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El retículo endoplásmico (ER, endoplasmic reticulum) es una red de membranas que abarcan gran parte del citoplasma. Es probable que el ER haya evolucionado a partir de invaginaciones de la membrana plasmática como se muestra en la figura 1 pág. 27. Dentro de dicho retículo está un espacio extenso o “luz”, separado del citosol vecino por la membrana del retículo endoplásmico. Como resulta evidente en la descripción siguiente, la composición del espacio luminal o cisternas dentro de las membranas del ER es muy diferente de la del espacio citosólico circundante. A semejanza de otros organelos subcelulares el ER es una estructura altamente dinámica que muestra recambio y reorganización continuos.
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El retículo endoplásmico está dividido en dos subcompartimientos que son el retículo rugoso (RER, rough endoplasmic reticulum) y el retículo liso (SER, smooth endoplasmic reticulum). El ER rugoso se define por la presencia de ribosomas unidos a su superficie citosólica, mientras que el ER liso carece de ribosomas. El RER casi siempre se compone de una red de sacos aplanados (cisternas), como se muestra en la figura 8.9a. El RER se continúa con la membrana externa de la envoltura nuclear, que también tiene ribosomas en su superficie citosólica (fig. 8.2b). En cambio, los elementos membranosos del SER son curvos y tubulares, forman un sistema de tuberías interconectadas que ondulan por todo el citoplasma. Cuando se realiza la homogeneización de las células, el SER se fragmenta en vesículas de superficie lisa, en tanto el RER se fragmenta en vesículas de superficie rugosa (fig. 8.5b,c).
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Las proteínas y lípidos con marcas fluorescentes pueden difundirse de un tipo de retículo endoplásmico al otro, lo que indica que las membranas están interconectadas. De hecho, los dos tipos de compartimientos de dicho retículo comparten muchas de sus proteínas y realizan ciertas actividades comunes, como la síntesis de algunos lípidos y colesterol. Sin embargo, al mismo tiempo muchas proteínas se encuentran sólo en uno u otro tipo de retículo. Por ejemplo, la presencia de proteínas para “flexión” de la membrana, llamadas reticulones, induce y conserva un alto grado de curvatura de los túbulos de SER, curvatura que en gran medida falta en las hojas aplanadas de RER. A diferencia de ello, este último contiene proteínas que intervienen en el desplazamiento de proteínas “nacientes” hacia la luz del retículo endoplásmico.
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Los diferentes tipos de células contienen proporciones muy distintas de los dos tipos de retículo endoplásmico, según sean las actividades de la célula. Por ejemplo, las células que secretan grandes cantidades de proteínas, como las pancreáticas o las células de las glándulas salivales, tienen regiones extensas de RER (fig. 8.9b,d). Más adelante se regresa a la función del RER, pero primero se describen las actividades del retículo endoplásmico liso.
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El retículo endoplásmico liso
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El SER está muy desarrollado en diversos tipos celulares, entre ellos los del músculo esquelético, túbulos renales y glándulas endocrinas productoras de esteroides (fig. 8.10). Las funciones del SER incluyen:
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Síntesis de hormonas esteroideas en las células endocrinas de las gónadas y la corteza suprarrenal.
Desintoxicación en el hígado de diversos compuestos orgánicos, como barbitúricos y etanol, cuyo consumo crónico puede conducir a la proliferación del SER en las células hepáticas. La desintoxicación la realiza un sistema de enzimas que transfieren oxígeno (oxigenasas), incluida la familia del citocromo P-450. Estas enzimas son notables por su falta de especificidad de sustrato y pueden oxidar miles de compuestos hidrófobos distintos y convertirlos en sustancias más hidrófilas y más fáciles de excretar. Los efectos no siempre son positivos. Por ejemplo, el compuesto relativamente inocuo benzo[a]pireno que se forma cuando se requema la carne en una parrilla se convierte en un carcinógeno potente por efecto de las enzimas “desintoxicantes” del SER. Las enzimas del citocromo P-450 metabolizan muchos medicamentos prescritos y la variación genética en estas enzimas en los seres humanos explica las diferencias en la eficacia y efectos secundarios de muchos fármacos entre unas personas y otras.
Secuestro de iones calcio en el citoplasma celular. La liberación regulada de Ca2+ del SER de células musculares esqueléticas y cardiacas (conocido como retículo sarcoplásmico en las células musculares) desencadena la contracción.
