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TRANSPORTE INTRACELULAR APARATO DE GOLGI INTRODUCCIÓN: “Un viaje en tren por el interior de la célula: el Aparato de Golgi como la estación central de tráfico intracelular de membranas” El sistema de membranas constituye un componente esencial para las células. La célula eucariota tiene la membrana plasmática que la aísla del exterior y las membranas intracelulares que la subdividen formando los distintos orgánulos. Esta compartimentación le permite adaptarse a los variables ambientes extracelulares y llevar a cabo funciones específicas dependiendo del tejido u órgano al que pertenezca. Las membranas están compuestas por glicolípidos y glicoproteínas, que, una vez sintetizados, se transportan a sus destinos intracelulares. Errores en su envío y/o ubicación pueden resultar fatales para la célula y para el organismo. Por ello, es crucial el control y la regulación del transporte intracelular. Un orgánulo clave es el aparato o complejo de Golgi. Este orgánulo representa la Estación Central intracelular de un viaje en tren en el que viajeros, vagones, ruedas, cambios de aguja, semáforos, motores y vías nos van a ayudar a entender cómo tiene lugar el tráfico intracelular de membranas. Los compartimentos implicados en todo este tráfico intracelular de membranas son: 1) El RE, que sería la primera etapa donde, por los procesos biosintéticos que hay, inicia ese tráfico intracelular. 2) ERES(regiones del retículo de donde brotan las vesículas de transporte). 3) ERGIC(compartimento intermedio entre el retículo y el complejo de Golgi) se

forman con material proveniente del retículo endoplasmático. 4) el complejo de Golgi 5) la red trans Golgi (TGN) 6) el compartimento endosomal

Viajando en tren por el interior de la célula Detallaré a continuación los distintos orgánulos y componentes moleculares en el tráfico de membranas, como si de un viaje en tren se tratase, en el que los pasajeros representarían los lípidos y proteínas, los vagones corresponderían a los intermediarios de transporte o vesículas y las estaciones, a los distintos orgánulos (retículo endoplasmático, los lisosomas, los endosomas, la membrana plasmática). Sin embargo, me extenderé con cierto detalle en el compartimento que representaría la Estación Central intracelular: el complejo o aparato de Golgi.

Las grandes rutas del tráfico intracelular de membranas

El tráfico intracelular de membranas es el proceso por el que los lípidos y proteínas son enviados a los compartimentos de destino. De este modo, se distinguen las siguientes rutas:

1. La ruta secretora, biosintética o exocítica. Es la ruta por la que los componentes recién sintetizados son transportados desde el compartimiento de síntesis o retículo endoplasmático (RE) hasta: a)otros orgánulos (aparato de Golgi, lisosomas, cloroplastos, etc) b) la membrana plasmática c) al medio extracelular. Se distinguen dos tipos de secreción: 1.1. La secreción constitutiva. A medida que los lípidos y las proteínas son sintetizados, se transportan y secretan sin pausa alguna hasta el destino final. Esta secreción tiene lugar en todas las células. 1.2. La secreción regulada. Sólo tiene lugar cuando aparece una señal específica, como la entrada de algunos iones (calcio) o como consecuencia de la interacción entre una hormona y su receptor. Los productos susceptibles de secreción regulada, una vez sintetizados, se almacenan en unas estructuras esféricas de membrana conocidas como vesículas o gránulos de secreción (en función del tamaño que tengan), a la espera de que aparezca la señal de disparo de la secreción. La secreción regulada acontece en las células de tejidos endocrinos (glándulas secretoras de hormonas) y exocrinos (páncreas exocrino), los macrófagos, algunos tipos de leucocitos y las neuronas.

