Vesícula (biología y química)

Esquema de un liposo formado por fosfolípidos en una solución acuosa.

En biología celular, una vesícula es una estructura dentro o fuera de una célula, que consiste en líquido o citoplasma encerrado por una bicapa lipídica. Las vesículas se forman naturalmente durante los procesos de secreción (exocitosis), captación (endocitosis) y transporte de materiales dentro de la membrana plasmática. Alternativamente, pueden prepararse artificialmente, en cuyo caso se denominan liposomas (que no deben confundirse con los lisosomas). Si sólo hay una bicapa de fosfolípidos, las vesículas se denominan liposomas unilamelares; de lo contrario, se denominan liposomas multilaminares. La membrana que encierra la vesícula también es una fase lamelar, similar a la de la membrana plasmática, y las vesículas intracelulares pueden fusionarse con la membrana plasmática para liberar su contenido fuera de la célula. Las vesículas también pueden fusionarse con otros orgánulos dentro de la célula. Una vesícula liberada de la célula se conoce como vesícula extracelular.

Las vesículas realizan una variedad de funciones. Debido a que está separada del citosol, se puede hacer que el interior de la vesícula sea diferente del entorno citosólico. Por ello, las vesículas son una herramienta básica que utiliza la célula para organizar las sustancias celulares. Las vesículas participan en el metabolismo, el transporte, el control de la flotabilidad y el almacenamiento temporal de alimentos y enzimas. También pueden actuar como cámaras de reacción química.

Imagen sarfus de vesículas lipídicas.

El Premio Nobel de Fisiología o Medicina de 2013 fue compartido por James Rothman, Randy Schekman y Thomas Südhof por su papel en dilucidar (sobre la base de investigaciones anteriores, algunas de ellas de sus mentores) la composición y función de las vesículas celulares, especialmente en levaduras y en humanos, incluida información sobre las partes de cada vesícula y cómo se ensamblan. Se cree que la disfunción vesicular contribuye a la enfermedad de Alzheimer, la diabetes, algunos casos de epilepsia difíciles de tratar, algunos tipos de cáncer y trastornos inmunológicos y ciertas afecciones neurovasculares.

Tipos de estructuras vesiculares

Micrografo electrónico de una célula que contiene un vacuole de alimentos (fv) y vacuole de transporte (tv) en un parásito de malaria.

Vacuolas

Las vacuolas son orgánulos celulares que contienen principalmente agua.

• Las células vegetales tienen un gran vacuole central en el centro de la célula que se utiliza para el control osmótico y almacenamiento de nutrientes.
• Vacuoles contractuales se encuentran en ciertos protistas, especialmente los de Phylum Ciliophora. Estos vacuoles toman agua del citoplasma y lo excreten de la célula para evitar que estallen debido a la presión osmótica.

Lisosomas

• Los lisosomas están involucrados en la digestión celular. La comida se puede tomar desde fuera de la célula en vacuoles alimenticios por un proceso llamado endocitosis. Estos vacuolas de alimentos se fusionan con lisosomas que descomponen los componentes para que puedan ser utilizados en la célula. Esta forma de comer celular se llama fagocitosis.
• Los lisosomas también se utilizan para destruir organelas defectuosas o dañadas en un proceso llamado autofagia. Se fusionan con la membrana del organelle dañado, digeriéndolo.

Vesículas de transporte

• Las vesículas de transporte pueden mover moléculas entre ubicaciones dentro de la célula, por ejemplo, proteínas del reticulum endoplasmático áspero al aparato Golgi.
• Las proteínas de membrana y secretas se fabrican en ribosomas encontradas en el reticulum endoplasmático. La mayoría de estas proteínas maduran en el aparato Golgi antes de ir a su destino final que puede ser para lisosomas, peroxiomas, o fuera de la célula. Estas proteínas viajan dentro de la célula dentro de las vesículas de transporte.

Vesículas secretoras

Las vesículas secretoras contienen materiales que se excretarán de la célula. Las células tienen muchas razones para excretar materiales. Una de las razones es para deshacerse de los desechos. Otra razón está ligada a la función de la célula. Dentro de un organismo más grande, algunas células están especializadas para producir ciertas sustancias químicas. Estos químicos se almacenan en vesículas secretoras y se liberan cuando es necesario.

