poliubiquitinadas entran a los proteasomas situados en el citosol. Los proteasomas son complejos de proteína con una estructura cilíndrica relativamente grande, y están compuestos de cuatro anillos con un centro hueco que contiene los sitios activos de proteasa, y una o dos cubiertas o partículas reguladoras que reconocen los sustratos poliubiquitinados e inician la degradación (figura 49-11). Las proteínas blanco son desplegadas por ATPasas presentes en las cubiertas del proteasoma. Los proteasomas pueden hidrolizar una variedad muy amplia de enlaces peptídicos. Las proteínas blanco pasan hacia el centro para ser degradadas a péptidos pequeños, que a continuación salen del proteasoma para ser más degradados por peptidasas citosólicas. Proteínas que muestran plegamiento tanto normal como anormal son sustratos para el proteasoma. Las moléculas de ubiquitina liberadas son recicladas. El proteasoma desempeña un papel importante en la presentación de péptidos pequeños producidos por la degradación de diversos virus y otras moléculas a moléculas del MHC clase I, un paso clave en la presentación de antígeno a linfocitos T.

Las proteínas que son sintetizadas en polirribosomas unidos a membrana, y están destinadas para el GA o la PM, alcanzan estos sitios dentro de vesículas de transporte. Hay varios tipos de vesículas (cuadro 49-8). Quizá queden por descubrirse otros tipos de vesículas.

Cada vesícula tiene su propio juego de proteínas de cubierta. La clatrina se usa en vesículas destinadas para exocitosis (véanse las exposiciones sobre el receptor de LDL en los capítulos 25 y 26) y en algunas de las que llevan carga lisosomas. Esta proteína consta de tres espirales que se conectan, que interactúan para formar un entramado alrededor de la vesícula. Sin embargo, COPI y COPII, las vesículas involucradas en el transporte retrógrado (desde el GA hacia el ER) y en el transporte anterógrado (desde el ER hacia el GA), respectivamente, están libres de clatrina. Las vesículas de transporte y secretoras que llevan carga del GA a la PM también están libres de clatrina. Aquí la exposición se enfoca principalmente en COPII, COPI y vesículas cubiertas con clatrina. Cada tipo tiene un conjunto diferente de proteínas en su cubierta. En aras de la claridad, en este libro las vesículas no cubiertas con clatrina se denominan vesículas de transporte. Los principios respecto al montaje de estos tipos diferentes en general son similares, aunque algunos detalles del montaje para COPI y vesículas cubiertas con clatrina difieren de los que se observan para COPII (véase más adelante).

El modelo de vesículas de transporte comprende SNARE y otros factores

Las vesículas se encuentran en el centro del transporte intracelular de muchas proteínas. El uso por Schekman y colegas de métodos genéticos para estudiar vesículas en levaduras, y el desarrollo por Rothman y colegas de sistemas libres de células para estudiar la formación de vesículas, han sido cruciales en el entendimiento de los eventos involucrados en la formación y el transporte de vesículas. Por ejemplo, mediante microscopia electrónica es posible observar gemación de vesículas desde preparaciones de aparato de Golgi incubadas con citosol, ATP y GTP-γ. El mecanismo general es complejo, y comprende diversas proteínas citosólicas y de membrana, GTP, ATP y factores accesorios. La gemación, la fijación, el acoplamiento y la fusión de membrana son pasos clave en los ciclos de vida de vesículas; las proteínas de unión a GTP, Sar1, ARF y Rab actúan como conmutadores moleculares. Sar1 es la proteína involucrada en el paso 1 de la formación de vesículas COPII, mientras que ARF está involucrada en la formación de vesículas COPI y vesículas cubiertas con clatrina. En el cuadro 49-9 se muestran las funciones de las diversas proteínas involucradas en el procesamiento de vesículas y las abreviaturas que se usan.