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Funciones del retículo endoplásmico rugoso
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Las investigaciones iniciales sobre las funciones del RER se realizaron en células que secretan grandes cantidades de proteína, como las células acinares del páncreas (fig. 8.3) o las células secretoras de moco del recubrimiento del tubo digestivo (fig. 8.11). A partir del dibujo y la micrografía de la figura 8.11 resulta evidente que los organelos de estas células epiteliales secretoras se disponen de tal forma en la célula que producen una polaridad distinta en uno y otro extremo de ella. El núcleo y un conjunto grande de cisternas de RER se localizan cerca de la superficie basal de la célula, la cual está próxima al aporte sanguíneo. El aparato de Golgi se localiza en la región central de la célula. La superficie apical de la célula está junto a un conducto que transporta las proteínas secretadas fuera del órgano. El citoplasma del extremo apical de la célula está lleno de gránulos secretores cuyo contenido está listo para liberarse hacia el conducto en cuanto llega la señal apropiada. La polaridad de estas células epiteliales glandulares refleja el movimiento de las proteínas secretoras por la célula, desde el sitio de síntesis hasta el punto por donde se descargan. El retículo endoplásmico rugoso es el punto inicial de la vía biosintética: es el punto donde se sintetizan las proteínas, cadenas de carbohidratos y fosfolípidos que viajan por los compartimientos membranosos de la célula.
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Síntesis de proteínas en ribosomas unidos a la membrana o en ribosomas libres
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Ya se describió (fig. 8.3) el descubrimiento del retículo endoplásmico rugoso como sitio de la síntesis de proteínas de secreción (secretoras) en las células acinares pancreáticas. Se obtuvieron resultados similares para otros tipos de células secretoras, incluidas las células caliciformes del intestino que secretan mucoproteínas, las células endocrinas que producen hormonas polipeptídicas, las células plasmáticas que secretan anticuerpos y las células hepáticas que secretan proteínas séricas a la sangre.
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Experimentos posteriores han revelado que los polipéptidos se sintetizan en dos puntos distintos dentro de la célula.
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En promedio, la tercera parte de las proteínas codificadas por el genoma de mamíferos son sintetizadas en los ribosomas unidos a la superficie citosólica de las membranas RER. Éstos incluyen: (a) las proteínas que secreta la célula, (b) proteínas integrales de la membrana y (c) proteínas solubles que se encuentran en compartimientos del sistema de endomembrana, como el retículo endoplásmico, aparato de Golgi, lisosomas, endosomas, vesículas y vacuolas vegetales.
Otros polipéptidos se sintetizan en ribosomas “libres”, es decir, los que no están unidos al RER, y luego se liberan al citosol. Esta clase incluye: (a) proteínas destinadas a permanecer en el citosol (como las enzimas de la glucólisis y las proteínas del citoesqueleto); (b) proteínas periféricas de la superficie citosólica de las membranas (como las espectrinas y las anquirinas que sólo tienen una relación débil con la superficie citosólica de la membrana plasmática); (c) proteínas que se transportan al núcleo (sección 12.2), y (d) proteínas que se incorporan a los peroxisomas, cloroplastos y mitocondrias. Las proteínas de los dos últimos grupos se sintetizan hasta terminarlas en el citosol y luego se importan después de la traducción al organelo apropiado a través de su membrana limitante (pág. 316).
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¿Qué determina el sitio de la célula en el que se sintetiza una proteína? A principios del decenio de 1970, Günter Blobel, en colaboración con David Sabatini y Bernhard Dobberstein de la Rockefeller University, propusieron por primera vez, y luego demostraron, que el sitio de la síntesis de una proteína dependía de la secuencia de aminoácidos en la porción amino-terminal del polipéptido, que es la primera parte que surge del ribosoma durante la síntesis de las proteínas. Estos investigadores sugirieron lo siguiente:
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Las proteínas secretoras contienen una secuencia de señal en su extremo amino que dirige al polipéptido emergente y al ribosoma hacia la membrana del retículo endoplásmico.
El polipéptido se mueve en dirección al espacio de cisterna del retículo endoplásmico, un canal acuoso recubierto con proteína en la membrana del retículo endoplásmico. Se ha propuesto que el polipéptido se mueve por la membrana conforme se sintetiza, esto es, al mismo tiempo de la traducción.2
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Esta proposición, conocida como la hipótesis de la señal, tiene el respaldo de abundante evidencia experimental. Algo aún más importante: se demostró que el concepto original de Blobel, según el cual las proteínas tienen incluidos “códigos postales”, se aplica en principio a todos los tipos de proteína que transitan las vías de la célula.