Tipos

• Las vesículas sinápticas están ubicadas en terminales presínicos en neuronas y almacenan neurotransmisores. Cuando una señal baja un axón, las vesículas sinápticas se fusionan con la membrana celular liberando el neurotransmisor para que pueda ser detectada por moléculas receptoras en la siguiente célula nerviosa.
• En los animales los tejidos endocrinos liberan hormonas en el torrente sanguíneo. Estas hormonas se almacenan dentro de vesículas secretas. Un buen ejemplo es un tejido endocrino que se encuentra en los islotes de Langerhans en el páncreas. Este tejido contiene muchos tipos de células que se definen por qué hormonas producen.
• Las vesículas secretas sostienen las enzimas que se utilizan para hacer las paredes celulares de las plantas, protistas, hongos, bacterias y células arqueas, así como la matriz extracelular de las células animales.
• Bacterias, Arqueas, hongos y parásitos liberan vesículas de membrana (VM) que contienen compuestos tóxicos variados pero especializados y moléculas de señal bioquímica, que se transportan a células dianas para iniciar procesos a favor del microbio, que incluyen la invasión de células anfitrionas y el asesinato de microbios competidores en el mismo nicho.

Vesículas extracelulares

Las vesículas extracelulares (EV) son partículas delimitadas por bicapa lipídica producidas por todos los dominios de la vida, incluidos los eucariotas complejos, las bacterias gramnegativas y grampositivas, las micobacterias y los hongos.

Tipos

• Los ectosomes/microvesicles se derraman directamente de la membrana plasmática y pueden variar en tamaño de alrededor de 30 nm a más de un micron de diámetro. Estas pueden incluir partículas grandes como las hemorragias apoptóticas liberadas por células moribundas, grandes oncosomes liberados por algunas células cancerosas, o "exophers", liberados por neuronas nematodas y cardiomiocitos del ratón.
• Exosomas: vesículas membranosas de origen endocético (30-100 nm de diámetro).

Se pueden separar diferentes tipos de vehículos eléctricos en función de la densidad (mediante centrifugación diferencial de gradiente), el tamaño o los marcadores de superficie. Sin embargo, los subtipos de EV tienen un tamaño superpuesto y rangos de densidad, y los marcadores únicos de subtipo deben establecerse celda por celda. Por lo tanto, es difícil identificar la ruta de biogénesis que dio lugar a un EV en particular después de que abandonó la célula.

En los seres humanos, es probable que las vesículas extracelulares endógenas desempeñen un papel en la coagulación, la señalización intercelular y la gestión de desechos. También están implicados en los procesos fisiopatológicos implicados en múltiples enfermedades, incluido el cáncer. Las vesículas extracelulares han despertado interés como fuente potencial de descubrimiento de biomarcadores debido a su papel en la comunicación intercelular, la liberación en fluidos corporales de fácil acceso y la similitud de su contenido molecular con el de las células liberadoras. Las vesículas extracelulares de células madre (mesenquimales), también conocidas como secretoma de células madre, están siendo investigadas y aplicadas con fines terapéuticos, predominantemente en enfermedades degenerativas, autoinmunes y/o inflamatorias.

En las bacterias Gram-negativas, los vehículos eléctricos se producen al pellizcar la membrana externa; sin embargo, aún se desconoce cómo los vehículos eléctricos escapan de las gruesas paredes celulares de las bacterias grampositivas, las micobacterias y los hongos. Estos vehículos eléctricos contienen una carga variada, incluidos ácidos nucleicos, toxinas, lipoproteínas y enzimas, y tienen funciones importantes en la fisiología y la patogénesis microbianas. En las interacciones huésped-patógeno, las bacterias gram negativas producen vesículas que desempeñan un papel en el establecimiento de un nicho de colonización, transportando y transmitiendo factores de virulencia a las células huésped y modulando la defensa y la respuesta del huésped.

Se ha descubierto que las cianobacterias oceánicas liberan continuamente vesículas que contienen proteínas, ADN y ARN en el océano abierto. Las vesículas que transportan ADN de diversas bacterias abundan en las muestras de agua de mar costera y de mar abierto.