Hay pasos generales comunes en la formación de vesículas de transporte, el direccionamiento de vesículas y la fusión con una membrana blanco, independientemente de la membrana a partir de la cual se forma la vesícula o su destino intracelular. La naturaleza de las proteínas de cubierta, GTPasas y factores direccionadores difiere dependiendo de dónde se forma la vesícula y su destino final. El ejemplo mejor estudiado es el transporte anterógrado desde el ER hacia el aparato de Golgi que comprende vesículas COPII. Puede considerarse que el proceso ocurre en ocho pasos (figura 49-13). El concepto básico es que cada vesícula de transporte está cargada con carga específica, y una o más proteínas v-SNARE que dirigen el direccionamiento. Cada membrana blanco porta una o más proteínas t-SNARE complementarias con las cuales las anteriores interactúan, lo cual media la fusión de vesícula-membrana dependiente de proteína SNARE. Además, las proteínas Rab también ayudan a dirigir las vesículas a membranas específicas y su fijación en una membrana blanco.

Paso 1: La gemación es iniciada cuando Sar1 es activada cuando el GTP se une en intercambio por GDP por medio de la acción de Sec12p (cuadro 49-9), y la cambia desde una forma soluble a una forma unida a membrana al causar un cambio conformacional que expone una cola hidrofóbica. De este modo, queda embebida en la membrana del ER para formar un punto focal para el montaje de vesículas.

Paso 2: Diversas proteínas de cubierta se unen a Sar1·GTP. A su vez, las proteínas de carga de membrana se unen a las proteínas de cubierta sea directamente o por medio de proteínas intermediarias que se fijan a las proteínas de cubierta, y entonces quedan encerradas en sus vesículas apropiadas. Las proteínas de carga solubles se unen a regiones receptoras dentro de las vesículas. Se han identificado varias secuencias señal en moléculas de carga (cuadro 49-1). Por ejemplo, las secuencias KDEL dirigen ciertas proteínas residentes en el ER en flujo retrógrado al ER en vesículas COPI. Las secuencias diácidas (p. ej., Asp-X-Glu, X = cualquier aminoácido) y las secuencias hidrofóbicas cortas sobre proteínas de membrana están involucradas en interacciones con proteínas de cubierta en vesículas COPII. No todas las moléculas de carga tienen una señal de distribución. Algunas proteínas secretoras muy abundantes viajan a diversos destinos celulares en vesículas de transporte mediante flujo de masa; es decir, entran en vesículas de transporte a la misma concentración que ocurren en el orgánulo. Empero, parece ser que casi todas las proteínas son distribuidas (concentradas) de manera activa hacia vesículas de transporte, y el flujo de masa sólo es usado por un grupo selecto de proteínas de carga. Proteínas de carga adicionales son montadas para completar la formación de gemación. Las proteínas de cubierta promueven la gemación, contribuyen a la curvatura de los brotes, y ayudan también a distribuir proteínas.

Paso 3: El brote se desprende y completa la formación de la vesícula cubierta. La curvatura de la membrana del ER y las interacciones proteína-proteína y proteína-lípido en el brote facilitan el desprendimiento desde sitios de salida del ER. Las vesículas se mueven a través de las células a lo largo de microtúbulos o a lo largo de filamentos de actina.

Paso 4: El desmontaje de cubierta (que comprende disociación de Sar1 y la vaina de proteínas de cubierta) sigue a la hidrólisis de GTP unido a GDP por Sar1, promovida por una proteína de cubierta específica. De este modo, la Sar1 desempeña funciones clave tanto en el montaje como en la disociación de las proteínas de cubierta. El GTP-γ-S (un análogo no hidrolizable de GTP, a menudo usado en investigaciones del papel del GTP en procesos bioquímicos) bloquea el desmontaje de la cubierta desde vesículas con cubierta; ello conduce a una acumulación de vesículas con cubierta, lo cual facilita su estudio. La eliminación de la cubierta es necesaria para que ocurra fusión.