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Síntesis de proteínas secretoras, lisosómicas o vacuolares vegetales en los ribosomas unidos a membranas
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Los pasos durante la síntesis de una proteína secretora, lisosómica o vacuolar vegetal, se muestran en la figura 8.12a. La síntesis del polipéptido inicia después que un RNA mensajero se une con un ribosoma libre, es decir, uno que no esté unido con una membrana citoplásmica. De hecho, se cree que todos los ribosomas son idénticos; los empleados en la síntesis de proteínas secretoras, lisosómicas o las de las vacuolas vegetales se toman de la misma población (reserva) que los utilizados en la producción de proteínas que permanecen en el citosol. Los polipéptidos sintetizados en ribosomas unidos con membranas contienen una secuencia señal, que incluye un segmento de seis a 15 residuos de aminoácidos hidrófobos, y que dirige al polipéptido naciente a la membrana del retículo endoplásmico, y además conduce a la división en compartimientos del polipéptido dentro de la luz de este retículo. (Un polipéptido naciente es uno que esté en proceso de síntesis.) Aunque la secuencia señal casi siempre se localiza en o cerca del extremo amino, en algunos polipéptidos ocupa una posición interna.
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Conforme surge del ribosoma, una partícula de reconocimiento de señal (SRP) identifica la secuencia señal hidrófoba; dicha partícula posee en las células de mamíferos seis polipéptidos distintos y una pequeña molécula de RNA, llamada RNA 7SL. La SRP se une tanto a la secuencia señal en el polipéptido naciente como al ribosoma (paso 1, fig. 8.12a), con lo que detiene temporalmente la síntesis de más polipéptido. La SRP unida sirve como una marca que permite que el complejo entero (SRP-ribosoma-polipéptido naciente) se una de manera específica a la superficie citosólica de la membrana del retículo endoplásmico. La unión a este último ocurre a través de cuando menos dos interacciones bien definidas: una entre la SRP y el receptor de SRP (paso 2), y la otra entre el ribosoma y el translocón (paso 3). El translocón es un conducto recubierto con proteína incrustado en la membrana del ER a través del cual el polipéptido naciente puede moverse en su paso del ribosoma a la luz del retículo endoplásmico.
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En los últimos años, uno de los mayores desafíos en el campo del tráfico de membrana ha sido la determinación de la estructura tridimensional de una versión procariótica del translocón mediante cristalografía de rayos X (fig. 8.12b). Este esfuerzo reveló la presencia dentro del translocón de un poro con forma de reloj de arena, con un anillo de seis aminoácidos hidrófobos en su diámetro más estrecho. En el estado inactivo (es decir, sin transposición), que fue el estado en el que se cristalizó la estructura, la abertura del anillo del poro está obstruida por una hélice α corta. En un inicio se propuso que este tapón sella el canal, impidiendo el paso indeseado de calcio y otros iones entre el citosol y la luz del retículo endoplásmico; sin embargo, este modelo en la actualidad se encuentra en debate.
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Una vez que el complejo SRP-ribosoma-cadena naciente se une a la membrana del retículo endoplásmico (paso 2, fig. 8.12a), la SRP se libera de su receptor en el ER, el ribosoma se une al extremo citosólico del translocón, y la secuencia señal en el polipéptido naciente se inserta en el estrecho canal acuoso del translocón (paso 3). Se propone que el contacto de la secuencia señal con el interior del translocón causa el desplazamiento del tapón y la abertura del pasaje. El polipéptido en crecimiento se traspone entonces a través del anillo del poro hidrófobo hacia la luz del retículo endoplásmico (paso 4 y figura 8.12c). Dado que el anillo del poro observado en la estructura cristalina tiene un diámetro (5 a 8 Å) considerablemente menor que el de una cadena polipeptídica helicoidal, se supone que el poro se expande cuando la cadena naciente atraviesa el canal. (La expansión es posible porque los residuos que constituyen el anillo están situados en diferentes hélices de la proteína del translocón.) Cuando terminan la traducción y el paso del polipéptido completo por el translocón, el ribosoma unido a membrana se libera de la membrana del retículo endoplásmico y el tapón helicoidal se reinserta en el canal del translocón.
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Varios de los pasos incluidos en la síntesis y tránsito de las proteínas secretoras se regulan mediante la unión o hidrólisis de GTP (trifosfato de guanosina). Como se trata con detalle en el capítulo 15 y en otra parte de este capítulo, las proteínas de unión con GTP (o proteínas G) tienen funciones reguladoras clave en muchos procesos celulares diferentes.3 Las proteínas G pueden estar presentes en por lo menos dos conformaciones alternativas, una que contiene una molécula de GTP unida y la otra con una molécula GDP. Las versiones unidas con GTP y GDP de una proteína G tienen conformaciones diferentes y, por consiguiente, capacidades distintas para unirse con otras proteínas. A causa de esta diferencia en las propiedades de unión, las proteínas G actúan como “interruptores moleculares”; la proteína unida con GTP casi siempre activa el proceso y la hidrólisis del GTP unido lo apaga. Entre los componentes mostrados en la figura 8.12, tanto SRP como el receptor para SRP son proteínas G que interactúan entre sí en sus estados unidos con GTP. La hidrólisis del GTP unido con estas dos proteínas ocurre entre los pasos 2 y 3 e inicia la liberación de la secuencia de señal por la SRP y su inserción en el translocón.