2. La ruta endocítica. Es la ruta por la que componentes solubles y de membrana entran en la célula. Esta ruta abarca a su vez: 2.1. La ruta de internalización mediada por un receptor. En este caso, las moléculas exógenas se unen a un receptor que generalmente se encuentra en la membrana plasmática, o bien en determinados casos se almacena en compartimientos intracelulares localizados inmediatamente por debajo de la superficie celular y a la que se incorporan rápida y sincrónicamente cuando llega una señal específica, como sucede, por ejemplo, con los receptores GLUT4 de la glucosa. Estos receptores se encuentran en un compartimiento situado por debajo de la membrana plasmática. Cuando suben los niveles de glucosa en sangre, se produce la secreción de insulina, que se une a su vez a sus receptores presentes en la membrana plasmática. Esta unión dispara la fusión de las vesículas que contienen el receptor GLUT4 con la membrana plasmática, captando rápidamente la glucosa del medio extracelular. Acto seguido, los receptores con la glucosa son internalizados y la glucosa se desliga del receptor. Los receptores ya vacíos, esperan el inicio de un nuevo ciclo funcional, cuando aparezca otra vez la insulina en el medio extracelular. El desacoplamiento en la secuencia de este proceso comporta la aparición de la diabetes mellitus independiente de insulina.

2.2. La internalización mediada por caveolas. Es una ruta de internalización que emplea unas vesículas que contienen mayoritariamente una proteína denominada caveolina. A través de estas vesículas se captan las moléculas de pequeño tamaño y de naturaleza hidrofóbica como el colesterol y el ácido fólico y parecen estar implicadas en la señalización intracelular. 2.3. La fagocitosis. La fagocitosis es un tipo especializado de endocitosis por el que se internalizan grandes partículas como virus, bacterias, parásitos intracelulares y complejos inertes. Se encuentra sólo en determinados tipos celulares como los macrófagos y los neutrófilos. 2.4. La pinocitosis. Es la vía por la que se internalizan macromoléculas y fluidos. Además, es el mecanismo empleado para el recambio constante de la membrana plasmática. En función del tipo celular, la membrana plasmática se renueva completamente cada 30-60 min. 3. La ruta de reciclaje. Algunos componentes de membrana se internalizan, pero una vez liberada la carga de unión son devueltos a la membrana plasmática para volver a ejercer su función. Esta ruta la emplean la mayoría de los receptores de membrana (por ejemplo, los receptores de factores tróficos y el receptor de la transferrina) y en realidad es una combinación de la ruta endocítica (internalización) y de la secretora (vuelta a la superficie celular). El tráfico secretor y endocítico están muy equilibrados en cuanto a la cantidad de membrana intracelular. Cualquier alteración en este equilibrio comporta anomalías que comprometen la supervivencia de la célula.

APARATO DE GOLGI El aparato de Golgi fue descubierto por el médico e histólogo Camilo Golgi en 1889 cuando observaba neuronas y fue cuestionado durante décadas. Su estructura membranosa fue descrita en detalle por primera vez al microscopio electrónico por Dalton y Félix (1954), quienes introdujeron el concepto de complejo de Golgi. → MORFOLOGÍA:

En las células animales es un orgánulo que se localiza generalmente próximo al centrosoma, el cual suele estar en las cercanías del núcleo. Esta posición central depende de la organización del sistema de microtúbulos. El aparato de Golgi está formado por cisternas aplanadas que se disponen regularmente formando varios dictiosomas.Cada cisterna es bioquímica y funcionalmente diferente, cada compartimento tiene sus propias enzimas. Generalmente las cisternas están ensanchadas en los bordes (como una pizza) y curvadas teniendo las pilas de cisternas una cara Cis (parte cóncava) y una cara Trans (parte convexa). Cada una de las caras está unida a su respectiva red de estructuras túbulo-vesiculares: una de entrada o red tubular cis del Golgi

(CGN) y la otra de salida o red tubular trans del Golgi (TGN).

