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Atlas de Histologıa Vegetal y Animal

TEJIDOS ANIMALES

La celulaAMPLIACIONES II

Manuel Megıas, Pilar Molist, Manuel A. Pombal

Departamento de Biologıa Funcional y Ciencias de la Salud.Fcacultad de Biologıa. Universidad de Vigo

(Version: Noviembre 2017)

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Contenidos

1 Modelos de membrana 1

2 Uniones en hendidura 8

3 Autofagia 11

4 Vesıculas 14

5 Transcitosis 20

6 Vesıculas extracelulares 22

7 Apoptosis 25

La celula. Ampliaciones II. 1

1 Modelos de membrana

En esta pagina se explica como se ha llegado al modeloquımico y fısico de membrana celular con el que hoyse trabaja y se explica en los libros de texto. Actual-mente la descripcion de las celulas no se entiende sinlas membranas. Las membranas no solo establecenlımites de la celula y los compartimentos intracelu-lares sino que multitud de funciones de las celulasresiden en las membranas. Sin embargo, la formu-lacion de la teorıa celular se hizo sin conocimiento dela existencia de las membranas y solo fue consideradanecesaria en el siglo XX. De hecho, el concepto demembrana no fue muy popular hasta principios delsiglo XX.

Inicialmente se llamo membrana a las paredes celu-lares mas la porcion citoplasmatica adherida a ellas,que se obervaba con dificultad con los microscopiosde los siglos XVII y XVIII. Un paso importante paraeliminar esa ambiguedad fue la posibilidad de que lascelulas vegetales podıan separarse de su “membrana”o pared celular. Por tanto la celula no dependıa de lapared celular. Esto fue un avance importante tambienpara poner en el mismo plano a las celulas animalesy vegetales.

La estructura de la membrana celular, es decir,como se organizan las moleculas que la componen,ha ido en paralelo con el descubrimiento de dichasmoleculas y sus propiedades, ası como con el avance delos aparatos como el microscopio electronico y de lastecnicas experimentales en los laboratorios. Inicial-mente se pensaba que las celulas estaban delimitadaspor una capa terminal de caracterısticas desconoci-das, que se describıa como un lımite del protoplasma.

La primera propuesta sobre la composicion de lamembrana fue hecha por C.E. Overton en 1895. Pro-puso que el trasiego de moleculas entre la celula ysu entorno no dependıa de la pared celular. Observoque las moleculas de naturaleza lipıdica entraban masfacilmente en las celulas que las hidrofılicas por lo queintuyo que debıa existir una barrera o cubierta lipıdicadelimitando a la celula. Incluso llego a proponer queestaba compuesta por colesterol y otros lıpidos. C.E.Overton no fue el primero en sugerir que habıa unlımite lipıdico en la celula, ya se habıa mencionado ha-

cia 1880, pero sus trabajos fueron mas contundentes.

Mas tarde, I. Langmuir descubrio que los lıpidos an-fipaticos, con una parte hidrofoba y otra hidrofılica, sedisponıan en las superficies acuosas formando mono-capas con las cabezas polares hacia la parte acuosay la parte hidrofoba fuera del agua. Es decir, forma-ban una membrana de una capa de lıpidos. Esta ideafue importante para interpretaciones posteriores dela membrana celular puesto que la celula poseıa es-tos lıpidos anfipaticos en forma de glicerofoslıpidosy esfingolıpidos. Otras lıneas de investigacion comola electrofisiologıa habıan llegado a la conclusion delos axones de las celulas poseıan electrolitos y podıancrear gradientes gracias a envueltas semipermeablesque podıan cruzarse de manera regulada.

En torno a 1925, E. Gorter y F. Grendel, querıansaber cuantos lıpidos habıa en los eritrocitos. Se en-contro que los lıpidos extraıdos de la membrana delos globulos rojos, los cuales solo tienen la membranaplasmatica, formaban una monocapa en la superficiede soluciones acuosas con un area que era el doblede la superficie estimada de la membrana del propioglobulo rojo. Parece ser que se cometieron muchoserrores cuantitativos en estos experimentos, pero, porsuerte, unos compensaron a otros. Ellos encontraronuna relacion superficie eritrocito: superficie de lıpidosextendidos de 1:2. En realidad, estudios mas tardıosy precisos dan una relacion de 1:1,3. Ese 0,7 que faltaes debido a las proteınas, que por aquel entonces nosabıa que debıan incorporarse en las membranas.

De cualquier manera, el resultado que ellos obtu-vieron les llevo a proponer que los glicerofosfolıpidosse organizaban formando una bicapa lipıdica con lascabezas polares hacia la solucion acuosa, intracelu-lar y extracelular, respectivamente, mientras que suspartes hidrofobas quedaban recluidas en su interior,a salvo del ambiente acuoso. Habıan propuesto elmodelo de bicapa lipıdica de la membrana celularque explicaba tanto sus caracterısticas fısicas comoquımicas, y que ademas era termodinamicamente fa-vorecida. Esta disposicion se ajustaba mas o menosal grosor de la membrana de 4 nm, estimado por H.Fricke en 1920-1930 tras medir la capacitancia de lamembrana. Este modelo de bicapa lipıdica fue labase para futuros ajustes y reformulaciones de orga-

Atlas de la Universidad de Vigo


Figura 1: Principales propuestas y anos aproximados en los que fueron hechas (modificado de Edidin 2003).

nizacion de la membrana celular.

En la decada de 1930 nuevos experimentos apor-taron datos acerca de las propiedades mecanicas delas membranas, los cuales no podıan ser explicadossimplemente con la participacion de los lıpidos. Estosincluıan tension superficial, permeabilidad de solu-tos y resistencia electrica. Por ejemplo, encontraronque algunas moleculas podıan cruzar las membranasmas facilmente de lo esperado por sus caracterısticasquımicas, lo cual implicaba que tenıan algun tipo deayuda. Ası que se introdujo a las proteınas como partede las membranas y como responsables de esos nuevosdatos experimentales. H. Davdson y J.F. Danielli pro-pusieron un modelo trilaminar de la membrana incor-porando a las proteınas a la bicapa lipıdica. Colo-caron a las proteınas recubriendo la bicapa lipıdica,es decir, tapizando ambas superficies, intentando quecumplieran las leyes termodinamicas.

Hasta que se pudieron observar las primeras mues-tras biologicas con el microscopio electronico nadiepudo asegurar como estaba estructurada la mem-brana celular. Esto ocurrio en los anos 1950. Elmodelo trilaminar de Davdson y Danielli se vio re-forzado por las imagenes de microscopıa electronica.Aunque el microscopio electronico aparecion hacia1930, no fue hasta 1950 que se pudieron observarmembranas con nitidez. En los anos 50, 60 y 70 delsiglo pasado, se consiguieron imagenes de membranascortadas transversalmente en las cuales aparecıan tres

lıneas: dos lıneas oscuras, separadas por una zonaclara. Esta imagen se observo en todas las membranasde la celula y en todas las celulas estudiadas. Por ello,a esta organizacion oscuro-claro-oscuro se le denominounidad de membrana, y se considero universal paracualquier membrana celular. En esta epoca se midioel espesor de la membrana, 6-8 nm y J.D. Robertson(1960) propuso que la zonas oscuras correspondıan alas proteınas y partes hidrofılicas y la zona centralclara a las cadenas de lıpidos. Cuando se sintetizaronmembranas artificiales y se vieron con el microsco-pio electronico se comprobo que tambien poseıan launidad de membrana, incluso sin proteınas. El mod-elo de Davson y Danielli, que fue popular hasta losanos 60 del siglo pasado. coexistio con otros en losque los lıpidos y proteınas se colocaban en diferentedisposicion pero siempre proteınas cubriendo la super-ficie de la membrana. A pesar de ello no se explicabamuy bien como los iones y otras moleculas cargadaspodıan cruzar la membrana.

En 1966, Green y Benson, trabajando con liposo-mas de mitocondrias, descubrieron que se podıan ex-traer trozos, subunidades, de membranas con lıpidosy proteınas, luego sugirieron que los lıpidos podıanser solventes de proteınas globulares. En esos mis-mos anos tambien se propuso que algunas proteınaspodrıan incluso cruzar la membrana actuando comoporos. Esto fue debido a que a medida que mejo-raron las tecnicas de separacion de tipos de membranase pudieron estudiar por separado sus composiciones



Figura 2: Principales modelos de organizacion de la membrana celular (modificado de Becker et al., 200).

quımicas y se comprobo que era muy variable. Porejemplo, habıa membranas con una tasa de lıpidos re-specto a las proteınas que podıa variar desde el 50%al 80%. Por otro lado, muchas proteınas de mem-brana eran muy insolubles por lo que no se explicabaque fueran solo perifericas en medio acuoso. Es decir,en las membranas habıa muchas proteınas y estas noera probable que fueran solo perifericas, sino que de-berıan formar parte de la membrana con las porcionesde sus cadenas con aminoacidos localizadas entre las

cadenas de acidos grasos y otras porciones hidrofılicassaliendo por ambos lados de la membrana. Ademas,desde 1945, la integracion de las proteınas en la bicapalipıdica se beneficio de los estudios de iones en los quese propuso que el mantenimiento de diferentes concen-traciones de estos a ambos lados de la membrana eradebida a una posible bomba que los propulsaba conconsumo de energıa. Hacia 1965 se encontro que lasATPasas estaban asociadas a las membranas. Estasproteınas usaban ATP para mover iones, luego debıan



ser transmembrana. Habıa otros problemas. ¿por queunos azucares se se incorporaban a la celulas mejorque otros?¿Por que se saturaba el proceso de incorpo-racion? Una posibilidad era la existencia de proteınastransmembrana.

En la decada de los 70 del siglo pasado dos lıneasde investigacion mostraron evidencias de que habıaproteınas insertadas en las membranas. Una era el de-sarrollo de la microscopıa electronica de barrido. En1963, Moor y Muhlethaller desarrollaron la tecnicade criofractura para el microscopio electronico. Yunos anos mas tarde se observo en el interior delas membranas unas estructuras globulares que nopodıan ser mas que proteınas. La otra eran los estu-dios moleculares. En 1966 algunos trabajos indicaronque las proteınas no eran globulares, sino que podrıantener disposiciones mas alargadas y que podrıan in-sertarse en las membranas. Se podıan distinguir dosdominios de la misma molecula, uno era intracelu-lar y el otro extracelular, lo que solo podıa explicarsesi dicha molecula atravesaba completamente la mem-brana plasmatica.