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Procesamiento de proteínas recién sintetizadas en el retículo endoplásmico
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Conforme entra a la cisterna del RER, un polipéptido naciente es sujeto de la actividad de diversas enzimas situadas dentro de la membrana o en la luz del RER. La porción amino-terminal que contiene el péptido señal se retira de la mayor parte de los polipéptidos nacientes por acción de una enzima proteolítica, la peptidasa de señal. Los carbohidratos se agregan a la proteína naciente mediante la enzima oligosacariltransferasa (descrita en la página 286). La peptidasa de señal y la oligosacariltransferasa son proteínas integrales de la membrana que están próximas al translocón y actúan sobre las proteínas nacientes conforme entran a la luz del retículo endoplásmico.
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El RER es una planta procesadora de proteínas importante. Para realizar sus funciones, la luz del RER está empacada con chaperonas moleculares que reconocen proteínas desplegadas o mal plegadas, se unen a ellas y les dan la oportunidad de adquirir su estructura tridimensional correcta (nativa) (pág. 288). La luz del retículo endoplásmico también contiene varias enzimas procesadoras de proteínas, como la disulfuro isomerasa de proteína (PDI, protein disulfide isomerase). Las proteínas entran en la luz del retículo endoplásmico con sus residuos cisteína en el estado reducido (—SH), pero salen del compartimiento con muchos de estos residuos unidos entre sí como disulfuros oxidados (—SS—) (pág. 53). La formación (y el reordenamiento) de los enlaces de disulfuro es catalizada por PDI.
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Los enlaces disulfuro tienen una función esencial en el mantenimiento de la estabilidad de las proteínas que se encuentran en la superficie extracelular de la membrana plasmática o que se secretan al espacio extracelular.
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El retículo endoplásmico tiene la construcción ideal para cumplir su función como puerto de entrada a la vía biosintética de la célula. Su membrana suministra una gran superficie en la cual pueden unirse muchos ribosomas (se estima que son 13 millones en cada célula hepática). La luz de las cisternas del retículo endoplásmico proporciona un ambiente local especializado que favorece la modificación, el plegamiento y el ensamble de un subtipo seleccionado de proteínas de la célula. La separación de las proteínas nuevas en las cisternas del ER las retira del citosol y permite que sean modificadas y enviadas a su destino final, ya sea fuera de la célula o dentro de alguno de los organelos membranosos del citoplasma.
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Síntesis de proteínas integrales de membrana en los ribosomas unidos a la membrana
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Las proteínas integrales de la membrana, distintas de las de las mitocondrias y cloroplastos, también se sintetizan en los ribosomas unidos a la membrana del retículo endoplásmico. Estas proteínas de membrana se translocan a la membrana del ER conforme se sintetizan (esto es, al mismo tiempo que la traducción) con los mismos mecanismos descritos para la síntesis de las proteínas secretoras y lisosómicas (fig. 8.12). Sin embargo, a diferencia de las proteínas secretoras solubles y las lisosómicas, que pasan por completo a través de la membrana del retículo endoplásmico durante la translocación, las proteínas integrales de membrana contienen uno o más segmentos transmembranosos hidrófobos (pág. 134) que son desviados directamente del canal del translocón hacia el interior de la bicapa lipídica. ¿Cómo puede ocurrir tal transferencia?
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Los estudios de cristalografía de rayos X del translocón antes descritos mostraron que este último tiene una conformación en forma de almeja con un surco o costura a lo largo del costado de la pared, donde el canal podría abrirse y cerrarse. Se propone que cuando un polipéptido pasa por el translocón, este “puente” lateral en el canal se abre y cierra continuamente, lo cual da a cada segmento del polipéptido naciente la oportunidad de distribuirse conforme a sus propiedades de solubilidad en el compartimiento acuoso del interior del canal del translocón o el centro hidrófobo circundante de la bicapa lipídica. Aquellos segmentos del polipéptido naciente que sean lo suficientemente hidrófobos se “disolverán” de manera espontánea en la bicapa lipídica y al final se convertirán en segmentos transmembranosos de una proteína integral de membrana. Este concepto ha recibido fuerte apoyo de un estudio in vitro en el cual se dio a los translocones la oportunidad de translocar proteínas nacientes “sobre pedido” que contenían segmentos de prueba de diversas hidrofobicidades. Cuanto más hidrófobo el segmento de prueba, tanto mayor la probabilidad de que pasara por la pared del translocón y se integrara como un segmento transmembranoso de la bicapa.