Las vesículas que se forman en el TGN no son típicamente redondeadas sino con forma diversa y surgen de expansiones tubulares membranosas. El reparto de moléculas para las diferentes rutas supone una selección de las cargas. En el caso de las moléculas que van a los endosomas (y a membranas basolaterales) se seleccionan por una secuencia específica que poseen las proteínas transmembranas en su lado citosólico. Sin embargo, las moléculas que se dirigen hacia la membrana celular (o apical en las células polarizadas) son seleccionadas por selectinas que reconocen los enlaces glucosídicos tipo O y N. En los animales estas vesículas son conducidas a todos sus destinos por los microtúbulos, mientras que en las plantas son los filamentos de actina los que llevan las vesículas hasta las vacuolas, mientras que se desconoce lo que las conduce hasta la membrana plasmática. La morfología del aparato de golgi es un tanto variable en función del tipo celular. Su tamaño suele estar en consonancia con la actividad biosintética de la célula. Por ejemplo,

en las células de la mosca del vinagre, aunque tienen centrosoma, poseen una organización similar de cisternas del Golgi a la de las plantas. Las conexiones laterales de las pilas de cisternas sólo se han observado en células de mamíferos.

En una célula suele haber varios de estos dictiosomas y algunas cisternas localizadas en dictiosomas próximos están conectadas lateralmente. El número (normalmente de 3 a 8) y el tamaño de las cisternas en cada dictiosoma es variable y depende del tipo celular, así como del estado fisiológico de la célula. A todo el conjunto de dictiosomas y sus conexiones se le denomina complejo o Aparato de Golgi. Este orgánulo es el responsable de la mayor parte de las modificaciones que sufren los lípidos y las proteínas una vez finalizada su síntesis en el RE. El más abundante es el proceso de glicosilación que da lugar a los glicolípidos y a las glicoproteínas. En el aparato de Golgi tienen lugar extensas modificaciones del bloque de azúcares estandarizado que se ha añadido a las proteínas conforme se sintetizaban en el RE. GLICOSILACIÓN La función más importante (conocida) del aparato de Golgi es la modificación de proteínas por glicosilación. La gran mayoría de las proteínas que se sintetizan en el RE y pasan por el Golgi son glicoproteínas. FOSFORILACIÓN También en el aparato de Golgi se producen procesos de fosforilación que son esenciales para el envío correcto de ciertas proteínas solubles al interior de los lisosomas, procesos de sulfatación de proteoglicanos y de ciertos aminoácidos y por último reacciones de proteólisis esenciales para la activación de ciertas hormonas.

En las células animales, entre las cisternas, dentro de cada dictiosoma, existen numerosas

proteínas fibrosas. Este entramado, denominado matriz (lumen), podría ayudar en el mantenimiento de la estructura del orgánulo. También se ha demostrado que la posición e integridad del aparato de Golgi depende de la organización de los microtúbulos, ya comentado anteriormente . La posición del complejo de Golgi parece depender de los microtúbulos nucleados desde el centrosoma, mientras que la integridad de cada dictiosoma se cree que depende de microtúbulos generados desde las propias cisternas. La actina y la miosina ayudarían también de una manera más fina en la organización de los dictiosomas. Además, el aparato de Golgi depende del tráfico vesicular desde el retículo endoplasmático. Si éste se detiene el Golgi también.