Paso 5: El direccionamiento de vesícula se logra mediante fijación de moléculas Rab a vesículas. Las Rab son una familia de proteínas tipo Ras que se requieren en varios pasos del transporte de proteína intracelular, y en la secreción y la endocitosis reguladas. Son GTPasas monoméricas pequeñas que se fijan a las caras citosólicas de vesículas en gemación en el estado unido a GTP, y están también presentes sobre membranas aceptoras. Las moléculas de Rab·GDP en el citosol son cambiadas a moléculas de Rab·GTP por un GEF específico (cuadro 49-9). Proteínas efectoras Rab sobre las membranas blanco se unen a Rab·GTP, pero no a moléculas de Rab·GDP, lo que fija así las vesículas a las membranas.

Paso 6: Las v-SNARE forman pares con t-SNARE cognadas en la membrana blanco para acoplar las vesículas e iniciar la fusión. En general, una v-SNARE en la vesícula forma pares con tres t-SNARE sobre la molécula aceptora para formar un fascículo de cuatro hélices estrecho. En vesículas sinápticas una v-SNARE es designada sinaptobrevina. La toxina botulínica B es una de las toxinas más letales conocidas, y es la causa más grave de intoxicación alimentaria. Un componente de esta toxina es una proteasa que se une a la sinaptobrevina, lo que inhibe así la liberación de acetilcolina en la unión neuromuscular, y posiblemente resulta mortal.

Paso 7: La fusión de la vesícula con la membrana aceptora ocurre una vez que la v-SNARE y la t-SNARE están estrechamente alineadas. Después de que ocurre fusión de la vesícula y liberación de contenido, el GTP es hidrolizado a GDP, y las moléculas de Rab·GDP son liberadas hacia el citosol. Cuando una SNARE sobre una membrana interactúa con una SNARE sobre otra membrana, con enlace de ambas, esto se denomina un complejo trans-SNARE o un alfiler SNARE. Las interacciones de SNARE sobre la misma membrana forman un complejo de cis-SNARE. Para disociar el fascículo de cuatro hélices entre la v-SNARE y t-SNARE de modo que puedan volver a usarse, se requieren dos proteínas adicionales. Éstas son una ATPasa (NSF) y α-SNAP (cuadro 49-9). El NSF hidroliza ATP, y la energía liberada disocia el fascículo de cuatro hélices, lo cual hace que las proteínas SNARE estén disponibles para otra ronda de fusión de membrana.

Paso 8: Ciertos componentes, como las proteínas Rab y SNARE, son reciclados para rondas subsiguientes de fusión de vesícula.

Durante el ciclo anterior, las SNARE, las proteínas de fijación, Rab, y otras proteínas, colaboran para suministrar una vesícula y su contenido al sitio apropiado.

Algunas vesículas de transporte viajan por medio de la red trans-Golgi

Las proteínas en las áreas apical o basolateral de las membranas plasmáticas de células epiteliales polarizadas pueden ser transportadas a estos sitios en vesículas de transporte que brotan desde la red trans-Golgi. Diferentes proteínas Rab probablemente dirigen algunas vesículas a regiones apicales, y otras a regiones basolaterales. En ciertas células, las proteínas son dirigidas primero a la membrana basolateral, y después son objeto de endocitosis y son transportadas a través de la célula mediante transcitosis a la región apical. Aún otro mecanismo para distribuir proteínas a la región apical (o en algunos casos a la región basolateral) comprende el ancla glucosilfosfatidilinositol (GPI) (capítulo 46). Esta estructura a menudo también está presente en balsas lipídicas (capítulo 40).

Una vez que las proteínas en la vía secretora alcanzan el cis-Golgi desde el ER en vesículas, pueden viajar por medio del GA al trans-Golgi en vesículas, mediante un proceso llamado maduración de cisternas, en el cual las cisternas se mueven y se transforman en otra, o quizás en algunos casos difusión por medio de conexiones intracisternales que se han observado en algunos tipos de células. En este modelo, los elementos vesiculares provenientes del ER se fusionan entre sí para ayudar a formar el cis-Golgi que, a su vez, puede moverse hacia adelante para convertirse en el aparato de Golgi medial, etc. Las vesículas COPI devuelven enzimas del aparato de Golgi (p. ej., glucosiltransferasas) desde las cisternas distales del GA a cisternas más proximales (p. ej., cis).