Otros tipos

Las vesículas de gas son utilizadas por Archaea, bacterias y microorganismos planctónicos, posiblemente para controlar la migración vertical regulando el contenido de gas y, por lo tanto, la flotabilidad, o posiblemente para posicionar la celda para la captación máxima de luz solar. Estas vesículas suelen ser tubos cilíndricos o con forma de limón hechos de proteína; su diámetro determina la fuerza de la vesícula, siendo las más grandes las más débiles. El diámetro de la vesícula también afecta su volumen y la eficiencia con la que puede proporcionar flotabilidad. En las cianobacterias, la selección natural ha trabajado para crear vesículas que tienen el máximo diámetro posible sin dejar de ser estructuralmente estables. La piel de proteína es permeable a los gases pero no al agua, lo que evita que las vesículas se inunden.

Las vesículas de matriz se encuentran dentro del espacio extracelular o matriz. Utilizando microscopía electrónica, fueron descubiertos de forma independiente en 1967 por H. Clarke Anderson y Ermanno Bonucci. Estas vesículas derivadas de células están especializadas para iniciar la biomineralización de la matriz en una variedad de tejidos, incluidos el hueso, el cartílago y la dentina. Durante la calcificación normal, una gran entrada de iones de calcio y fosfato en las células acompaña a la apoptosis celular (autodestrucción determinada genéticamente) y la formación de vesículas de matriz. La carga de calcio también conduce a la formación de complejos de fosfatidilserina:calcio:fosfato en la membrana plasmática mediados en parte por una proteína llamada anexinas. Las vesículas de la matriz brotan de la membrana plasmática en los sitios de interacción con la matriz extracelular. Por lo tanto, las vesículas de la matriz transportan a la matriz extracelular calcio, fosfato, lípidos y anexinas que actúan para nuclear la formación de minerales. Estos procesos se coordinan con precisión para provocar, en el lugar y momento adecuados, la mineralización de la matriz del tejido, a menos que no exista el aparato de Golgi.

El cuerpo multivesicular, o MVB, es una vesícula unida a una membrana que contiene varias vesículas más pequeñas.

Formación y transporte

Algunas vesículas se forman cuando parte de la membrana arranca el retículo endoplásmico o el aparato de Golgi. Otros se forman cuando un objeto fuera de la célula está rodeado por la membrana celular.

Revestimiento vesicular y moléculas de carga

La vesícula "capa" es una colección de proteínas que sirven para dar forma a la curvatura de una membrana donante, formando la forma de vesícula redondeada. Las proteínas de la cubierta también pueden funcionar para unirse a varias proteínas receptoras transmembrana, denominadas receptores de carga. Estos receptores ayudan a seleccionar qué material se somete a endocitosis en la endocitosis mediada por receptores o en el transporte intracelular.

Hay tres tipos de cubiertas vesiculares: clatrina, COPI y COPII. Los diversos tipos de proteínas de la cubierta ayudan a clasificar las vesículas hasta su destino final. Las cubiertas de clatrina se encuentran en el tránsito de vesículas entre el Golgi y la membrana plasmática, el Golgi y los endosomas y la membrana plasmática y los endosomas. Las vesículas cubiertas con COPI son responsables del transporte retrógrado desde el Golgi al ER, mientras que las vesículas cubiertas con COPII son responsables del transporte anterógrado desde el ER al Golgi.

Se cree que la cubierta de clatrina se ensambla en respuesta a la proteína G reguladora. Una cubierta de proteína se ensambla y se desarma debido a una proteína del factor de ribosilación de ADP (ARF).

Acoplamiento de vesículas

Las proteínas de superficie llamadas SNARE identifican la carga de la vesícula y las SNARE complementarias en la membrana objetivo actúan para causar la fusión de la vesícula y la membrana objetivo. Se supone que tales v-SNARES existen en la membrana de la vesícula, mientras que los complementarios en la membrana diana se conocen como t-SNARE.

A menudo, las SNARE asociadas con vesículas o membranas diana se clasifican como SNARE Qa, Qb, Qc o R debido a una mayor variación que las SNARE v o t. Se puede ver una serie de diferentes complejos SNARE en diferentes tejidos y compartimentos subcelulares, con 36 isoformas actualmente identificadas en humanos.

Se cree que las proteínas Rab reguladoras inspeccionan la unión de las SNARE. La proteína Rab es una proteína de unión a GTP reguladora y controla la unión de estos SNARE complementarios durante un tiempo lo suficientemente largo como para que la proteína Rab hidrolice su GTP unido y bloquee la vesícula en la membrana.