En 1972, S.J. Singer y G. Nicolson (Science 175:720-731), recogieron la informacion acumulada enla decada anterior: movimiento flip-flop limitado delıpidos y nulo para las proteınas, difusion lateral delas moleculas, barrera permeable, proteınas con es-tructuras en alfa helice, globulares y transmembrana,transiciones de fase de la membrana, y la necesi-dad que algunas enzimas tenıan de los lıpidos parasu actividad. Con todo ello propusieron el mod-elo de mosaico fluido de membrana para incorpo-rar todos estos datos nuevos (ver figura 1 de Nicol-son 2014). Uno de sus grandes ventajas era que re-currıa a la termodinamica, fuerzas electro-quımicas,para explicar la organizacion de la membrana. Estosuponıa que no solo explicaba sino que predecıa laspropiedades de la membrana. Propusieron que lasmembranas estan formadas por proteınas embebidasen una bicapa lipıdica (de ahı la palabra mosaico).Las proteınas se incorporan a la bicapa y tienen do-minios intra y extracelulares. Esto es importanteporque establece una vıa de comunicacion entre el in-terior y el exterior celular, bien mediante la creacionde canales hidrofılicos, bien como elementos trans-portadores que permiten salvar la barrera de cade-

nas de acidos grasos, o bien como receptores quetransmiten la informacion mediante cambios de con-formacion de la propia estructura molecular frentea senales. A este modelo se le incorporaron poste-riormente las proteınas perifericas, tanto las unidasconvalentemente a la membrana como las asociadasmediante enlaces electricos. Singer y Nicolson ya su-girieron que la interaccion entre lıpidos y proteınasdebıa ser funcionalmente importante para la mem-brana. El termino fluido fue otro gran avance con-ceptual y se propuso como consecuencia de los datosaportados por trabajos previos. H.M. McConell yD. Chapman realizaron experimentos de resonanciamagnetica en los que se mostraba que las moleculas delas membranas, tanto lıpidos como proteınas, no esta-ban estaticas sino podıan moverse lateralmente en labicapa por difusion, con lo cual la membrana se trans-formo en una estructura dinamica y maleable. Inclusoen estos experimentos se sugirio que la membrana esasimetrica, es decir que la monocapa citosolica tenıauna composicion diferente a la monocapa externa.

Este modelo de mosaico fluido ha explicado losdatos experimentales conseguidos con otras tecnicasactuales. Ası, con la llegada de los marcajes selec-tivos de moleculas y su observacion en tiempo realcon microscopıa de fluorescencia se pueden observarmoleculas individuales en membranas ıntegras y encondiciones mas o menos fisiologicas. Se puede com-probar que las moleculas no estan fijas en una posicionsino que pueden moverse por la bicapa lipıdica. Medi-ante espectroscopıa cuantitativa se ha observado quelos movimientos son sobre todo laterales, es decir, de-splazamientos como si la molecula estuviera flotandoen la bicapa lipıdica, pero las inversiones o cambiosde una monocapa a la otra de la membrana son muyinfrecuentes.

Actualmente, el modelo se ha ido modificando yajustando a los nuevos datos experimentales, queindican que la caracterıstica preponderante de lamembrana es heterogeneidad, mas que fluidez. Porejemplo, mediante el seguimiento del movimiento demoleculas en celulas in vivo, y posteriormente invitro, se ha encontrado que los movimientos de lasmoleculas no son completamente al azar, es decir,hay restricciones al movimiento. Estas restriccionesson evidentes para las proteınas, pero mas reciente-



Figura 3: Modelo de membrana heterogenea, indicando las principales causas de esa heterogeneidad.

mente tambien se han encontrado restricciones a loslıpidos, afectando principalmente a los esfingolıpidos yal colesterol. Ası, la membrana se ajusta al modelo demosaico fluido en que las moleculas tienden a difundirlateralmente de forma libre, pero ese movimientopuede estar sometido a restricciones. Las restric-ciones a la movilidad de las moleculas de la mem-brana se agrupan en tres categorıas: dependientesde las interacciones fısico-quımicas entre las propiasmoleculas, de las interacciones con el citoesqueletoo con la matriz extracelular y dependientes de laspropiedades fısicas de la propia membrana, funda-mentalmente grosor y curvatura. Estas restriccioneshacen que la membrana no sea homogenea sino que

las moleculas se distribuyan y agrupen en areas dela superficie celular para formar los llamados domin-ios de membrana. Estos dominios tendrıan una com-posicion molecular caracterıstica que le permitirıanllevar a cabo diferentes funciones. Por tanto el mod-elo de membrana actual esta basado en el modelode mosaico fluido, pero curiosamente, la posibilidadde difusion de las moleculas no produce una homo-geneidad quımica de la membrana sino todo lo con-trario, una heterogeneidad de dominios distribuidospor toda la extension de la membrana. Cada uno deestos dominios, del orden de nanometros, puede variarsu posicion, su numero, su tamano (pocas decenasde nanometros de extension), aparecer y desapare-



cer en intervalos de tiempo cortos, y todo ello segunlas necesidades funcionales de la celula. La fluidez,paradojicamente, favorece la formacion y la dinamicade estos dominios.

Hay numerosos datos con tecnicas recientes queprobablemente nos haran dibujar a las membranas demanera diferente a como aparecen actualmente en lamayorıa de los libros de texto.

Mas proteınas Por ejemplo, en las representacionesde la membrana las proteınas estan a baja concen-tracion, dispersas y aisladas entre los lıpidos. Perolas membranas estan llenas de proteınas, que inter-accionan entre sı, y ademas varıan considerablementeen grosor. Hay que tener en cuenta que una mem-brana plasmatica tipo tiene hasta un 50 % del pesode proteınas. Se estima que hay una proteına porcada 40 lıpidos. Debido al pequeno tamano de loslıpidos se calcula que hay solo de uno a dos nanomet-ros de distancia entre las proteınas. En realidad esmuy probable que las proteınas formen grandes com-plejos macromoleculares, y que, mediantes sus ancla-jes a citoesqueleto y matriz, y las interacciones en-tre ellas, puedan actuar como un esqueleto para laspropias membranas.

Espesor irregular En cuanto al espesor de la mem-brana, se podrıa pensar que la evolucion ha llegadoa producir proteınas transmembrana cuyo segmentohidrofobo se ajuste al espesor de la zona de acidosgrasos de la membrana, pero esto no es ası. Hayproteınas con zonas hidrofobas mas largas que otras y,por tanto, para quedar protegidas dentro de la mem-brana los lıpidos deben ajustarse para cubrirlas, loque hara mebranas mas gruesas segun la zona. Porotra parte tampoco se refleja que las proteınas puedencubrir mayor superficie de membrana que la superfi-cie de su porcion intramembranosa, puesto que susdominios externos, cubrirıan una porcion importantede la superfice de la membrana. Se podrıa asemejara las ramas, porcion extramembranosa, y el tronco,porcion intramembranosa.

Superficies asimetricas Mediante el uso de micro-scopios de fuerza atomica se pueden estudiar la super-ficies de membranas del orden de nanometros, todoello con libre movimiento de las moleculas. El es-tudio de la membrana de los eritrocitos ha arrojado

datos curiosos. Por ejemplo, la superficie externaes muy lisa, lo que indica que ni el glicocalix ni eldominio extracelular de las proteınas sobresalen mu-cho mas alla de la capa de cabezas hidrofılicas delos lıpidos de membrana. La barrera externa serıauna capa hidrofılica compuesta por las cabezas delos fosfolıpidos, dominos proteicos extracelulares y losazucares que se situarıan entre ellas. Sin embargo, laparte interna es tiene muchos altibajos, que se acha-can a los dominios intracelulares de las proteınas.

Figura 4: Modelo de membrana de eritrocito. Modificadode Wang et al., 2010.

Una aproximacion similar en membranas celularesde celulas eucariotas ha revelado que las proteınasson muy abundantes y ocupan la mayor parte de lasuperficie de la membrana. El dominio proteico ex-tracelular es de unos 4 nm, por encima de la cabezade los lıpidos. Hay tantas proteınas y tan empaque-tadas que se forma una superficie muy homogenea. Sepuden detectar zonas ricas en colesterol y los azucaresparecen concentrarse en microdominios en el lado ex-tracelular. Las proteınas transmembrana se colocanasimetricamente en la membrana, con una parte mu-cho mayor en el dominio citosolico. De hecho, el ladocitosolico de las proteınas se extiende unos 10 a 12 nmdesde las cabezas de los lıpidos. Las proteınas del ladocitosolico se agregan en microdominios ricos en coles-terol. Estos dominios estan separados unos 13 a 105nm, y miden unos 53 nm. Hay que tener en cuentaque la capa de lıpidos mide unos 4 nm de espesor,por lo que todo esto resulta en un grosor de mem-brana de unos 20 nm. Este modelo supone que existeun barrera protectora externa basicamente formadapor proteınas. Los microdominios de las proteınastransmembrana indican que las proteınas trabajan engrupos a modo de plataformas que aumentan la prob-abilidad de interaccion entre proteınas y por tanto laeficiencia.



Figura 5: Modelo de membrana de una celula eucariota. Modificado de Zhao et al., 2014.

Bibliografıa

Alberts A, Johnson A, Lewis J, Raff M, Roberts K,Walter P. 2007. Molecular Biology of the Cell. 5thediton. Garlan Science. ISBN: 9780815341055.

Bagatolli LA, Ipsen JH, Simonsen AC, MouritsenOG 2010. An outlook on organization of lipids inmembranes: Searching for a realistic connection withthe organization of biological membranes. Progress inlipid research. 49: 378–389.

Becker WM, Kleinsmith LJ, Hardin J, Raasch J.2003. The world of the cell. 6th. San Francisco:Benjamin Cummings. ISBN-10: 0321716027 ISBN-13: 9780321716026.

Edidin M. 2014. Lipids on the frontier: a centuryof cell-membrane bilayers. Nature reviews molecularcell biology. 9:32.

Engelman DM. 2005. Membranes are more mosaicthan fluid. Nature. 438:578-80.

Lombard J. 2003. Once upon a time the cell mem-branes: 175 years of cell boundary research. Biologydirect. 4(5), 414-418. Leer el artıculo

Nicolson GL. 2014. The Fluid—Mosaic Model ofMembrane Structure: Still relevant to understand-ing the structure, function and dynamics of biolog-ical membranes after more than 40years. Biochimicaet Biophysica Acta (BBA)-Biomembranes. 1838(6),1451-1466.

Pollard TD, Earnshaw WC, Lippincott-Schwartz J.2007. Cell biology. 2th edition. Saunders ElsevierInc. ISBN: 978-1-4160-2255-8.

Wang H, Hao X, Shan Y, Jiang J, Cai M, Shang X2010. Preparation of cell membranes for high resolu-tion imaging by AFM. Microscopy. 110: 305-312.

Zhao W, Tian Y, Cai M, Wang F, Wu J, Gao J, LiuS, Jiang J, Jiang S, Wang H. 2014. Studying the nu-cleated mammalian cell membrane by single moleculeapproaches. PLOSone. 9 (5):e91595.