En las células vegetales, que no tienen centrosoma, hay numerosas estructuras similares a dictiosomas del Golgi poco desarrolladas, o incluso cisternas individuales dispersas por el citoplasma. Cada una de estas pilas de cisternas actúan de manera independiente. Es como si el complejo de Golgi estuviera distribuido por toda la célula. En las células vegetales las cisternas del aparato de Golgi son más pequeñas que en las células animales, aunque el número de cisternas dispersas puede variar entre decenas y más de cien. Hay otras diferencias en las plantas respecto a los animales: no se ha observado compartimento ERGIC(compartimento intermedio entre el retículo y el complejo de Golgi) , y el TGN (red tubular trans del Golgi “ donde las cisternas con las moléculas procesadas se deshacen en vesículas que se dirigen a otros compartimentos celulares”) está muy desarrollado. Las cisternas o grupos de cisternas son móviles gracias a los filamentos de actina y parecen moverse por zonas de producción de vesículas del retículo endoplasmático, como si fueran recolectándolas. Estos movimientos no alteran la morfología de las pilas de cisternas. Los filamentos de actina son también los que dirigirán las vesículas que salen del Golgi hacia las vacuolas. En las plantas, ni estos grupos dispersos, ni las cisternas, desaparecen durante la división celular puesto que son necesarios para crear la pared celular nueva que separará a las dos células hijas. TIPOS DE VESÍCULAS – Vesículas de TRANSICIÓN (10 nm de diámetro): se sitúa en la cara convexa o CIS y entre las cisternas. Se las llama vesículas de transferencia o intermedias. – Vesículas SECRETORAS (40 a 100 nm de diámetro): se sitúan en la superficie lateral y en la cara cóncava o TRANS. Su contenido va destinado a otros orgánulos, membrana citoplasmática o a la secreción. Las vesículas pueden ser lisas o cubiertas. Las cubiertas son las responsables del transporte de proteínas entre los orgánulos membranosos y la membrana plasmática. Hay tres tipos de vesículas correspondientes a los tres tipos de cubierta conocidas (proteína de cubierta del citosol (COP-I, COP-II y clatrina) e involucradas en el transporte de proteínas en las vía secretoria, tráfico vesicular y en la endocitosis. Las vesículas que brotan del RE están cubiertas con proteínas COP I o COP II, mientras que las vesículas que nacen de la cara CIS del Aparato de Golgi están cubiertas con

proteínas COP I, y las vesículas que nacen del TRANS están cubiertas con clatrina.

→ ORGANIZACIÓN: En cuanto a su organización, es un orgánulo polarizado y existe un trasiego constante de moléculas desde el lado cis al trans, pasando por las cisternas intermedias. Además, está en constante renovación y el flujo de moléculas afecta a su organización y a su tamaño. Este orgánulo está especialmente desarrollado en células con fuerte secreción. La dirección del flujo de sustancias determina una polarización de la distribución de las enzimas en las cisternas que están próximas al lado cis o al trans.

MODELOS DE TRANSPORTE a) Modelo de la maduración de cisternas: Se postula que los cuerpos túbulo vesiculares (ERGIC) provenientes del retículo endoplasmático se fusionan formando una cisterna en el lado cis. Esta cisterna se mueve progresivamente y madura hasta llegar al lado trans donde se descompone en vesículas para su reparto a otros compartimentos celulares. Hoy en día se tiende a aceptar este modelo porque hay observaciones que son explicadas por él pero no por otros modelos. b) Modelo de los compartimentos estables o de cisternas permanentes. En este modelo los cuerpos túbulo vesiculares (ERGIC) provenientes del retículo endoplasmático se unen al lado cis y desde esas cisternas salen vesículas que transportan material a la siguiente cisterna, y así sucesivamente hasta llegar al lado trans donde son empaquetadas en vesículas para su reparto. c) Modelo de la conexión de túbulos. Se ha visto con el microscopio electrónico que en ocasiones existen conexiones tubulares entre cisternas adyacentes. Estas conexiones parecen pasajeras y dependientes del tipo de material a secretar. Este modelo no es incompatible con el de maduración de cisternas y ambos procesos podrían ocurrir simultáneamente.

→ TRANSPORTE GOLGIANO: 1. 2. 3. 4.

Las vesículas de transición, procedentes de la envoltura nuclear y del RE, se unen a la cara cis del del dictiosoma. El contenido molecular se incorpora al dictiosoma. Las vesículas inter cisternas pasan el contenido de cisterna a cisterna, y al llegar a la cara trans, se concentra y se acumula en el interior de las vesículas. Las vesículas de secreción se dirigen hacia la membrana plasmática, se

5.

fusionan con ella y vierten su contenido al medio externo. La superficie de las vesículas que se forman están revestidas de clatrina (si el transporte es selectivo con un destino determinado); si el transporte no es selectivo se rodean de proteínas COP. Este revestimiento se pierde una vez formada la vesícula.