La brefeldina inhibe la formación de vesículas COPI

El metabolito de hongos brefeldina A evita que el GTP se una al ARF y, así, inhibe la formación de vesículas COPI. En su presencia, el aparato de Golgi parece colapsar hacia el ER. Puede hacer esto al inhibir el GEF involucrado en la formación de vesículas COPI. De este modo, la brefeldina A ha resultado ser una herramienta útil para examinar algunos aspectos de la estructura y la función del aparato de Golgi.

Algunas proteínas pasan por procesamiento adicional mientras están dentro de vesículas

Algunas proteínas están sujetas a procesamiento adicional por proteólisis mientras están dentro de vesículas de transporte o secretoras. Por ejemplo, la albúmina es sintetizada por hepatocitos como preproalbúmina (capítulo 52). Su péptido señal es eliminado, lo cual la convierte en proalbúmina. A su vez, la proalbúmina, mientras está dentro de vesículas secretoras, es convertida en albúmina por la acción de la furina (figura 49-14). Esta enzima separa un hexapéptido desde la proalbúmina en posición inmediatamente C terminal a un sitio aminoácido dibásico (ArgArg). La albúmina madura resultante es secretada hacia el plasma. Hormonas como la insulina (capítulo 41) quedan sujetas a divisiones proteolíticas similares mientras están dentro de vesículas secretoras.

Hay varios tipos de membranas celulares, que varían desde la membrana plasmática que separa el contenido de la célula del ambiente externo, hasta las membranas internas de orgánulos subcelulares, como una mitocondria y el ER. Si bien la estructura de bicapa lipídica general es similar en todas las membranas, difieren en su contenido específico de proteína y lípido, y cada tipo tiene sus propias características específicas (capítulo 40). En la actualidad no se dispone de un esquema satisfactorio que describa el montaje de cualquier parte de estas membranas. Ya se comentó el transporte vesicular y la manera en la cual diversas proteínas son insertadas inicialmente en la membrana del ER. A continuación se abordan algunos puntos generales acerca del montaje de membrana.

Durante el montaje de membrana se mantiene asimetría tanto de proteínas como de lípidos

Las vesículas que se forman a partir de membranas del ER y del aparato de Golgi, sea de manera natural o separadas mediante homogenización, muestran asimetrías transversales tanto de lípido como de proteína. Estas asimetrías se mantienen durante la fusión de vesículas de transporte con la membrana plasmática. El interior de las vesículas después de fusión se convierte en el exterior de la membrana plasmática y el lado citoplasmático de las vesículas persiste como el lado citoplasmático de la membrana (figura 49-15). Los fosfolípidos son la principal clase de lípido en las membranas. Las enzimas que se encargan de la síntesis de fosfolípidos residen en la superficie citoplasmática de las cisternas (las estructuras tipo saco) del ER. Conforme se sintetizan fosfolípidos en ese sitio, probablemente se automontan hacia capas bimoleculares termodinámicamente estables, lo que expande la membrana y quizá promueve el desprendimiento de las llamadas vesículas lipídicas desde ella. Se ha propuesto que estas vesículas viajan a otros sitios, y donan sus lípidos a otras membranas. Se han demostrado proteínas citosólicas que captan fosfolípidos desde una membrana y los liberan hacia otra (esto es, proteínas de intercambio de fosfolípido); probablemente están involucradas en la contribución a la composición lipídica específica de diversas membranas.