2 Uniones en hendidura

Las uniones en hendidura, o mejor denominadas comouniones intercelulares, son complejos moleculares amodo canales que se disponen en las membranasplasmaticas de celulas contiguas y que permiten lacomunicacion directa entre los citoplasmas de dichascelulas. Virtualmente todas las celulas de tejidossolidos animales, aparte de por otros mecanismos, sepueden comunicar con sus vecinas mediante unionesen hendidura. Aunque estas uniones se explican tradi-cionalmente en el apartado de los complejos de union,los cuales tienen una mision de adhesion, deberıa es-tudiarse junto con los mecanismos de comunicacioncelular, pues esta es su principal mision. Fueron de-scubiertas en la decada de los 60 del siglo XX coninyecciones de colorantes, los cuales se inyectaban enel interior de una celula y mas tarde se podıan obser-var en el interior de otras celulas contiguas. Cosa quesolo podrıa explicarse por una comunicacion directaentre sus citoplasmas.

Morfologıa y estructura

En las imagenes de microscopıa electronica detransmision las uniones en hendidura aparecen comosegmentos rectos formados por dos membranasplasmaticas de celulas contiguas, donde el espacio in-tercelular esta tan obliterado que no se puede observara no ser a grandes aumentos. Este espacio intercelu-lar varıa entre 2 y 4 nm. Sin embargo, tridimension-almente son como manchas o placas un tanto irreg-ulares localizadas en la membrana plasmatica, cuyotamano y forma dependen del tipo celular y del estadofisiologico en que se encuentre. Por ejemplo, en lascelulas hepaticas pueden medir 0.3 mm de diametro.

Las uniones en hendidura estan formadas porproteınas transmembrana que se asocian para for-mar canales. Estas proteınas se denominan conexi-nas. Se han encontrado 21 genes que codifican paraconexinas diferentes en cordados. En humanos hay21 genes para conexinas. 6 conexinas juntas formanun conexon o hemicanal, el cual se situa en la mem-brana plasmatica de una celula alineado con otro hem-icanal en la celula contigua, y juntos forman un canal,de unos 1,5 nm de diametro, completo y continuo.El canal permite el paso de sustancias de bajo peso

molecular, menos de 1000 a 1200 daltons, entre am-bos citoplasmas, aunque en insectos pueden ser may-ores. Una zona de union en hendidura esta formadapor un numero variable de canales, pero se han encon-trado hasta 10000 canales que implican a unas 120000conexinas.

Funcion

El poro del canal permite el paso de sustanciascomo iones, azucares sencillos, segundos mensajeroscomo el AMPc o calcio, aminoacidos, o pequenosARNs, pero no proteınas, lıpidos o moleculas largasde ARN.

Las uniones en hendidura, al permitir la libredifusion entre celulas vecinas, hacen posible unacoplamiento electrico y metabolico entre celulas veci-nas. Por ejemplo, hay acoplamiento entre neu-ronas que permite sincronizar sus cambios en el po-tencial de membrana, ademas de acelerar la trans-mision nerviosa, puesto que evita el proceso de lib-eracion y transduccion de neurotransmisores. Lasuniones en hendidura entre neuronas forman las de-nominadas sinapsis electricas. Asimismo, las celulasgliales del sistema nervioso forman una red de celulasconectadas por uniones en hendidura. Las contrac-ciones rıtmicas del musculo cardiaco, las del uterodurante el parto, del musculo liso del digestivo du-rante las contracciones peristalticas, o las de losmusculos del iris del ojo para acomodarse a difer-entes intensidades de luz, son una consecuencia delacoplamiento celular por uniones en hendidura. Otrascelulas no excitables, como los hepatocitos o lascelulas somaticas de los folıculos ovaricos estan sin-cronizadas metabolicamente por las uniones en hen-didura. La agregacion plaquetaria que ocurre en lasparedes de las arterias es importante para sellar losvasos sanguıneos. Las uniones en hendidura se formanentre las plaquetas adheridas a la pared arterial co-municando el interior de las plaquetas y favoreciendouna mayor adhesion entre ellas.

La permeabilidad de las uniones en hendidurapuede ser modulada por la celula, mediante la ex-presion de diferentes tipos de conexinas. Esto de-pende del tipo celular y del estado de diferenciacion dela celula. Las propiedades del hemicanal depende delas conexinas que lo formen, pueden ser homomericos



Figura 6: Sıntesis, ensamblaje y formacion de las uniones en hendidura. Los citoplasmas amarillento y verdoso pertenecena celulas contiguas (modificado de Laird et al., 2015).

(la misma conexina) o heteromericos (distintas conex-inas forman en mismo hemicanal), pero no todas lascombinaciones estan permitidas. La mayorıa de lascelulas expresan al menos dos tipos de conexinas.Ademas, los canales pueden ser homotıpicos, cuandolos dos hemicanales que forman un canal son iguales,heterotıpicos, cuando son diferentes.

Los hemicanales no estan permanentemente abier-tos sino que mas o menos aleatoriamente cambianentre abiertos y cerrados. El porcentaje de tiempoque permanecen abiertos depende de diversos fac-tores como el pH interno, la concentracion de ciertosiones, por ejemplo una alta concentracion de calciocitosolica, o por senales externas como la dopaminaen algunas celulas de la retina. Practicamente to-dos los hemicanales son sensibles al voltaje la mem-brana. Estos tipos de regulacion serıan a corto plazo

o rapida. La comunicacion por uniones en hendiduratambien se puede regular a largo plazo. Las placas dehemicanales que forman las uniones en hendidura sonmuy plasticas: se forman de nuevo, crecen, se divi-den, se fusionan, decrecen y desaparecen. La celulapuede regular el numero de hemicanales en la mem-brana por procesos de endocitosis, retirandolos de lamembrana, o exocitosis, aportandolos a la membrana.Pero tambien se puede controlar el ensamblado delos conexones o modificaciones post-trasduccionalescomo la fosforilacion de las conexinas. Se ha compro-bado que los nuevos hemicanales se anaden al bordede la placa de la union en hendidura y que los delcentro son retirados. Hay un reciclado continuo quelleva a una renovacion completa de los conexones deuna placa en cuestion de horas.

Mutaciones en los genes de las conexinas provocan



hasta 14 enfermedades conocidas tales como la sor-dera, dermatopıas, cataratas, cardiomiopatıas, y var-ios tipos de cancer. Estudiando casos patologicos seha encontrado que algunas celulas podrıan usar loshemicanales para otra actividad diferente a la de co-municacion intercelular. Ası, se ha propuesto que loshemicanales podrıan servir bajo ciertas circunstan-cias para establecer una comunicacion directa entreel citosol y el medio extracelular.

Las panexinas son unas proteınas transmembranaque se descubrieron en al ano 2000. Se han encontradosolo tres panexinas: 1, 2 y 3. Aunque no muestranuna secuencia de aminoacidos homologa a las conex-inas, su estructura tridimensional en la membrana essimilar y tambien forman hemicanales hexamericos.La panexina 1 se expresa en todos los tejidos, mien-tras que la panexina 2 parece restringirse al sistema

nervioso central, y la 3 al hueso, cartılago y piel. Es-tos hemicanales no sirven para comunicar con otracelulas citoplasma-citplasma, puesto que no se alin-ean con otros hemicanales de panexinas de celulasvecinas para formar canales, sino que forman hemi-canales aislados en las membranas que comunican elcitoplasma con el espacio exterior. De esta manera lacelula puede liberar moleculas de bajo peso molecularcomo las purinas y que actuarıan de forma paracrina.

Bibliografıa

Goodenough DA, Paul DL. 2009. GAP junc-tions. Cold spring harbour perspective in biology.1:a002576.

Laird, DW, Lampe PD, Johnson RG. 2015.Dinamica y funcion de las uniones intercelulares. In-vestigacion y ciencia. 466:66-73.



3 Autofagia

La autofagia es un proceso, presente en todas lascelulas eucariotas, por el cual se eliminan moleculasy organulos intracelulares en los lisosomas. La pal-abra autofagia fue acunada por C. de Duve en 1963y significa comida (fagia) propia (auto). El papel dela autofagia es multiple. Existe un nivel basal de aut-ofagia que actua como mecanismo de control de cal-idad en la celula eliminando aquello que resulte de-fectuoso; es un mecanismo de ajuste del metabolismocelular al estatus nutricional de la celula. Ası, par-ticipa en procesos naturales como en el metabolismoenergetico, reciclado de organulos, regulacion del crec-imiento, inicio del desarrollo embrionario, envejec-imiento, etcetera. Pero ademas, la autofagia se ac-tiva tambien cuando hay algun tipo de estres celular,infeccion por patogenos o malformaciones celulares in-ternas. Todas estas vıas convergen en una maquinariamolecular llamada genericamente como genes rela-cionados con la autofagia. Mas de 30 genes se hanidentificado en levaduras que estan implicados en laautofagia, entre los que destacan los genes Atg.

Tipos

Aunque el termino autofagia se utiliza normal-mente para hablar de macroautofagia hay que teneren cuenta que existen otros tipos de autofagia en lascelulas:

Macroautofagia. Proceso mediante el cual se en-globan elementos citoplasmaticos en un comparti-mento delimitado por una doble membrana. Estecompartimento resultante se denomina autofagosomay se fusionara con un lisosoma donde se degrada sucontenido, ademas de la membrana interna del aut-ofagosoma.

Microautofagia. En este caso la membrana del liso-soma forma pequenas invaginaciones que se despren-den de la membrana y quedan en el interior del liso-soma, donde son degradadas. En estas invaginacionesse incorpora material citosolico.

Autofagia mediada por chaperonas. Mediante esteproceso se incorporan proteınas citosolicas al lisosomagracias a un transportador localizado en la membranadel lisosoma.

Figura 7: Macroautofagia. Tras la aparicion del fagoforose produce el cierre de sus membranas y se forma el aut-ofagosoma, que esta rodeado por una doble membrana.Tras esto, puede fusionarse con un endosoma formandoseun anfisoma. En cualquier caso el paso final es fusion-arse con un lisosoma para formar el autolisosoma, dondese degrada su contenido y la membrana interna. (Modifi-cado de Klionsky 2007).

Figura 8: Distintos tipos de autofagia. (Modificado deEskelinen 2008).

Crinofagia. Este proceso supone la fusion devesıculas destinadas a la exocitosis con el lisosoma.

Induccion y proceso

La autofagia se estimula en una variedad de situa-ciones de estres como la falta de alimento, la faltade factores de crecimiento, infecciones, estres oxida-tivo o hipoxia. La autofagia se puede inducir experi-mentalmente, por ejemplo mediante la eliminacion deaminoacidos de la dieta de la celula. Tambien existeun proceso basal y permanente de autofagia en todaslas celulas.