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La figura 8.13 muestra la síntesis de un par de proteínas integrales de membrana que contienen un solo segmento transmembranoso. Las proteínas que cruzan una sola vez la membrana pueden estar orientadas con el extremo amino hacia el citosol o hacia la luz del retículo endoplásmico (y en última instancia hacia el espacio extracelular). Como se indica en la página 135, el factor determinante más frecuente de la alineación de la proteína de membrana es la presencia de residuos de aminoácidos con carga positiva que flanquean el extremo citosólico de un segmento transmembranoso (fig. 4.18). Durante la síntesis de las proteínas de membrana, se cree que el recubrimiento interno del translocón orienta al polipéptido naciente, como se indica en la figura 8.13, de manera que el extremo más positivo se dirija hacia el citosol. En las proteínas que cruzan varias veces la membrana (como se muestra en la figura 4.32d), los segmentos transmembranosos secuenciales tienen orientaciones opuestas. Para estas proteínas, su disposición dentro de la membrana se determina por la dirección en la que se inserta el primer segmento transmembrana. Una vez que se determina, cada tercer segmento transmembrana debe girar 180° para poder salir del translocón. Los estudios que se han realizado con componentes purificados en sistemas libres de células sugieren que un translocón es capaz, por sí mismo, de orientar en forma apropiada los segmentos transmembranosos. Pareciera que el translocón es más que un simple paso por la membrana del retículo endoplásmico; es una “máquina” compleja capaz de reconocer varias secuencias señal y realizar actividades mecánicas complejas.
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Biosíntesis de membrana en el retículo endoplásmico
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Las membranas no surgen de novo, es decir, por la combinación de elementos de las reservas de proteínas y lípidos. Por el contrario, se asume que las membranas surgen sólo de las membranas preexistentes. Las membranas crecen conforme las proteínas y lípidos recién sintetizados se insertan en las membranas existentes en el ER. Como resulta evidente en la siguiente revisión, los componentes de la membrana pasan del retículo endoplásmico a todos los demás compartimientos de la célula. Cuando la membrana se mueve de un compartimiento al siguiente, sus proteínas y lípidos se modifican por efecto de las enzimas que residen en los diversos organelos de la célula. Estas modificaciones contribuyen a dar a cada compartimiento de membrana una composición única y una identidad distintiva.
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Hay que recordar que las membranas celulares son asimétricas: las dos capas de fosfolípidos (hojas) de una membrana tienen diferentes composiciones (pág. 128). Esta asimetría se establece al principio en el retículo endoplásmico, y se mantiene cuando la membrana se desprende de un compartimiento y se fusiona con el siguiente. Como resultado, los componentes situados en la superficie citosólica de la membrana del retículo endoplásmico pueden identificarse en la superficie citosólica de las vesículas de transporte, en la superficie citosólica de las cisternas de Golgi y en la superficie interna (citoplásmica) de la membrana plasmática (fig. 8.14). De igual forma, los dominios situados en la superficie luminal de la membrana del ER mantienen su orientación y se encuentran en la superficie externa (exoplásmica) de la membrana plasmática. En realidad, en muchos aspectos, como su alta concentración de calcio y abundancia de proteínas con enlaces disulfuro y cadenas de carbohidratos, la luz del ER (así como otros compartimientos de la vía secretora) se parece mucho al espacio extracelular.
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Síntesis de los lípidos de la membrana La mayor parte de los lípidos de la membrana se sintetiza por completo dentro del retículo endoplásmico. Las principales excepciones son: (1) la esfingomielina y los glucolípidos, cuya síntesis comienza en el ER y se completa en el aparato de Golgi y (2) algunos de los lípidos únicos de las membranas de mitocondrias y cloroplastos, que se sintetizan por acción de enzimas que residen en esas membranas. Las enzimas participantes en la síntesis de fosfolípidos son proteínas integrales de la membrana del retículo endoplásmico y sus sitios activos están dirigidos hacia el citosol. Los fosfolípidos recién producidos se insertan en la mitad de la bicapa dirigidos hacia el citosol. Algunas de estas moléculas de lípidos se giran más tarde hacia la hoja contraria mediante la acción de enzimas llamadas flipasas. Los lípidos son transportados del retículo endoplásmico al aparato de Golgi y la membrana plasmática como parte de la bicapa que constituye las paredes de las vesículas de transporte.