Cabe hacer notar que las composiciones de lípidos del ER, el aparato de Golgi y la membrana plasmática difieren; las dos últimas membranas contienen cantidades más altas de colesterol, esfingomielina y glucoesfingolípidos, y menos fosfoglicéridos que el ER. Los esfingolípidos se empacan más densamente en membranas que los fosfoglicéridos; tales diferencias afectan las estructuras y funciones de las membranas. Por ejemplo, el grosor de la bicapa del GA y la PM es mayor que el del ER, lo cual afecta cuáles proteínas transmembrana particulares se encuentran en estos orgánulos. Asimismo, se cree que las balsas lipídicas (capítulo 40) se forman en el GA.

Los lípidos y las proteínas pasan por recambio a diferentes tasas en diferentes membranas

Se ha mostrado que las vidas medias de los lípidos de las membranas del ER de hígado de rata en general son más cortas que las de sus proteínas, de modo que las tasas de recambio de lípidos y proteínas son independientes; de hecho, se ha encontrado que diferentes lípidos tienen diferentes vidas medias. Además, las vidas medias de las proteínas de estas membranas varían ampliamente; algunas muestran vidas medias breves (de horas), y otras, vidas medias prolongadas (de días). De este modo, lípidos y proteínas individuales de las membranas del ER parecen ser insertados en ellas de manera relativamente independiente, y se cree que sucede así para muchas otras membranas.

De este modo, la biogénesis de membranas es un proceso complejo acerca del cual queda mucho por aprender. Una indicación de la complejidad involucrada es considerar el número de modificaciones postraduccionales a las cuales las proteínas de la membrana pueden quedar sujetas antes de alcanzar su estado inmaduro. Éstas incluyen formación de disulfuro, proteólisis, montaje hacia multímeros, glucosilación, adición de un ancla de glucofosfatidilinositol (GPI), sulfación en porciones de tirosina o carbohidrato, fosforilación, acilación y prenilación (esta lista no es exhaustiva). No obstante, se ha logrado progreso importante; en el cuadro 49-10 se resumen algunas de las principales características del montaje de membrana que han surgido hasta la fecha.

Diversos trastornos se originan por mutaciones en genes que codifican para proteínas involucradas en el transporte intracelular

Algunos trastornos que reflejan función peroxisomal anormal, anormalidades de la síntesis de proteína en el ER y de la síntesis de proteínas lisosomales se listaron antes en este capítulo (cuadros 49-4 y 49-7, respectivamente). Se han reportado muchas otras mutaciones que afectan el plegamiento de proteínas y su transporte intracelular a diversos orgánulos, incluso trastornos neurodegenerativos, como enfermedad de Alzheimer, enfermedad de Huntington, y enfermedad de Parkinson. La elucidación de las causas de estos diversos trastornos conformacionales ha contribuido significativamente al entendimiento de la patología molecular. El término “enfermedades de deficiencia de proteostasis” también se ha aplicado a enfermedades debidas a plegamiento erróneo de proteínas. La proteostasis es una palabra compuesta derivada de homeostasis de proteína. La proteostasis normal se debe a un equilibrio de muchos factores, como síntesis, plegamiento, tráfico, agregación y degradación normal. Si cualquiera de éstos es alterado (p. ej., por mutación, envejecimiento, estrés celular, o lesión), pueden ocurrir diversos trastornos, dependiendo de las proteínas particulares afectadas.

Las terapias potenciales para las diversas enfermedades causadas por disfunción de proteína debida a plegamiento erróneo se dirigen a corregir los errores conformacionales. Un método promisorio es emplear chaperonas como Hsp70 para promover el plegamiento apropiado. Además, se ha mostrado que el antibiótico geldanamicina activa proteínas de choque por calor. También se ha mostrado que moléculas de fármaco pequeñas que actúan como chaperonas químicas evitan el plegamiento erróneo y restituyen la función de proteínas. Sin embargo, estos métodos hasta ahora no se han probado en experimentos en animales ni en sistemas in vitro, y queda por establecer su eficacia en humanos.

• Muchas proteínas son dirigidas a sus destinos mediante secuencias señal. Una importante decisión en cuanto a distribución se toma cuando las proteínas son divididas entre polirribosomas citosólicos (o libres) y unidos a membrana, en virtud de la ausencia o presencia de un péptido señal N terminal.