El mecanismo mejor conocido es el de la macroaut-ofagia. Comienza con la formacion de una cisternamembranosa proveniente del retıculo endoplasmaticoque formara una estructura denominada fagoforo omembrana de aislamiento. El fagoforo se origina apartir de un dominio particular de las cisternas delretıculo denominado omegasoma. Las membranas delfagoforo reconocen a las moleculas u organulos quevan a ser degradados. Hay casos en que este tipode induccion es provocado por parte de la partıculau organulo que sera degradado. Las membranas delfagoforo crecera en extension y terminara por unirsus extremos para formar un compartimento cerradodenominado autofagosoma, que posee doble mem-brana. El crecimiento tanto del fagoforo como delautofagosoma se produce por incoporacion de lıpidosy proteınas desde la membrana plasmatica, desde elcompartimento ERGIC, desde el aparato de Golgi(hay glucidos con enlaces tipo O) y desde algunasvesıculas. El autofagosoma puede recibir vesıculasdesde los endosomas o puede llegar a fusionarse di-rectamente con ellos, tanto tempranos como tardıos.Los endosomas aportan proteınas lisosomales y bom-bas de protones, lo que va provocando la acidificaciondel fagosoma. Al compartimento resultante se le de-nomina anfisoma. Como ultimo paso, el anfisoma sefusiona con los lisosomas permitiendo la degradaciondel contenido interno del autofagosoma junto con sumembrana interna. Al compartimento que se crea trasla fusion se le denomina autolisosoma.

Quedan dudas sobre el origen de las membranasdel fagoforo. Hay dos posibilidades: que se forme apartir del retıculo endoplasmatico o como resultadode la fusion de vesıculas intracelulares. Curiosamentelas membranas del autofagosoma carecen de proteınasintegrales. En las levaduras parecen originarse apartir de una estructura permanente, un comparti-mento perivacuolar denominado estructura preauofa-gosomica (PAS). Tampoco se sabe con exactitud sila macroautophagia es inespecıfica o si tambien tienecapacidad de seleccionar a los organulos que va a in-corporar en su interior.

Funciones

La autofagia en condiciones normales favorece elmantenimiento u homeostasis celular, mientras que

en situaciones de estres es una respuesta para la su-pervivencia celular en esas condiciones adversas.

Papel en homeostasis

Se sabe que en ausencia de cualquier tipo deestres celular existe un proceso basal de autofagia.Es, junto con los proteosomas, el principal mecan-ismo de degradar contenido celular. Mientras que laruta ubiquitina-proteosma se especializa en degradarmoleculas jovenes, la autofagia se ha especializado endegradar moleculas que tienen una vida larga. Peroademas es la unica vıa que degrada organulos comple-tos tales como mitocondrias, peroxisomas o retıculoendoplasmatico. Existe un mecanismo no selectivo,que es basal y permanente, y otro selectivo que elim-ina estructuras danadas. Este mecanismo selectivoactua como control de calidad, asegurando a la celulaun sistema de organulos en buen funcionamiento.

Algunas celulas a las cuales se les inhibe la aut-ofagia se atrofian y mueren. En las plantas se hademostrado tambien un nivel basal de autofagia, quecuando se inhibe provoca procesos de envejecimientoo senescencia acelerados, independientemente de lascantidades de nutrientes que anadamos. Es especial-mente interesante destacar que la autofagia esta alter-ada en enfermedades neurodegenerativas. Determi-nadas funciones tisulares, como la produccion de sur-factantes en pneumocitos II, neuromelanina en celulasdopaminergicas, o la maduracion de los eritrocitos de-penden de la actividad autofagica. En las celulas mus-culares la autofagia tiene la mision de eliminar las mi-tocondrias defectuosas. La autofagia a veces lleva a lamuerte celular como ocurre con las celulas mamarias,tras la lactancia.

Papel en estres

El papel de la autofagia durante el estres es favore-cer la supervivencia de la celula, al menos a cortoplazo. Lo que hace es degradar contenido intracelu-lar de forma masiva con dos propositos: disminuir elnumero de elementos que consumen energıa y pro-ducir aminoacidos y otras moleculas para su uso enprocesos esenciales. Sin embargo, la autofagia no esun proceso beneficioso a largo plazo, ya que si lasituacion de estres se prolonga en el tiempo el pro-ceso degradativo termina por deteriorar a la celula



de manera irreversible. En realidad, lo que consiguees ganar tiempo durante una situacion de estres paraque la celula o el organismo pueda contrarrestar dichoestres.

Las situaciones de estres por las que se dispara laautofagia son diversos:

Falta de alimentos. En los ratones todos los teji-dos experimentan un aumento de la autofagia trasperiodos de inanicion, excepto el tejido nervioso. Losratones que no tienen los genes para llevar a cabo laautofagia mueren tras el nacimiento, probablementepor el periodo sin alimento que tienen que soportaren ese momento.

Hipoxia cardiaca. Durante una hipoxia cardiacahay primero un corte en la circulacion que conlleva unperiodo de falta de suministro de oxıgeno y nutrientes,seguido por un proceso de recirculacion donde la san-gre vuelve a fluir. Durante la isquemia o hipoxia,se dispara la macroautofagia debido a la falta de ali-mento y de oxıgeno, lo cual tiene un caracter protectorfrente a la muerte celular.

Infecciones. La macroautofagia es uno de los sis-tema de defensa celular mas antiguos y es la primeralınea de defensa frente a infecciones por protozoos,bacterias y virus. A la degradacion de celulas ex-tranas por autofagia se le denomina xenofagia.

Bibliografıa

Brunkard JO, Zambryski PC. 2017. Plasmodes-mata enable multicellularity: new insights into theirevolution, biogenesis, and functions in developmentand immunity. Current opinion in plant biology.35:76-83.

Eskelinen G-L. 2008. New insights into the mech-anisms of macroautophagy in mammalian cells. In-ternacional review of cell and mollecular biology.266:207-247.

Klionsky DJ. 2007. Autophagy: from phenomenol-ogy to molecular understanding in less than adecade. Nature reviews in molecular and cell biology.doi:10.1038/nrm2245.

Liu Y,Bassham DC. 2012. Autophagy: pathwaysfor self-eating in plant cells. Annual review of planbiology. 63:215-237

Murrow L, Debnath J. 2013. Autophagy as a stress-response and quality-control mechanism: implicationsfor cell injury and human disease.Annual review ofpathology. 8:105-10.



4 Vesıculas

Las celulas eucariotas se caracterizan por el repartoordenado y dirigido de moleculas entre diferentescompartimentos celulares. En muchos casos estereparto esta mediado por vesıculas, que actuan comovehıculos para transportar moleculas entre algunosorganulos celulares, y tambien otros compatimentoscomo la membrana plasmatica y el exterior celular. Eltransporte vesicular supone una gran ventaja puestoque se pueden seleccionar de manera especıfica quemoleculas deben ir a cada compartimento, moleculasque en muchas ocasiones son necesarias para las fun-ciones de dichos compartimentos. Por ejemplo, lasenzimas hidrolıticas acidas deben ir a los lisosomas,pero no a los endosomas tempranos y el colageno debeir a la matrix extracelular.

Las vesıculas son pequenos compartimentos delim-itados por una membrana que viajan entre organuloscelulares, participando tambien la membrana celu-lar. Sirven para transportar moleculas solubles, esdecir, disueltas en el medio acuoso de su interior, ymoleculas de membrana, que viajan formando partede la propia membrana de la vesıcula, como sonlıpidos, canales o receptores.

Las vesıculas se forman en el compartimento fuentey se cargan con aquellas moleculas que deben sertransportadas. Una vez liberadas en el citosol, lasvesıculas son dirigidas hacia el organulo o comparti-mento diana, al cual reconocen, y con el que final-mente se fusionan. Entonces, las moleculas trans-portadas formaran parte del organulo diana y seranlas responsables de su funcion. Sin embargo, otrasmoleculas solo estaran de paso en ese compartimentoy seran empaquetadas de nuevo en otras vesıculaspara dirigirse a otro compartimento celular. Eslo que ocurre con algunas proteınas que viajan envesıculas desde el retıculo endoplasmatico, pasan porel aparato de Golgi, donde son empaquetadas ennuevas vesıculas hacia otros compartimentos como lamembrana plasmatica o los endosomas.

Algunas moleculas volveran desde el compar-timento diana al compartimento fuente del quepartieron en un transporte de reciclado. Hay quetener en cuenta que la mayorıa de los compartimentos,

organulos y membrana plasmatica, funcionan tantocomo compartimento fuente como compartimento di-ana al mismo tiempo. Es frecuente que cuando uncompartimento envıa vesıculas a otro, suele recibirlastambien de este ultimo. Ası, la mayorıa del traficovesicular entre dos compartimentos es bidireccional.

Todos estos procesos requieren la participacion deuna serie de herramientas moleculares:

a) Moleculas para reconocer y atrapar a lasmoleculas que se han de transportar. Otras moleculasadicionales tienen como mision formar la vesıcula apartir de las membranas del organulo fuente. Hayque tener en cuenta que el proceso de formacion deuna vesıcula es tremendamente complejo puesto quesu membrana tiene que formar un pliegue y separarsede la membrana del organulo fuente.

b) Elementos del citoesqueleto para transportar lasvesıculas desde el organulo fuente hasta el diana.

c) Un complejo molecular para permitir a lavesıcula reconozcer y fusionarse con el organulo di-ana apropiado.

Figura 9: Pasos que se siguen en el transporte de moleculasmediado por vesıculas.

1. Formacion de vesıculas

La formacion de una vesıcula en cualquier compar-timento fuente es un proceso complejo. Participannumerosas moleculas: las que delimitan el sitio deformacion de la vesıcula e inician el proceso molecu-lar, las que seleccionan a las moleculas que tienen queser transportadas, las que participan en la formaciony escision de la propia vesıcula, las que permiten pos-



Figura 10: El proceso de formacion de una vesıcula recubierta por clatrina supone una serie de pasos antes de que susmoleculas formen parte de la vesıcula (modificado de Weinberg y Drubin 2012)

teriormente deshacerse de las proteınas de recubrim-iento, etcetera. En levaduras se estima que mas de65 proteınas diferentes intervienen en el proceso for-macion de una vesıcula.

