Exocitosis

La exocitosis es una forma de transporte activo y transporte a granel en el que una célula transporta moléculas (p. ej., neurotransmisores y proteínas) fuera de la célula (exo- + citosis). Como mecanismo de transporte activo, la exocitosis requiere el uso de energía para transportar material. Todas las células utilizan la exocitosis y su contraparte, la endocitosis, porque la mayoría de las sustancias químicas importantes para ellas son moléculas polares grandes que no pueden atravesar la porción hidrófoba de la membrana celular por medios pasivos. La exocitosis es el proceso por el cual se libera una gran cantidad de moléculas; por lo tanto, es una forma de transporte a granel. La exocitosis ocurre a través de portales secretores en la membrana plasmática celular llamados porosomas. Los porosomas son una estructura de lipoproteína permanente en forma de copa en la membrana plasmática de la célula, donde las vesículas secretoras se acoplan y fusionan transitoriamente para liberar el contenido intravesicular de la célula.

En la exocitosis, las vesículas secretoras unidas a la membrana se transportan a la membrana celular, donde se acoplan y fusionan en los porosomas y su contenido (es decir, moléculas solubles en agua) se secreta al entorno extracelular. Esta secreción es posible porque la vesícula se fusiona transitoriamente con la membrana plasmática. En el contexto de la neurotransmisión, los neurotransmisores normalmente se liberan desde las vesículas sinápticas hacia la hendidura sináptica a través de la exocitosis; sin embargo, los neurotransmisores también pueden liberarse mediante transporte inverso a través de proteínas de transporte de membrana.

La exocitosis también es un mecanismo por el cual las células pueden insertar proteínas de membrana (como canales iónicos y receptores de superficie celular), lípidos y otros componentes en la membrana celular. Las vesículas que contienen estos componentes de la membrana se fusionan por completo y se convierten en parte de la membrana celular externa.

Historia

El término fue propuesto por De Duve en 1963.

Tipos

En eucariotas hay dos tipos de exocitosis: 1) no constitutiva desencadenada por Ca (es decir, exocitosis regulada) y 2) constitutiva no desencadenada por Ca (es decir, no regulada). Ca activado no constitutivola exocitosis requiere una señal externa, una señal de clasificación específica en las vesículas, una capa de clatrina, así como un aumento del calcio intracelular. En los organismos multicelulares, este mecanismo inicia muchas formas de comunicación intercelular, como la transmisión sináptica, la secreción de hormonas por parte de las células neuroendocrinas y la secreción de células inmunitarias. En las neuronas y las células endocrinas, las proteínas SNARE y las proteínas SM catalizan la fusión formando un complejo que une las dos membranas de fusión. Por ejemplo, en las sinapsis, el complejo SNARE está formado por sintaxina-1 y SNAP25 en la membrana plasmática y VAMP2 en la membrana vesicular. La exocitosis en las sinapsis químicas neuronales es Caactivado y sirve para la señalización interneuronal. Los sensores de calcio que desencadenan la exocitosis pueden interactuar con el complejo SNARE o con los fosfolípidos de las membranas de fusión. La sinaptotagmina ha sido reconocida como el principal sensor de la exocitosis desencadenada por Ca en animales. Sin embargo, las proteínas sinaptotagmina están ausentes en plantas y eucariotas unicelulares. Otros posibles sensores de calcio para la exocitosis son proteínas de mano EF (por ejemplo, calmodulina) y dominio C2 (por ejemplo, Ferlins, E-synaptotagmin, Doc2b) que contienen proteínas. No está claro cómo los diferentes sensores de calcio pueden cooperar juntos y mediar en la cinética de exocitosis desencadenada por calcio de una manera específica.

Exocitosis constitutivaes realizado por todas las células y sirve para la liberación de componentes de la matriz extracelular o el suministro de proteínas de membrana recién sintetizadas que se incorporan a la membrana plasmática después de la fusión de la vesícula de transporte. No existe un consenso claro sobre la maquinaria y los procesos moleculares que impulsan la formación, gemación, translocación y fusión de las vesículas post-Golgi a la membrana plasmática. La fusión implica el anclaje de la membrana (reconocimiento) y la fusión de la membrana. Todavía no está claro si la maquinaria entre la secreción constitutiva y regulada es diferente. La maquinaria necesaria para la exocitosis constitutiva no se ha estudiado tanto como el mecanismo de exocitosis regulada. Dos complejos de anclaje están asociados con exocitosis constitutiva en mamíferos, ELKS y Exocyst. ELKS es una gran proteína de bobina enrollada, también participa en la exocitosis sináptica, marcando los puntos de fusión de los "puntos críticos" de la fusión de los transportadores secretores. El exoquiste es un complejo proteico octamérico. En los mamíferos, los componentes del exoquiste se localizan tanto en la membrana plasmática como en el aparato de Golgi y las proteínas del exoquiste se colocalizan en el punto de fusión de las vesículas posteriores al Golgi. La fusión de membranas de la exocitosis constitutiva, probablemente, está mediada por SNAP29 y Syntaxin19 en la membrana plasmática y YKT6 o VAMP3 en la membrana vesicular.