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Las membranas de los diferentes organelos tienen una composición de lípidos muy diferente (fig. 8.15a), lo cual indica que se producen cambios a medida que la membrana fluye por la célula. Varios factores pueden contribuir a tales cambios (fig. 8.15b):
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La mayor parte de los organelos membranosos contiene enzimas que modifican los lípidos que ya están dentro de su membrana y convierten un tipo de fosfolípidos (p. ej., fosfatidilserina) en otro (p. ej., fosfatidilcolina) (paso 1, fig. 8.15b).
Cuando las vesículas se desprenden de un compartimiento (como en la figura 8.2a), algunos tipos de fosfolípidos pueden incluirse de manera preferencial dentro de la membrana de la vesícula en formación, mientras que otros tipos se dejan atrás (paso 2, fig. 8.15b).
Las células contienen proteínas de transferencia de lípidos que pueden unir y transportar a los lípidos a través del citosol acuoso de un compartimiento de membrana a otro (paso 3, fig. 8.15b). Las proteínas mencionadas facilitan el desplazamiento de lípidos específicos desde ER a otros organelos sin la participación de vesículas de transporte. Según se piensa, la transferencia de lípidos se hace en sitios en que el ER está muy cerca de la membrana externa de otros organelos.
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Glucosilación en el retículo endoplásmico rugoso
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Casi todas las proteínas producidas en los ribosomas unidos con membranas se convierten en glucoproteínas, ya sean componentes integrales de una membrana, enzimas lisosómicas solubles o vacuolares o partes de la matriz extracelular. Los grupos carbohidrato tienen una participación importante en la función de muchas glucoproteínas, sobre todo como sitios de unión en sus interacciones con otras macromoléculas, como ocurre durante muchos procesos celulares. También ayudan al plegamiento correcto de la proteína a la que están unidos. Las secuencias de azúcares que comprenden los oligosacáridos de las glucoproteínas son muy específicas; si los oligosacáridos se aíslan de una proteína purificada de un tipo celular en particular, su secuencia es consistente y predecible. ¿Cómo se logra el orden de los azúcares en los oligosacáridos?
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La adición de azúcares a una cadena de oligosacárido se cataliza por una familia de enzimas unidas a la membrana llamadas glucosiltransferasas. Cada una de estas enzimas transfiere un monosacárido específico de un azúcar-nucleótido, como GDP-manosa o UDP-N-acetilglucosamina (fig. 8.16), al extremo en crecimiento de la cadena de carbohidrato. La secuencia en que se transfieren los azúcares durante el ensamblaje de un oligosacárido depende de la secuencia de acción de las glucosiltransferasas que participan en el proceso. A su vez, esto depende de la localización de enzimas específicas dentro de las diversas membranas de la vía secretora. Por lo tanto, la disposición de los azúcares en las cadenas de oligosacáridos de una glucoproteína depende de la localización espacial de las enzimas específicas en la línea de montaje.
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La figura 8.16 muestra los pasos iniciales en el ensamble de los oligosacáridos unidos con N (a diferencia de los oligosacáridos unidos con O, véase fig. 4-11) de las proteínas solubles y las proteínas integrales de la membrana. El segmento basal o central de cada cadena de carbohidrato no se ensambla sobre la proteína misma, sino que se arma de manera independiente sobre un lípido portador y luego se transfiere, en bloque, a los residuos de asparagina específicos del polipéptido. Este lípido transportador, llamado fosfato de dolicol, está embebido en la membrana del retículo endoplásmico. Los azúcares se agregan a la molécula de fosfato de dolicol uno a la vez por acción de las glucosiltransferasas unidas a la membrana, a partir del paso 1 de la figura 8.16. Esta parte del proceso de glucosilación es invariable; en las células de mamíferos comienza con la transferencia de N-acetilglucosamina 1-fosfato, seguida de la transferencia de otra N-acetilglucosamina y luego nueve moléculas de manosa y tres unidades de glucosa en el patrón exacto indicado en la figura 8.16. Este bloque ya ensamblado de 14 azúcares se transfiere luego por acción de la enzima oligosacariltransferasa del ER del fosfato de dolicol a ciertas asparaginas en el polipéptido naciente (paso 10, fig. 8.16) mientras el polipéptido se transloca hacia la luz del retículo endoplásmico.