La formacion de una vesıcula es un proceso or-denado de reclutamiento de moleculas. Los proce-sos moleculares de formacion de las vesıculas denom-inadas recubiertas, como las recubiertas por clatrina,COPI y COPII, son los mejor conocidos. La for-macion de una vesıcula recubierta se inicia medianteel reclutamiento de proteınas GTPasas Arf/Sar a lamembrana del organulo fuente. Aunque esto ocurreen lugares concretos de la membrana del organulofuente, no se sabe como se inicia el proceso, ni comose selecciona el lugar de la membrana donde tendralugar la adhesion de estas moleculas. Las proteınasArf/sar son pequenas moleculas que se activan einactivan mediante la hidrolisis del GTP. Cuandolas moleculas Arf/sar son activadas en la membranadel organulo fuente se encargan de reclutar a otras

proteınas como las proteına adaptadoras, las cualesson las encargadas de seleccionar de manera especıficaa las proteınas que deberan incorporarse en la vesıculapara ser transportadas, y que se denominan cargas.En una vesıcula se puede viajar de tres maneras:como proteına transmembrana, como ligando unido aun receptor y como molecula disuelta en el contenidode la vesıcula. La importancia, tanto cualitativa comocuantitativa, de cada uno de ellos no esa todavıa clara.Las proteınas adaptadoras son capaces de reconocersecuencias senal en los dominios citosolicos de lasproteınas transmembrana que a su vez reconocerana las proteınas del interior del organulo fuente quedeben ser transportadas. Por ejemplo, en las vesıculasde exocitosis constitutiva deben viajar proteınas haciala matriz extracelular, ası como receptores transmem-brana que deben quedar en la membrana plasmatica.

Hay otras maneras de seleccionar moleculas paraincorporarlas en una vesıcula. Una es por la longitudde los dominios transmembrana de la proteına, es de-



Figura 11: Formacion de vesıculas COPII en el aparato de Golgi- ERGIC (modificado de Budnik y Stephens, 2009). Elprimer paso para la formacion de una COPII es la activacion de las proteınas GTPasas Sar1 por sec12. Esto lleva a queSar1 pueda insertarse en la membrana del retıculo. Esta insercion recluta sec16, sec23 y sec24 y produce deformacion dela membrana. Las cargas a transportar por estas vesıculas son capturadas por sec24, que reconoce los dominios citosolicosde dichas moleculas. Las moleculas a transportar pueden ser integrales de membrana o solubles. En este ultimo casonecesitan de receptores transmembrana para ser captadas. La agregacion de estas proteınas mas las cargas genera uncomplejo molecular estable que recluta proteınas de la cubierta externa, que son las proteınas sec13 y sec31. Estas seensamblan formando una estructura geometrica pero con cierta flexibilidad, comparada con las cubiertas de clatrina, quepermite acomodar cargas de diferentes tamanos. Tras la escision, la cubierta externa se libera debido a la hidrolisis delGTP de la Sar1.

cir, la longitud de las cadenas de acidos grasos de loslıpidos que forman la membrana de la vesıcula selec-cionaran a proteınas que tengan dominios transmem-brana, secuencias de aminoacidos hidrofobos, de simi-lar longitud. Proteınas con dominios transmembranamas cortos seran excluidas. Esto se ha demostrado enla formacion de las vesıculas recubiertas COPI en elretıculo. Otro mecanismo de seleccion que tambientiene en cuenta la longitud de los dominios trans-membrana de las proteınas ocurre en las vesıculas re-cubiertas con COPI, donde existen receptores comoel Erv14 que son capaces de reconocer longitud dedominios transmembrana de proteınas que seran in-corporadas a la vesıcula. En este caso los receptores

Erv14 son reconocidos por las proteınas adapatadorassec24. En levaduras los receptores Erv14 parecen cap-tar hasta 1/3 de las proteınas totales de la vesıcula.Las proteınas transmembrana que se encuentran enretıculo y dominio cis del aparato de Golgi son mascortas que las que del dominio trans-Golgi/membranaplasmatica/endosomas. Es decir, que las proteınas sesintetizan sabiendo a donde deben ir.

El conjunto inicial de proteınas (GTPasa, adap-toras, cargas, etcetera) se asocian formando agrega-dos en la membrana. Cuando se alcanza una con-centracion crıtica se dispara el reclutamiento de otrasproteınas que terminaran de formar la cubierta de la



vesıcula. A este momento se le llama punto de tran-sicion, y una vez alcanzado la vesıcula se formara. Sino se pasa el punto de transicion las moleculas queforman los agregados iniciales pueden volver a segra-garse en la membrana. A las proteınas iniciales seasocian ahora proteınas de la cubierta externa. Entrelas proteınas de la cubierta externa estan aquellas quepermiten entrelazar todo el entramado proteico exis-tente, curvar la membrana y dar volumen a la vesıculaincipiente, servir de centros de nucleacion de actina opermitir desnudar a la vesıcula de estas cubiertas trasla escision. Cuando las proteınas de la cubierta ex-terna llegan es cuando la curvatura de la membranaempieza a ser visible.

Curvar la membrana de una vesıcula y escindirla delcompartimento fuente es un proceso coordinado querequiere energıa y la participacion de varias proteınas.Por ejemplo, hay proteınas que ayudan a las proteınasde la cubierta externa y que se insertan en una mono-capa de la membrana gracias a unas secuencias deaminoacidos denominadas BAR que son capaces degenerar curvatura en diferentes momentos de la for-macion de la vesıcula. La polimerizacion de filamen-tos de actina y la accion de la miosina son tambiennecesarios para generar fuerzas motoras que ayudanen la protusion y posteriormente en la escion de lasvesıculas recubiertas por clatrina. La escision o la in-dependencia fısica de la vesıcula respecto al compar-timento fuente requiere de curvatura, fuerza motora,pero tambien de otras proteınas, denominadas dinam-inas, que estrangulan la comunicacion membranosaentre el compartimento diana y la vesıcula. Aquı,sin embargo, hay diferencias enter las vesıculas recu-biertas por clatrina y las recubiertas por COPII. Lasvesıculas recubiertas por COPII no precisan ni de di-namina ni de filamentos de actina para su formacion.Tras la escision muchas de las proteınas que envuel-ven a la vesıcula son liberadas y devueltas al citosolpara realizar un nuevo ciclo con la formacion de unanueva vesıcula, de manera que tenemos una vesıculacasi desnuda.

2. Viaje

Tras la separacion del compartimento fuente lavesıcula es dirigida hacia el compartimento diana.Este viaje esta mediado por proteınas motoras y el-

ementos del citoesqueleto, tanto filamentos de actinacomo microtubulos. En las celulas animales los mi-crotubulos juegan un papel importante en el traficode las vesıculas, aunque tambien participan los fila-mentos de actina. Por jemplo, se han descubierto quelos filamentos de actina forman uno haces, denomina-dos cables de actina, que tienen uno de sus extremosen las proximidades de los lugares de endocitosis yel otro orientado hacia el interior de la celula, y queparecen ser importantes para el trasiego de vesıculasde endocitosis. Sin embargo, en las plantas el traficovesicular esta fundamentalmente mediado por los fil-amentos de actina.

3. Fusion de vesıculas

El mecanismo de fusion de una vesıcula con sucompartimento diana es complejo. Ha de ser selec-tivo puesto que la celula ha de asegurarse de que unavesıcula solo se fusiona con aquel compartimento parael que las moleculas que transporta han sido desti-nadas. Pero ademas, abrir y fusionar membranassupone saltar una barrera termodinamica importante.Esto se hace en pasos sucesivos.

El primer paso es un reconocimiento inicial o an-claje (en ingles: ”tethering”). Esto requiere que hayauna especie de etiqueta a modo de codigo postal queindique que compartimentos se han de fusionar y queactuen moleculas que reconozcan ese codigo. Es comosi un compartimento pescara con una cana al otro,por ejemplo el compartimimento diana a la vesıcula.Las ”canas” de pescar son unos complejos proteicosasociados a las membranas de un compartimento, nor-malmente en el compartimento diana, aunque a vecesse asocian a la membrana de la vesıcula. Hay dis-tintos tipos complejos: COG, CORVET, Dsl1, exo-cysto, GARP/VFT, HOPS/Class C VPS, TRAPPI yTRAPPII, que se distribuyen de forma selectiva endistintos compartimentos. Estos complejos puedencambiar entre estado estirado y contraıdo, pudientoen algunos casos medir mas de 200 nm de longitud,lo que indica que es una cana molecular bastantelarga. Por parte de la vesıcula, el principal mar-cador o ”codigo postal” lo aportan las proteınas Rab(en humanos 60 tipos), que se encuentran asociadasa las vesıculas y que son de distinto tipo dependiendodel compartimento fuente, o parte del compartimento



Figura 12: El proceso de fusion vesicular supone una serie de pasos antes de que sus moleculas formen parte del compar-timento diana. (Modificado de Weinberg y Drubin 2012 ).

Figura 13: Diversos complejos proteicos relacionadas con el anclaje de las vesıculas a diferentes compartimentos diana.(Modificado de Kuhlee et al., 2015 ).



fuente, donde se hayan formado. Este reconocimientoinicial entre ambos es esencial para la especificidad dela fusion entre las vesıcula y el compartimento diana.

El reconocimiento inicial es esencial para los pasosposteriores. Y sigue el atraque de la vesıcula en elcompartimento fuente. Para ello han de participarlas proteınas transmembrana SNARE (en humanoshay 37 diferentes). Hay dos tipos: v-SNARE y t-SNARE. Las v-SNARE se incorporan en la vesıculadurante su formacion en el compartimento fuente y last-SNARE se encuentran en las membranas del com-partimento diana. La interaccion entre v-SNARE yt-SNARE provoca un acercamiento de las membranasde la vesıcula y del compartimento diana, liberandoademas la energıa necesaria para la fusion de am-bas membranas. Sin embargo, para la fusion dela membrana vesicular y del compartimento fuente,otras proteınas parecen cooperar con las proteınasSNARE. La fusion de membranas es un proceso ter-modinamicamente desfavorecido. Antes se pensabaque las proteınas SNARE eran necesarias para el re-conocimiento entre vesıcula y compartimento pero re-conocimiento inicial y atraque/fusion de membranasson procesos independientes.

Hay que tener en cuenta que la fusion entre mem-branas celulares no siempre involucra a una vesıculay a un compartimento diana. Se producen fusionesentre compartimentos semejantes como ocurre con losendosomas, las mitocondrias o incluso entre vesıculas.Se cree que todos estos casos se siguen mecanismosparecidos con implicacion de moleculas similares.

Bibliografıa

Borgese N. Getting membrane proteins on and offthe shuttle bus between the endoplasmic reticulumand the Golgi complex. Journal of cell sciences. 2016.129: 1537-1545.

Budnik A, Stephens EJ. ER exit sites – Localizationand control of COPII vesicle formation. FEBS letters.2009. 583: 3796–3803.

Cai H, Reinisch K, Ferro-Novick S. Coats, tethers,Rabs, and SNAREs work together to mediate the in-tracellular destination of a transport vesicle. Devel-opmental cell. 2007. 12:671-682.

Kuhlee A, Raunser S, Ungermann C. Functionalhomologies in vesicle tethering. FEBS letters. 2015.589:2487-2497.

Maldonado-Baez L, Wendland B. Endocytic adap-tors: recruiters, coordinators and regulators. Trendsin cell biology. 2006. 16:505-513.