TRANSPORTE ANTERÓGRADO Y RETRÓGRADO El transporte de proteínas a través de la vía secretora está regulado por un transporte vesicular que llevan las moléculas transportadas desde un orgánulo al siguiente. Este transporte vesicular puede ocurrir tanto en dirección “hacia adelante” (transporte anterógrado), desde el RE hacia la membrana plasmática, o en dirección opuesta hacia el RE (transporte retrógrado). El transporte anterógrado incluye la salida desde el RE hacia el complejo de Golgi, el transporte intra-Golgi (en dirección desde la cisterna cis a la cisterna trans) y el transporte desde la red trans-Golgi (TGN) hasta la membrana plasmática, o con una ruta lateral hacia los endosomas o la vacuola (a través de los endosomas tardíos). El transporte retrógrado es por definición la vía de tráfico de membranas en la cual un conjunto de compartimentos de membrana facilita el movimiento del cargo hacia el RE. El transporte desde el Golgi hasta el RE y el transporte intra-Golgi (en dirección trans-cis) de proteínas residentes en el RE o de proteínas que ciclan en la vía secretora temprana RE-Golgi, también se incluye en la definición de transporte retrógrado. En este proceso de retorno desde el Golgi hasta el RE, se ha descubierto que juega un papel muy importante una familia de receptores K/HDEL, que permiten la recuperación de proteínas solubles residentes en el RE desde el complejo de Golgi.

FUNCIONES ❖ Recibir y modificar las proteínas y lípidos: es uno de los principales centros de glicosilación en la célula. En el aparato de Golgi también se producen otras modificaciones además de la glicosilación y sulfatación, como son fosforilación, palmitoilación, metilación y otras. En las plantas su papel es crucial, puesto que sintetiza los glicoconjugados que forman parte de la pared celular, menos la celulosa que se sintetiza en la membrana plasmática. Todas las funciones relacionadas con los glúcidos las llevan a cabo las enzimas glicosiltransferasas (añaden glúcidos) y las glicosidasas (eliminan glúcidos). Pueden existir unos 200 tipos de estas enzimas en el aparato de Golgi. Las diferentes cisternas del aparato de Golgi tienen papeles específicos dentro del

procesamiento de los glúcidos, que es una reacción secuencial. Hay evidencias de que existe un gradiente de enzimas relacionadas con la glicosilación desde el lado cis al trans, estando más concentradas cerca del lado cis aquellas enzimas implicadas en los primeros pasos del proceso de glicosilación. ❖ En el aparato de Golgi se terminan de sintetizar los esfingolípidos como las esfingomielinas y los glicoesfingolípidos. La ceramida sintetizada en el retículo endoplasmático es la molécula sobre la que trabajan las enzimas del aparato de Golgi para formar dichos tipos de lípidos de membrana. En el aparato de Golgi también se ensamblan las apoliproteínas como las VLDL.

❖ Hay otra serie de funciones no "convencionales" en las que recientemente se ha descubierto que participa el aparato de Golgi. Éstas incluyen ser centro de almacenamientos de calcio, actuar como una plataforma de señalización intracelular, participa en el control de los niveles de estéroles en la célula, en él se da parte de la respuesta de las células a la falta de alimentos, centro nucleador de microtúbulos en la células que se desplazan, etcétera.

❖ Construir lisosomas (máquinas de digestión celular) a partir de la formación de pequeñas vesículas que aumentan de tamaño.

❖ Sintetizar aquellos hidratos de carbono que no tienen la capacidad de formarse en el retículo endoplásmico.

❖ Dentro de las células vegetales el golgi se encarga de producir pectina y demás polisacáridos que impulsan el funcionamiento de la estructura y el me...