Las proteínas SNARE en las plantas están poco estudiadas en comparación con los hongos y los animales. La botánica celular Natasha Raikhel ha realizado parte de la investigación básica en esta área, incluido Zheng et al 1999 en el que ella y su equipo encontraron que AtVTI1a es esencial para el transporte de vacuolas de Golgi⇄.

Fusión de vesículas

La fusión de vesículas puede ocurrir de dos maneras: fusión completa o fusión de beso y fuga. La fusión requiere que las dos membranas se acerquen a 1,5 nm entre sí. Para que esto ocurra, el agua debe ser desplazada de la superficie de la membrana de la vesícula. Esto es energéticamente desfavorable y la evidencia sugiere que el proceso requiere ATP, GTP y acetil-coA. La fusión también está ligada a la brotación, por lo que surge el término brotación y fusión.

En la regulación a la baja del receptor

Las proteínas de membrana que sirven como receptores a veces se etiquetan para su regulación negativa mediante la unión de ubiquitina. Después de llegar a un endosoma a través de la vía descrita anteriormente, comienzan a formarse vesículas dentro del endosoma, llevándose consigo las proteínas de membrana destinadas a la degradación; Cuando el endosoma madura para convertirse en lisosoma o se une a uno, las vesículas se degradan por completo. Sin este mecanismo, solo la parte extracelular de las proteínas de membrana llegaría a la luz del lisosoma y solo esta parte sería degradada.

Es debido a estas vesículas que el endosoma a veces se conoce como un cuerpo multivesicular. El camino hacia su formación no se comprende completamente; a diferencia de las otras vesículas descritas anteriormente, la superficie exterior de las vesículas no está en contacto con el citosol.

Preparación

Vesículas aisladas

La producción de vesículas de membrana es uno de los métodos para investigar varias membranas de la célula. Después de que el tejido vivo se tritura en suspensión, varias membranas forman pequeñas burbujas cerradas. Grandes fragmentos de las células trituradas pueden descartarse mediante centrifugación a baja velocidad y posteriormente la fracción de origen conocido (plasmalema, tonoplasto, etc.) puede aislarse mediante centrifugación precisa a alta velocidad en gradiente de densidad. Usando el choque osmótico, es posible abrir temporalmente las vesículas (llenándolas con la solución requerida) y luego centrifugar nuevamente y resuspenderlas en una solución diferente. La aplicación de ionóforos como la valinomicina puede crear gradientes electroquímicos comparables a los gradientes dentro de las células vivas.

Las vesículas se utilizan principalmente en dos tipos de investigación:

• Para encontrar y después receptores de membrana aisolada que atan específicamente hormonas y otras sustancias importantes.
• Investigar el transporte de varios iones u otras sustancias a través de la membrana del tipo dado. Aunque el transporte puede ser investigado más fácilmente con técnicas de pinza de parche, las vesículas también pueden ser aisladas de objetos para los cuales no se aplica una pinza de parche.

Vesículas artificiales

Las vesículas artificiales se clasifican en tres grupos según su tamaño: liposomas/vesículas unilamelares pequeñas (SUV) con un rango de tamaño de 20 a 100 nm, liposomas/vesículas unilamelares grandes (LUV) con un rango de tamaño de 100 a 1000 nm y liposomas/vesículas unilamelares gigantes (GUV) con un rango de tamaño de 1 a 200 µm. Las vesículas más pequeñas en el mismo rango de tamaño que las vesículas de tráfico que se encuentran en las células vivas se usan con frecuencia en bioquímica y campos relacionados. Para tales estudios, se puede preparar una suspensión de vesículas de fosfolípidos homogénea por extrusión o sonicación, o por inyección rápida de una solución de fosfolípidos en una solución tampón acuosa. De esta forma, se pueden preparar soluciones acuosas de vesículas de diferente composición de fosfolípidos, así como diferentes tamaños de vesículas. Las vesículas sintéticas más grandes, como las GUV, se utilizan para estudios in vitro en biología celular para imitar las membranas celulares. Estas vesículas son lo suficientemente grandes como para ser estudiadas usando microscopía de luz de fluorescencia tradicional. Existe una variedad de métodos para encapsular reactivos biológicos como soluciones de proteínas dentro de dichas vesículas, lo que convierte a los GUV en un sistema ideal para la recreación (e investigación) in vitro de las funciones celulares en entornos de membrana modelo similares a células. Estos métodos incluyen métodos de microfluidos, que permiten una producción de alto rendimiento de vesículas con tamaños consistentes.