Martens S, McMahon H T. Mechanisms of mem-brane fusion: disparate players and common princi-ples. Nature reviews in molecular cell biology. 2008.8:543-556.

McNiven MA, Thompson HM. Vesicle formation atthe plasma membrane and trans-Golgi network: thesame but different. Science. 2006. 313:1591-1594.

Weinberg J, Drubin DG. Clathrin-mediated endo-cytosis in budding yeast. Trends in cell biology. 2012.22:1-13.



5 Transcitosis

La transcitosis es el transporte de cargas (macro-moleculas, inmunoglobulinas, vitaminas, iones,etcetera) incorporadas en vesıculas entre dos zonasde la membrana plasmatica situadas en distintoslados de la celula. Este mecanismo se propusoprimero por Palade (1950) para el transporte demoleculas a traves de las celulas endoteliales dondese forman vesıculas en la zona de la membranaplasmatica en contacto con la sangre, cruzan elestrecho citoplasma, y se fusionan con la membranaplasmatica en contacto con la lamina basal. Aunquela transcitosis es un mecanismo tıpico de las celulasepiteliales, esta presente en otras celulas tales comoneuronas o los osteoclastos. Esta ruta de transportevesicular evita el paso por los lisosomas, y por tantola degradacion de las moleculas que transporta.

Las celulas endoteliales mueven una cantidad in-gente de moleculas desde la sangre hasta los tejidosde manera rapida y no totalmente especıfica (unos 30segundos desde un lado al otro) mediante transcitosis.Normalmente se transportan moleculas que estan endisolucion en el plasma sanguıneo y que no necesitanreceptores para su inclusion en vesıculas por parte delas celulas endoteliales. La misma vesıcula hace todoel trayecto desde una parte de la celula a la otra, esdecir, no hay fusion con los endosomas. Sin embargo,las moleculas que se transportan no son totalmentealeatorias sino que hay una seleccion basada en sucarga neta negativa, que poseen la mayor parte de lasmoleculas del plasma sanguıneo. Se transportan in-munoglobulinas, lipoproteınas de baja densidad, hi-erro, y otras moleculas. Sin embargo, tambien hayvesıculas de transcitosis en las celulas endotelialesque incorporaran moleculas, tales como la albuminao la proteına orosomucoide, captadas de manera mu-cho mas especıfica mediante receptores. Algunos mi-cronutrientes, una vez internados desde el intestinocruzan los endotelios por transcitosis. El hierro incor-porado en la dieta se acopla a un receptor y amboscruzan el endotelio por trnscitosis. Igual ocurre conla vitamina B12.

Los enterocitos, que forman el epitelio intestinal,son celulas prismaticas en las cuales tambien se pro-

duce transcitosis. A diferencia de las celulas en-doteliales, donde las membranas basal y apical estanmuy cerca, la ruta de transcitosis es muy larga y nece-sita al citoesqueleto. En estas celulas la transcitosisdesde la membrana plasmatica apical hasta la baso-lateral suele iniciarse por vesıculas recubiertas por cla-trina, es decir hay una captacion mediada por recep-tor. En este caso las vesıculas suelen fusionarse conlos endosomas tempranos y desde ahı salen vesıculasque se fusionan con las membranas plasmaticas baso-laterales.

La direccion del transporte no siempre es desdela superficie apical de la celula hacia el interiordel cuerpo. Por ejemplo, las inmonoglubulinas tipoA (IgA) son anticuerpos liberados por las celulasplasmaticas, pero su funcion contra los patogenos selleva a cabo en las superficies corporales, luego debenser transportadas por los epitelios desde las mem-branas basolaterales hasta las apicales. Ası, en lamucosa intestinal hay numerosas celulas plasmaticasque liberan IgA para que ejerzan su accion en el in-terior del tubo digestivo. Las celulas epiteliales in-testinales sintetizan un receptor de membrana quetrasladan a las membranas basolaterales denominadoreceptor polimerico para IgA. Este receptor une laIgA que se encuentra en el espacio intercelular y am-bos, receptor-inmunoglobulina son endocitados. Lasvesıculas formadas se fusionan con los endosomas ydesde aquı salen vesıculas con el complejo receptor-inmunoglobulina hacia la membrana apical (libre)donde se fusionan y liberan a las IgAs. El receptorposee un dominio citosolico de unos 100 aminoacidosque es la etiqueta que dirige al complejo receptor-inmunoglobulina por el interior de la celula a travesde los diferentes compartimentos. Este mecanismono solo se da en el epitelio intestinal sino tambienen los epitelios del rinon, traquea, hıgado y glandulasmamarias. Curiosamente, la transcitosis para las in-munoglobulinas ocurre tambien en sentido contrario,desde el dominio apical al basolateral. Por ejemplo enel trasiego de las inmunoglubulinas maternas desde laplacenta al feto. En este caso las inmunoglobulinastienen que cruzar el endotelio de la placenta desde laparte apical hasta la basolateral, direccion contraria ala habitual en el endotelio de la mayorıa de los vasossanguıneos. En los roedores estas inmunoglobulinas



se liberan en la leche materna y deben ser incorpo-radas a traves del epitelio intestinal desde la luz deldigestivo hasta los tejidos internos. En estos casos laincorporacion de las inmunoglobulinas se hace medi-ado por vesıculas recubiertas por clatrina, y no medi-ado por caveolas, y son reconocidas por un receptortransmembrana que gracias a un dominio citosolicoes reconocido por proteınas adaptadoras de la cubier-tas de clatrina durante la endocitosis y dirigido porla ruta vesicular hasta su localizacion en las mem-branas basolaterales donde liberan a las inmunoglob-ulinas maternas.

No siempre la transcitosis es para transportarmoleculas exogenas de un lado a otro de la celula,sino que a veces es para mover moleculas de la propiamembrana plasmatica de un lado a otro. Por ejemplo,en los enterocitos y en los hepatocitos se sintetizanmoleculas de membrana que inicialmente se insertanen las membranas laterales y que despues se trans-portan a la apical mediante transcitosis.

Bibliografıa

Tuma PL, Hubbard AL. 2003. Transcytosis: cross-ing cellular barriers. Physiological reviews. 83: 871-932.



6 Vesıculas extracelulares

La comunicacion entre celulas es tıpicamente pormoleculas secretadas al medio extracelular o colo-cadas y expuestas en la superficie celular. Lasvesıculas como sistema de comunicacion, y transporte,funcionan en el interior celular como parte del traficovesicular. Sin embargo, desde finales de los anos 60del siglo XX se han descrito vesıculas en los espaciosextracelulares de tejidos solidos y en fluidos corpo-rales. Antes se pensaba que las vesıculas que se en-contraban en el espacio extracelular eran consecuen-cia de roturas de las celulas o artefactos consecuenciade la manipulacion experimental, pero la emision devesıculas por parte de las celulas parece ser un mecan-ismo conservado evolutivamente, incluso esta presenteen las celulas procariotas. En los animales se hanaislado vesıculas extracelulares en la sangre, saliva,leche, fluido amniotico, etcetera.

Las vesıculas extracelulares son heterogeneas y sucontenido de estas vesıculas es muy variado, desdeARN mensajeros y de interferencia, hasta lıpidos yproteınas diversos. Se han encontrado en ellas tiposde proteınas que carecen de los peptidos senal tıpicosde las proteınas que son sintetizadas en el retıculo en-doplasmatico rugoso y que siguen la vıa vesicular desecrecion. Ademas, ni los ARN, ni estas proteınas sinpeptido senal forman parte de las vesıculas de la vıavesicular. ¿De donde salen entonces estas vesıculasextracelulares? Se proponen dos posibles fuentes devesıculas extracelulares: exosomas y vesıculas emiti-das. La mayorıa de las celulas probablemente puedanliberar ambos tipos de vesıculas.

Exosomas

Se denomina exosomas a las vesıculas que se liberanal espacio extracelular y que tienen origen endosomal,mas concretamente resultan de la fusion de los cuer-pos multivesiculares con las membrana plasmatica.Este mecanismo fue descrito, y el termino exosomaacunado, en los anos 80 del siglo XX. Se descubrioen el proceso de maduracion de los reticulocitos a er-itrocitos. Durante esta maduracion los reticulocitos sedeshacen del receptor de la transferrina localizado enla membrana plasmatica mediante su incorporacionen vesıculas que se fusionan con los endosoamas tem-

pranos. Cuando estos maduran se producen invagi-naciones de sus propias membranas y quedan en losreceptores quedan en las pequenas vesıculas internasde los cuerpos multivesiculares. Posteriormente estoslos curpos multivesiculares se fusionan con la mem-brana plasmatica y liberan su contenido, que incluyea las vesıculas, al exterior celular.

En una misma celula pueden coexistir dos tipos decuerpos multivesiculares, aquellos que se fusionarancon los lisosomas para la degradacion de su con-tenido y aquellos que se fusionaran con la membranaplasmatica para liberar a su contenido al exterior.La diferencia entre estas dos poblaciones parece serel contenido en proteınas de superficie, por ejemploproteınas rab, ası como el contenido de colesterol desus membranas. Incluso en algunas celulas se hapodido distinguir morfologicamente estas dos pobla-ciones de cuerpos multivesiculares. Los exosomasson pequenas vesıculas de unos 30 nm a 150 nm dediametro liberadas como tales por una gran variedadde celulas: epiteliales, celulas del sistema inmunitario,neuronas, glıa y celulas tumorales, entre otras. Ini-cialmente se penso que era un mecanismo que tenıala celula para deshacerse de material desechable, ypor ello no se les presto mucha atencion. Pero unasdecadas mas tarde se sugirio un papel en la comuni-cacion celula-celula, en la presentacion de antıgenos,en patologıas vıricas, incluidas el VIH, en los procesosde metastasis. A liberacion, regulada o constitutiva,depende del tipo celular y ambos mecanismos parecenactuar.

Vesıculas emitidas o ectosomas

Desde la membrana plasmatica se pueden formarpequenas evaginaciones y formar vesıculas que quedanlibres en el medio extracelular. A estas vesıculas se lesdenomina vesıculas emitidas (shedding vesicles). Lamayorıa de estas microvesıculas se rompen a los pocosminutos de ser liberadas, pero otras pueden llegar alargas distancias y ser encontradas por ejemplo enel lıquido cefalorraquıdeo, la sangre o la orina. Eltamano de las vesıculas emitidas puede variar desdemayores de 150 nm a 1 µm.