• Las proteínas sintetizadas en polirribosomas citosólicos son direccionadas mediante secuencias señal específicas a mitocondrias, núcleos, peroxisomas y el retículo endoplasmático. Las proteínas que carecen de una señal permanecen en el citosol.

• Las proteínas sintetizadas en polirribosomas unidos a membrana inicialmente entran a la membrana o la luz del ER y muchas son destinadas finalmente para otras membranas, incluso la PM y la del GA, para lisosomas, y para secreción por medio de exocitosis mediante transporte desde el ER → GA → PM en vesículas de transporte.

• Muchas reacciones de glucosilación ocurren en compartimentos del aparato de Golgi y las proteínas son más distribuidas en la red trans-Golgi.

• Las chaperonas moleculares estabilizan proteínas no plegadas o parcialmente plegadas. Las chaperonas se requieren para el direccionamiento correcto de proteínas a sus ubicaciones subcelulares.

• En la translocación postraduccional, las proteínas son transportadas hacia sus órganos blanco después de que se completa su síntesis. Las proteínas destinadas para mitocondrias, el núcleo y peroxisomas, siguen esta ruta, así como una minoría de proteínas dirigidas al ER.

• Casi todas las proteínas entran a la luz del ER mediante la vía cotraduccional, donde ocurre translocación durante síntesis de proteína en proceso.

• Las proteínas embebidas en la membrana del ER pueden insertarse de manera cotraduccional, postraduccional o después de transporte al GA (transporte anterógrado), retención transitoria y regreso al ER (transporte retrógrado).

• La acumulación perjudicial de proteínas que muestran plegamiento erróneo desencadena la respuesta de proteína sin plegamiento, y son degradadas mediante la vía ERAD. Las proteínas son marcadas para degradación mediante la adición de diversas moléculas de ubiquitina y después entran al citosol donde son desintegradas en proteasomas.

• Diferentes tipos de vesículas de transporte están cubiertos con diferentes proteínas. Las vesículas cubiertas con clatrina están destinadas para exocitosis y lisosomas, mientras que las proteínas de cubierta I y II están asociadas con vesículas COPI y COPII, que se encargan del transporte retrógrado y anterógrado, respectivamente.

• El procesamiento de vesícula de transporte es complejo y requiere muchos factores proteínicos. La gemación desde la membrana donante va seguida por movimiento por el citosol, fijación, acoplamiento y fusión con la membrana blanco.

• Ciertas proteínas (p. ej., precursores de albúmina e insulina) quedan sujetas a proteólisis mientras están dentro de vesículas de transporte, lo que produce las proteínas maduras.

• Las GTPasas pequeñas (p. ej., Ran, Rab) y los GEF desempeñan funciones clave en muchos aspectos del tráfico intracelular.

• Las vesículas que se forman a partir de membranas del ER y del aparato de Golgi son asimétricas en cuanto a contenido de lípido y proteína. La asimetría se mantiene durante la fusión de vesículas de transporte con la membrana plasmática, de modo que el interior de las vesículas después de fusión se convierte en el exterior de la membrana plasmática, y el lado citoplasmático de las vesículas permanece mirando al citosol.

• Durante el montaje de membrana se mantiene la asimetría tanto de lípidos como de proteínas. Los lípidos y las proteínas son insertados independientemente, y se recambian a ritmos diferentes. Quedan por establecer los detalles del proceso de montaje complejo.

• Se ha mostrado que muchos trastornos se deben a mutaciones en genes, o a otros factores que afectan el plegamiento de diversas proteínas. Estas enfermedades se han denominado enfermedades conformacionales o, de manera alternativa, enfermedades de deficiencia proteostática. Los métodos terapéuticos promisorios incluyen el uso de chaperonas, como Hsp70, y moléculas pequeñas que pueden evitar el plegamiento erróneo y restituir la función de la proteína.