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Las mutaciones que causan la ausencia total de N-glucosilación provocan la muerte de los embriones antes de la implantación. Sin embargo, las mutaciones que producen la interrupción parcial de la vía de glucosilación en el retículo endoplásmico causan trastornos hereditarios graves que afectan casi cualquier aparato o sistema. Estas anomalías se conocen como enfermedades congénitas de la glucosilación (CDG, congenital diseases of glycosylation), y suelen identificarse mediante pruebas sanguíneas que detectan la glucosilación anormal de proteínas séricas. Una de ellas, CDG1b, puede tratarse con medidas muy sencillas. La CDG1b se debe a la deficiencia de la enzima fosfomanosa isomerasa, que cataliza la conversión de fructosa 6-fosfato en manosa 6-fosfato, una reacción crucial en la vía que hace que la manosa esté disponible para incorporarla en los oligosacáridos. La afección puede tratarse con complementos orales de manosa. Al principio, el tratamiento se probó en un niño grave que sufría hemorragia gastrointestinal incontrolable, una de las complicaciones frecuentes de la enfermedad. Unos meses después de iniciar el complemento de manosa el niño pudo llevar una vida normal.
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Poco después de transferirse al polipéptido naciente, la cadena de oligosacárido se somete a un proceso gradual de modificación. Esta modificación comienza en el ER con la eliminación enzimática de dos de los tres residuos terminales de glucosa (paso 1, fig. 8.17). Esto pone el escenario para un acontecimiento importante en la vida de una glucoproteína recién sintetizada en el cual ésta es evaluada por un sistema de control de calidad que determina si es apta o no para pasar al siguiente compartimiento de la vía biosintética. Para comenzar este proceso de detección, cada glucoproteína (que en esta etapa contiene una sola glucosa restante) se une a la chaperona del retículo endoplásmico (calnexina o calreticulina) (paso 2). La eliminación de la glucosa restante por la glucosidasa II hace que la chaperona libere la glucoproteína (paso 3). Si en esta etapa una glucoproteína no ha completado su plegamiento o está mal plegada, es reconocida por una enzima detectora de conformación (llamada UGGT) que agrega un solo residuo de glucosa de nuevo a uno de los residuos de manosa en el extremo expuesto del oligosacárido recién reducido (paso 4). La UGGT reconoce las proteínas mal plegadas, o plegadas sólo de forma parcial, porque exponen residuos hidrófobos que no se detectan en las proteínas bien plegadas. Una vez que se agrega el residuo de glucosa, las mismas moléculas chaperonas reconocen a la glucoproteína “marcada”, lo que da a la proteína otra oportunidad para plegarse de manera correcta (paso 5). Después de un periodo con la chaperona, el residuo de glucosa se retira y la enzima detectora de conformación la revisa de nuevo para confirmar que alcanzó su estructura tridimensional apropiada. Si todavía está parcialmente desplegada o mal plegada, se agrega otro residuo de glucosa y se repite el proceso hasta que al final, la glucoproteína se pliega en forma correcta y continúa su camino (paso 6) o permanece mal plegada y se destruye. Los estudios sugieren que la “decisión” de destruir la proteína defectuosa está regulada por una enzima de acción lenta en el ER que recorta un residuo de manosa de un extremo expuesto del oligosacárido de una proteína que ha estado en el retículo endoplásmico por un tiempo prolongado. Una vez que se retiran uno o más de estos residuos de manosa (paso 7), la proteína ya no puede reciclarse y se destina a la degradación (paso 8).
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En la página 292 se retoma la historia de la glucosilación de las proteínas, cuando se describe la manera en que el oligosacárido que se ensambló en el retículo endoplásmico crece a su paso por el aparato de Golgi en su camino por la vía biosintética.
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Mecanismos que aseguran la destrucción de las proteínas mal plegadas
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Recién se describió el modo en que las enzimas del retículo endoplásmico identifican las proteínas que no se pliegan de manera apropiada. Fue una sorpresa descubrir que las proteínas mal plegadas no se destruyen en el retículo endoplásmico, sino que se transportan al citosol por un proceso de transposición inversa, y no hay consenso en cuanto al mecanismo exacto por el que ocurre tal proceso. Una vez en el citosol, las cadenas de oligosacáridos se retiran y las proteínas mal plegadas se degradan en los proteasomas, que son máquinas destructoras de proteínas cuya estructura y función se describen en la sección 12.7. Este proceso, conocido como degradación vinculada al retículo endoplásmico (ERAD, ER-associated degradation), asegura que las proteínas aberrantes no sean transportadas a otras partes de la célula, pero puede tener consecuencias negativas. En casos graves de fibrosis quística, la membrana plasmática de las células epiteliales carece de la proteína codificada por el gen de la fibrosis quística (pág. 162). En tales casos, la proteína mutante es destruida en el proceso de control de calidad del retículo endoplásmico, por lo que no llega a la superficie celular.