La exocitosis vesicular en bacterias procariotas gram negativas es un tercer mecanismo y el último hallazgo en exocitosis. El periplasma se pellizca como vesículas de la membrana externa bacteriana (OMV) para translocar señales bioquímicas microbianas en células huésped eucariotas u otros microbios ubicados cerca, logrando el control del microbio secretor en su entorno, incluida la invasión del huésped, endotoxemia, competencia con otros microbios por nutrición, etc. Este hallazgo de tráfico de vesículas de membrana que ocurre en la interfaz huésped-patógeno también disipa el mito de que la exocitosis es puramente un fenómeno de células eucariotas.

Pasos

Cinco pasos están involucrados en la exocitosis:

Tráfico de vesículas

Ciertos pasos de tráfico de vesículas requieren el transporte de una vesícula sobre una distancia moderadamente pequeña. Por ejemplo, es probable que las vesículas que transportan proteínas desde el aparato de Golgi al área de la superficie celular utilicen proteínas motoras y una pista del citoesqueleto para acercarse a su objetivo. Antes de que el anclaje hubiera sido apropiado, muchas de las proteínas utilizadas para el transporte activo se habrían configurado para el transporte pasivo, porque el aparato de Golgi no requiere ATP para transportar proteínas. Tanto la actina como la base de los microtúbulos están implicadas en estos procesos, junto con varias proteínas motoras. Una vez que las vesículas alcanzan sus objetivos, entran en contacto con factores de anclaje que pueden restringirlas.

Anclaje de vesículas

Es útil distinguir entre la atadura suelta inicial de las vesículas a su objetivo de las interacciones de empaquetamiento más estables. El anclaje implica enlaces a distancias de más de la mitad del diámetro de una vesícula desde una superficie de membrana determinada (> 25 nm). Es probable que las interacciones de anclaje participen en la concentración de vesículas sinápticas en la sinapsis.

Las vesículas ancladas también están involucradas en los procesos de transcripción de las células normales.

Acoplamiento de vesículas

Las vesículas secretoras se acoplan transitoriamente y se fusionan en el porosoma de la membrana plasmática celular, a través de un complejo de anillo t-/v-SNARE apretado.

Cebado de vesículas

En la exocitosis neuronal, el término cebado se ha utilizado para incluir todos los reordenamientos moleculares y las modificaciones de proteínas y lípidos dependientes de ATP que tienen lugar después del acoplamiento inicial de una vesícula sináptica pero antes de la exocitosis, de modo que la entrada de iones de calcio es todo lo que se necesita. necesarios para desencadenar la liberación casi instantánea de neurotransmisores. En otros tipos de células, cuya secreción es constitutiva (es decir, continua, independiente de iones de calcio, no desencadenada) no hay cebado.

Fusión de vesículas

La fusión transitoria de vesículas está impulsada por las proteínas SNARE, lo que da como resultado la liberación del contenido de las vesículas en el espacio extracelular (o en el caso de las neuronas en la hendidura sináptica).

La fusión de las membranas donante y aceptora cumple tres tareas:

• La superficie de la membrana plasmática aumenta (por la superficie de la vesícula fusionada). Esto es importante para la regulación del tamaño celular, por ejemplo, durante el crecimiento celular.
• Las sustancias dentro de la vesícula se liberan al exterior. Estos pueden ser productos de desecho o toxinas, o moléculas de señalización como hormonas o neurotransmisores durante la transmisión sináptica.
• Las proteínas incrustadas en la membrana de la vesícula ahora forman parte de la membrana plasmática. El lado de la proteína que miraba hacia el interior de la vesícula ahora mira hacia el exterior de la célula. Este mecanismo es importante para la regulación de transmembrana y transportadores.

Recuperación de vesículas

La recuperación de vesículas sinápticas ocurre por endocitosis. La mayoría de las vesículas sinápticas se reciclan sin una fusión completa en la membrana (fusión de beso y ejecución) a través del porosoma. La exocitosis no constitutiva y la endocitosis posterior son procesos que consumen mucha energía y, por lo tanto, dependen de las mitocondrias.

El examen de las células después de la secreción usando microscopía electrónica demuestra una mayor presencia de vesículas parcialmente vacías después de la secreción. Esto sugirió que durante el proceso secretor, solo una parte del contenido vesicular puede salir de la célula. Esto solo podría ser posible si la vesícula estableciera temporalmente una continuidad con la membrana plasmática celular en los porosomas, expulsara una parte de su contenido, luego se separara, se volviera a sellar y se retirara al citosol (endocitosa). De esta forma, la vesícula secretora podría reutilizarse para posteriores rondas de exoendocitosis, hasta quedar completamente vacía de su contenido.