El proceso de formacion de las vesıculas emiti-das es por evaginacion de la membrana plasmatica.El mecanismo que permite la formacion de estas



Figura 14: Esquema de la formacion de exosomas y vesıculas emitidas (modificado de Thery, 2011).

vesıculas en sentido contrario a como es habitual enla membrana plasmatica, hacia afuera, no se conoceen detalle y parece depender de numerosas moleculas,incluso de la desorganizacion del citoesqueleto y de laperdida de asimetrıa de la membrana plasmatica. Laconcentracion de calcio y la hipoxia aumenta la can-tidad de vesıculas liberadas, pero otros mensajerostambien afectan a su tasa de liberacion. En cualquiercaso la membrana plasmatica que forma parte de es-tas vesıculas tiene que reponerse y en realidad se havisto que la produccion de vesıculas emitidas sigue auna exocitosis regulada previa de vesıculas no secre-toras. Estas porciones de membrana que llegan a lamembrana plasmatica parecen ser las preferidas paraformar la vesıculas emitidas.

Funcion

La funcion que se les atribuye a las vesıculas ex-tracelulares es principalmente la comunicacion celu-lar. Aunque tambien intervienen en el avance de pro-cesos patologicos y en la eliminacion de residuos celu-lares. La composicion de las vesıculas extracelulares,

tanto exosomas como emitidas, no parece ser muydiferente, pero es difıcil averiguar si la poblacion devesıculas extracelulares que parten una misma celulaes heterogenea o no. En general estas vesıculas con-tienen una gran surtido de proteınas, tales como enz-imas, elementos del citoesqueleto, factores de tran-scripcion, proteınas asociadas integrales de mem-brana, complejos de histocompatibilidad, etcetera.Curiosamente estas vesıculas estan enriquecidas encolesterol y esfingolıpidos, dos componentes de las bal-sas de lıpidos. Un gran descubrimiento ha sido lapresencia de nucleotidos, tanto ADN como ARN. LosARN mensajeros, ARN de interferencia y pequenosARN no codificantes estan presentes, incluso se hademostrado que algunos de estos ARNm se puedentraducir a proteınas en las celulas diana. Curiosa-mente no es una representacion del ARN que apareceen el citosol sino que hay concentracion de ciertostipos en estas vesıculas. Igual ocurre con proteınasy lıpidos, por lo que algunos autores consideran a es-tas vesıculas como un compartimento mas de la celulacon sus caracterısticas especıficas.



Una vez liberados, tanto los exosomas como lasvesıculas emitidas, tienen que alcanzar sus celulas di-ana y ello parece estar mediado por moleculas de su-perficie. La celula diana puede iniciar la respuesta aveces por el simple contacto con moleculas de la su-perficie de la vesıcula, pero en otras el contenido de lavesıcula ha de entrar en el interior de la celula por loque tiene que haber fusion vesıcula-celula o ser cap-tada por endocitosis. Sin embargo, en otras ocasioneslas vesıculas se romperan y liberaran su contenido enla matriz extracelular.

Las funciones atribuidas a las vesıculas extracelu-lares son muy variadas y dependen del tipo celular quelas libere. En el sistema inmune las celulas dendrıticasliberan vesıculas que portan antıgenos y complejosmayores de histocompatibilidad e inducen respuestasinmunes. Tambien los macrofagos son capaces de lib-erar vesıculas que promueven respuestas inmunes. Al-gunos tipos celulares, secretan inmunosupresores in-cluidos en vesıculas. Los vesıculas liberadas por lascelulas mesenquimales ayudan a reparar lesiones, lasprocedentes del epitelio pulmonar favorecen la prolif-eracion celular, las liberadas por las neuronas influyenen la comunicacion nerviosa. Un caso bien conocidoes la liberacion de melanina por en exosomas, denom-inados melanosomas, por a parte de los melanociotos.

Estos melanosomas son incorporados por los quer-atinocitos de las capas basales y acumulados en tornoal nucleo. Un descubrimiento mas reciente aporta ev-idencias de que tambien los queratinocitos liberan ex-osomas que afectan a la produccion y liberacion demelanina por parte de los melanocitos. La vesıculasextracelulares liberadas por las celulas tumorales hanatraıdo la atencion por su posible papel en la ex-pansion del propio tumor. Ası, se han encontradometaloproteasas en tejidos tumorales, que son enzi-mas que degradan la matriz extracelular y facilitan lacolonizacion por celulas metastasicas.

Bibliografıa

Abels ER, Breakefield XO. 2006 . Introductionto extracellular vesicles: biogenesis, RNA cargo se-lection, content, release, and uptake. Cellular andmolecular neurobiology. DOI 10.1007/s10571-016-0366-z.

Colombo M, Raposo G, Thery C. 2014. Biogen-esis, secretion, and intercellular interactions of exo-somes and other extracellular vesicles. Annual reviewin cell and developmental biology. 20: 255-289. DOI:10.1146/annurev-cellbio-101512-122326.

Thery C.. 2011. Exosomes: secreted vesicles andintercellular communications. F100 Biology reports.3:15. doi:10.3410/B3-15



7 Apoptosis

La apoptosis es un mecanismo molecular que se pro-duce en el interior de las celulas eucariotas y cuyafinalidad es la muerte de la propia celula. Es un sui-cidio celular en el que se pone en marcha un pro-grama molecular de autodestruccion desencadenadopor senales externas o internas. La apoptosis tambiense llama muerte celular programada porque los pasospara la degeneracion celular estan establecidos, peroeso no quiere decir que la celula este predeterminadaa morir, es decir no habra apoptosis si no hay senalque la inicie.

El papel de la apoptosis es importante en mu-chos procesos fisiologicos, y tambien patologicos, delos organismos pluricelulares. Por ejemplo, para lamorfogenesis de organos y tejidos durante desarrolloembrionario, en el mantenimiento y regeneracion delos tejidos en el animal adulto, en la respuesta apatogenos o a estres celular y en patologıas comoel cancer. La cantidad de celulas que mueren porapoptosis es enorme, tanto durante el desarrollo em-brionario como en animales adultos durante la reno-vacion celular que ocurre en tejidos como la sangre oel epitelio del digestivo de organismos adultos.

Mecanismos moleculares

El proceso molecular de la apoptosis se ha conser-vado evolutivamente en las diferentes especies. Es unmecanismo ordenado y dependiente de energıa quenecesita ser iniciado. Se conocen varias causas quedisparan la apoptosis: senales externas mediadas porreceptores de muerte, senales internas donde las mi-tocondrias juegan un papel importante y hay unatercera vıa que involucra a las proteınas perforina ygranzima. Estas tres vıas convergen en un procesomolecular mediado por las enzimas caspasas.

Las caspasas son enzimas proteolıticas que se sin-tetizan y se liberan en el citosol en forma de procas-pasas, las cuales son las formas inactivas. Ellas sonlas principales encargadas de degradar el interior celu-lar que lleva a la muerte celular. Hay varios tipos decaspasas, cada uno de ellos especializado en actuar so-bre diferentes tipos de proteınas. Todas las caspasasrompen cadenas de aminoacidos en lugares donde se

encuentra el aminoacido aspartato, pero distintas cas-pasas actuan sobre diferentes proteınas dependiendode los aminoacidos que haya proximos a dicho aspar-tato. Las caspasas que se activan inicialmente son lacaspasa-2, 8, 9 y 10, mientras que las efectoras o ejec-turas son las caspasas-3, 6 y 7. Hay otas caspasasque realizan papeles mas especıficos y otras comola caspasa 14 que solo se expresa durante el desar-rollo embrionario.Dentro de las caspasas ejecutoras,la caspasa-3 es considerada muy importante puestoque activa a la endonucleasa CAD, la cual degradala cromatina. Tambien afecta a la reorganziacion delcitoesqueleto y como consecuencia provoca la roturade la celula en fragmentos celulares independientes.

Una vez que se produce la activacion de las primerascaspasas, el proceso de muerte celular parece irre-versible, aunque no siempre es ası (ver mas abajo).Es un mecanismo en cascada en el cual las primerascaspasas activas pueden a su vez activar a otras cas-pasas, dandose una reaccion en cadena y exponen-cial. Finalmente las caspasas ejecutoras degradaranla celula. Curiosamente las caspasas tambien actuanen procesos no apoptoticos como la separacion de lasespermatidas, la diferenciacion de los macrofagos, lacornificacion del epitelio, eritropoyesis o la diferen-ciacion de las celulas de las lentes del ojo.

Senales externas. Receptores de muerte. La vıa deiniciacion extrınseca de la apoptosis comienza con laactivacion de receptores localizados en la membranaplasmatica. A estos receptores se les denomina recep-tores de muerte y son miembros de la familia de recep-tores conocidos como TNF (tumor necrosis factors).Cada receptor se activa con una senal caracterıstica.Por ejemplo, si emparejamos ligando/receptor ten-emos a FasL/FasR, TNF-α/TNFR1, Apo3L/DR3,Apo2L/DR4, o Apo2L/DR5. La llegada del ligandoo senal provoca la asociacion de receptores activadosen la superficie de la membrana y esto dispara un re-clutamiento de proteınas adaptadoras en el interiorcelular. Estas proteınas adaptadoras se asocian en-tonces con procaspasas-8 creando un ambiente molec-ular que lleva al cambio conformacional en las procas-pasas, desencadenando la autoproteolisis de estas yla conversion de procaspasas en caspasas. Cuando seproduce esta activacion el proceso molecular degrada-tivo esta activado.



Figura 15: Principales vıas de iniciacion de la apoptosis. Los signos de interrogacion indican vıas que podrıan tambienser activas.

Senales internas. Estres celular / mitocondrias.Esta vıa conlleva la aparicion de una serie de estımulospara la apoptosis que no estan mediados directa-mente por receptores. Estos estımulos pueden serpor desaparicion o por aumento. Por ejemplo, la de-saparicion de los factores de supervivencia disparanla apoptosis, pero tambien lo hace un aumento so-bre la celulas de la radiacion, temperatura, sustanciastoxicas, etcetera. Todos estos cambios terminan poralterar la membrana interna mitocondrial que provocala apertura de poros en su membrana, alterandose elpotencial electrico y se produciendose la liberacion dediversas moleculas proapoptoticas. Entre estas esta

el citocromo C, el cual se unira a las moleculas apaf-1 y a la procaspasa-9, formando lo que se denominaun apoptosoma. Este complejo provoca la activacionde la procaspasa-9 y el inicio del proceso degrada-tivo. Desde la mitocondria se liberan tambien enzi-mas en etapas mas tardıas del proceso apoptotico quese dirigen al nucleo y provocan una primera digestiondel ADN. En la membrana de las mitocondrias hayuna familia de proteınas denominadas bcl que puedenmodular, disparar o inhibir, este mecanismo de iniciode la apoptosis y son potenciales diana para eliminarselectivamente celulas tumorales.