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En ciertas circunstancias, las proteínas mal plegadas pueden generarse en el retículo endoplásmico a mayor velocidad de la que pueden transportarse al citoplasma. La acumulación de proteínas mal plegadas, que puede ser letal para la célula, inicia un “plan de acción” completo dentro de la célula que se conoce como respuesta de proteína no plegada (UPR). El retículo endoplásmico contiene sensores de proteína que vigilan la concentración de proteínas no plegadas o mal plegadas en la luz del ER. Según el modelo prevaleciente esbozado en la figura 8.18, los detectores se mantienen en un estado activo mediante chaperonas moleculares, en especial BiP. Si las circunstancias conducen a la acumulación de proteínas mal plegadas, las moléculas BiP de la luz del retículo endoplásmico se reclutan al servicio como chaperonas para las proteínas defectuosas, lo que las hace incapaces de inhibir a los sensores. La activación de los sensores da origen a una multitud de señales que se transmiten hacia el núcleo y el citosol y el resultado incluye lo siguiente:
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Expresión de cientos de genes diferentes cuyas proteínas codificadas tienen la capacidad de aliviar las condiciones de estrés dentro del retículo endoplásmico. Se incluyen genes que codifican: (1) chaperonas moleculares con base en el retículo endoplásmico que ayudan a las proteínas mal plegadas a alcanzar su estado nativo, (2) proteínas que intervienen en el transporte de proteínas fuera del ER y (3) proteínas que participan en la destrucción selectiva de proteínas anormales, como se mencionó antes.
Fosforilación de una proteína clave (eIFα) necesaria para la síntesis de proteína. Esta modificación inhibe la síntesis proteínica y disminuye el flujo de proteínas nuevas al retículo endoplásmico. Esto suministra a la célula una oportunidad de retirar las proteínas que ya están en la luz del retículo endoplásmico.
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Un dato interesante es que la respuesta a la proteína no plegada es más que un mecanismo de supervivencia celular; también incluye la activación de una vía que conduce a la muerte de la célula. Se presupone que la reacción a la proteína no plegada confiere un mecanismo para aliviar a la célula de condiciones de estrés. Si estas medidas correctivas no tienen éxito, se activa la vía de muerte celular y la célula se destruye.
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Del retículo endoplásmico al aparato de Golgi: primer paso en el transporte vesicular
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Los sitios de salida de las cisternas del RER están desprovistos de ribosomas, y en ellos se forman las primeras vesículas de transporte de la vía biosintética. El viaje desde el retículo endoplásmico al aparato de Golgi puede seguirse en forma visual en células vivas si las proteínas secretoras se marcan con la proteína verde fluorescente (GFP, green fluorescent protein), como se describe en la página 273. Con esta técnica se observa que poco después de desprenderse de la membrana del ER, las vesículas de transporte se fusionan entre sí para formar vesículas más grandes y túbulos interconectados en la región entre el ER y el aparato de Golgi. Esta región se llamó compartimiento intermedio entre el retículo endoplásmico y el aparato de Golgi (ERGIC, endoplasmic reticulum Golgi intermediate compartment), y los transportadores vesiculotubulares que se forman en él se denominaron VTC (vesicular-tubular carrier) (fig. 8.25a). Una vez formados, los VTC se alejan del retículo endoplásmico hacia el aparato de Golgi. La figura 8.19 muestra el movimiento de dos de estos transportadores membranosos vesiculotubulares del ERGIC al aparato de Golgi. El movimiento de los VTC ocurre sobre rieles compuestos por microtúbulos.
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REVISIÓN
¿Cuáles son las principales diferencias morfológicas entre el RER y el SER y cuáles son sus funciones?
Describa los pasos que ocurren entre el momento en que el ribosoma se une con un RNA mensajero que codifica una proteína secretora y el momento en que la proteína sale del retículo endoplásmico rugoso.
¿Cómo se insertan las proteínas recién sintetizadas en una membrana?
Describa algunas de las formas en que los organelos membranosos pueden mantener su composición única a pesar del tránsito continuo de membranas y materiales a través de ellos.
Describa cómo se mantiene la asimetría de la membrana conforme ésta se mueve del retículo endoplásmico a la membrana plasmática.
Describa los mecanismos por los cuales la célula asegura que las proteínas mal plegadas: (1) no salgan del retículo endoplásmico y (2) no se acumulen hasta niveles excesivos dentro de la luz del retículo endoplásmico.