Perforina/granzima. Los linfocitos T citotoxicosson capaces de matar a celulas que contienenpatogenos mediante la activacion de los receptores demuerte y disparar el proceso apoptotico. Sin embargo,existe otra vıa mediante la cual crean inicialmente unporo en la membrana e introducen una molecula queactivaran la vıa apoptotica en el propio citosol. Loslinfocitos T citotoxicos poseen unos granulos que con-tienen dos tipos tipos de proteınas: las perforinas ylas granzimas. El contenido de estos granulos es exoc-itado cuando el linfocito detecta la presencia de unacelula infectada o cuando la reconoce como tumoral.La perforina se insertara en la membrana de la celuladiana y creara un poro por el cual entraran en el cito-plasma las granzimas. La granzima (hay dos tipos, Ay B) activara a las caspasas-10 y 3 y tambien estim-ulara a la mitocondria para que se inicie el procesoapoptotico como si de una senal interna se tratara.

Procesos celulares: apoptosis / necrosis

Los cambios celulares que se producen durante laapoptosis son diversos: una retraccion o encogimientode la celula, el citoplasma se vuelve mas denso ylos organulos mas empaquetados, se observa conden-sacion de la cromatina, lo cual es un indicio visibleen preparaciones histologicas convencionales. Poste-riormente hay protusiones y plegamientos de la mem-brana de modo que la celula se divide en porciones in-dependientes denominados cuerpos apoptoticos, perosiempre rodeadas por membrana plasmatica. Es-tas porciones celulares son posteriormente fagocitadaspor macrofagos. Puesto que no hay liberacion de sus-tancias intracelulares al medio extracelular por ro-turas de la membrana no se dan procesos inflama-torios. Ademas, los macrofagos que eliminan a loscuerpos apoptoticos no liberan citoquinas al medio.La apoptosis es un proceso de muerte celular sin mo-lestar a las celulas vecinas. Si embargo, se sabe que enalgunos casos son capaces de liberar moleculas que fa-vorecen la proliferacion celular, la reorganizacion della matriz extracelular o del citoesqueleto en celulasvecinas.

La carencia de efecto inflamatorio de los cuerposapoptoticos es debida a que son rapidamente elimina-dos por los macrofagos. Si la actividad macrofagicaes inhibida los cuerpos apoptoticos terminan por

romperse y desecadenan respuestas inflamatorias.El reconocimiento de las porciones de citoplasmasapoptoticos por parte de los macrofagos se debe a quedurante la apoptosis la celula expresa en su superfi-cie marcadores que seran reconocidos especıficamente.Esto se consigue, entre otras cosas, por el movimientode la fosfatidilserina, que normalmente se encuentraen la monocapa interna de la membrana, hacia lamonocapa externa. Este lıpido es una senal para losmacrofagos. Tambien cooperan en el reconocimientola incorporacion a la membrana de la anexina I y dela calreticulina.

Se ha considerado que la apoptosis es un procesoirreversible una vez que se han activado las primerascaspasas. Sin embargo, se ha encontrado que al inacti-var los macrofagos algunas celulas destinadas a morirpor apoptosis pueden recuperarse. De manera que laaccion de los macrofagos es asegurarse de que una vezque se inicia la apoptosis las celula va realmente amorir.

Por otra parte, la necrosis es una muerte celu-lar debida normalmente a danos celulares producidospor agentes externos tales como temperatura, presion,toxicos, etcetera. La diferencia con la apoptosis es quela necrosis es un proceso descontrolado y pasivo queconlleva la rotura de la membrana plasmatica y lib-eracion del contenido celular desencadenando proce-sos inflamatorios. Todavıa existe un tercer tipo difer-ente de muerte celular que esta mediada por proce-sos de autofagia. La muerte por autofagia tambiense considera que es un mecanismo controlado por lacelula.

Durante el desarrollo

Durante el desarrollo de C. elegans se generan 1090celulas somaticas, de las cuales moriran 131 en lugaresy en momentos concretos. Este patron de produccionde un exceso de celulas que luego seran eliminadas seobserva en todas las especies. Aparentemente es underroche de energıa, pero las apariencias enganan.

Morfogenesis. Quiza el ejemplo clasico de la partici-pacion de la apoptosis en la morfogenesis de un organodurante el desarrollo embrionario es la eliminacion delas membranas interdigitales. Los dedos de las ex-tremidades estan inicialmente conectados por masas



celulares que luego seran eliminadas, resultando en laforma final de los dedos. Sin embargo, los patos yotras aves acuaticas poseen membranas entre sus de-dos que les permiten impulsarse en el agua. En estasespecies la apoptosis es muy escasa entre los dedos.La muerte celular en las especies con dedos separa-dos tiene un efecto como esculpir una estructura paradarle una forma final. Otro ejemplo claro ocurre du-rante la metamorfosis de muchas especies, particular-mente en anfibios, en los cuales la apotosis participaen la reorganizacion del cerebro y del digestivo, asıcomo en la eliminacion de la cola.

A veces la muerte celular de ciertas poblacionescelulares durante el desarrollo favorece la liberacionde tensiones mecanicas que permiten el plegamiento ocambio de forma de estructuras embrionarias. Pareceser que esto ocurre durante el cierre del tubo neuronalde mamıferos donde gracias a la apoptosis se acelerasu cierre. La formacion de la cavidad proamniotica enlos embriones de mamıferos es resultado de procesosapoptoticos en el centro de la masa de celulas inter-nas tras el implante del embrion. A este proceso se ledenomina cavitacion.

Tamano de estructuras. El tamano de los organoses un balance entre proliferacion y muerte celular pro-ducida durante el desarrollo o en estado adulto. Ex-isten genes relacionados con la proliferacion, particu-larmente los de la vıa Hippo que inhiben los procesosapoptoticos. Normalmente estos genes estan impli-cados en cascadas de senalizacion que cuando no seactivan se favorecen los procesos apoptoticos y por lotanto la eliminacion de celulas del organo.

Ajuste fino de la funcion. Esta demostradomatematicamente que es menos costoso en terminosde informacion sobreproducir inicialmente elementosde una estructura tosca y luego eliminar los excesospara obtener una forma final funcionalmente mas pre-cisa. Esto es claro en el sistema nervioso donde es-tablecer las conexiones iniciales de forma precisa re-querirıa una cantidad de informacion impresionante,pero mucho menos si primero se establecen las conex-iones entre neuronas de una manera poco fina y luegose eliminan las celulas que establecieron conexionesincorrectas. Mueren aquellas neuronas que no hayansido capaces de establecer conexiones funcionales. De

la misma forma, hacer reordenaciones aleatorias paraproducir muchos linfocitos y luego eliminar a aquellosque produzcan reacciones autoinmunes es mas barato,unos 60 genes, que los 100000 genes que serıan nece-sarios para producir cada uno de las lıneas de lin-focitos. Este proceso de economıa se puede aplicartambien a procesos de morfogenesis y regionalizacion.

Homeostasis de tejidos

La apoptosis en animales adultos sirve para con-trarrestar las proliferacion por mitosis que ocurreen muchos tejidos. Es un proceso continuo demuerte celular y reemplazo por celulas nuevas. Laeliminacion de las celulas apoptoticas la hacen losmacrofagos. En la mayorıa de los tejidos hayaproximadamente un 15 % de las celulas que sonmacrofagos. Este equilibrio entre proliferacion y elim-inacion celular evidente en los epitelios, donde hayuna renovacion constante de las celulas y un bal-ance entre nacimiento y muerte celular. Por ejem-plo, la queratinizacion de la epidermis es un pro-ceso apoptotico especializado. Tambien el ciclo devida de los enterocitos del intestino comienza conla proliferacion en las criptas de la mucosa intesti-nal, el desplazamiento de los enterocitos hacia laszonas mas superificiales y su muerte por apoptosisen las vellosidades intestinales. Esto ocurre tambienlos epitelios de las vıas respiratorias. Esto es intere-sante en celulas que estan expuestas a agentes poten-cialmente patogenos o toxicos y es mas rentable surenovacion que favorecer su resistencia y reparaciona tales agentes. El balance entre proliferacion celu-lar y apoptosis es importante tambien en la sangre.Esta regulacion empieza al nivel de las celulas madrehematopoyeticas, donde su poblacion es regulada porapoptosis, y por tanto se controla la cantidad decelulas sanguıneas producidas. Incluso las plaquetaspueden ser reguladas por apoptosis. Las plaquetasson un ejemplo de apoptosis en estructuras no nucle-adas.

La apoptosis es un proceso normal durante la re-spuesta inmune. Los linfocitos T citolıticos empleanperforina y granzima B para eliminar a las celulas in-fectadas. La granzima B activa directamente las cas-pasas, pero tambien en otras vıas como la activacionde una molecula denominada Bid que actua sobre la



mitocondria favoreciendo la salida de citocromo C yactivando la vıa interna de la apoptosis. Pero ademas,La apoptosis juega un papel importante mediante laeliminacion de los linfocitos B y T una vez que la re-spuesta inmune ha terminado. Esta accion esta me-diada por Bcl-2 y por la activadad antigenica. Se hapropuesto que las celulas altamente estimuladas porlos antıgenos, es decir que han desarrollado anticuer-pos contra ellos, disminuyen disminuyen la influenciade Bcl-2 y aumentan la de los receptores de muerte demanera que son celulas mas sensibles a sufrir apopto-sis.

Hay numerosas causas que hacen estresarse a unacelula, lo que puede provocar un descontrol y malfuncionamiento de esta. Entre estas causas estandanos en el ADN, fallos en la division celular, pro-duccion y acumulacion de proteınas aberrantes, au-mento de especies moleculares reactivas o infeccionpor patogenos. Todas ellas, si alcanzan una determi-nada intensidad, disparan los procesos apoptoticos.

El cancer es un claro ejemplo donde la apotosisjuega un papel importante. Mas concretamente, la in-hibicion de esta favorece la proliferacion y progresiondel cancer. La resistencia de las celulas tumorales laapoptosis se da por mutaciones que afectan a genes

proapoptoticos. Por ejemplo, alteraciones en losreceptores FAS, disminucion de su produccion osıntesis de receptores defectuosos, de manera que nopueden ser reconocidos por los linfocitos citotoxicos,o disminucion de la expresion de los genes bcl-2proapoptoticos.

Durante el envejecimiento hay una alteracion de laapoptosis en diferentes tejidos. Mientras en unos hayun aumento en otros hay una disminucion. Por ejem-plo, hay un aumento de la apoptosis en el sistemainmune, en el musculo esqueletico, en el musculo car-diaco y en enfermedades neurodegenerativas, mien-tras que por otra parte las celulas cancerosas y lassenescentes son resistentes a morir por apoptosis, fa-voreciendo su aumento durante el envejecimiento.

Bibliografıa

Elmore S. 2007. Apoptosis: A Review of Pro-grammed Cell Death. Toxicology and pathology.35:495-516.

Henson PM, Hume DA. 2006. Apoptotic cell re-moval in development and tissue homeostasis. Trendsin immunology. 27:444-250.

Suzane M, Steller H. 2013. Shaping organisms withapoptosis. Cell death and differentiation. 20:669-675.


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