Introducción
Seguro que en clase de biología, alguna vez habéis hablado del retículo endoplásmico, el aparato de Golgi y las vesículas. Si habéis tenido suerte, sabréis incluso que estas tres estructuras participan en el transporte celular y más concretamente, en el tráfico de proteínas. Lo que no quedaba nunca claro en estas clases era exactamente cómo una proteína sintetizada en los ribosomas podía desplazarse mágicamente por la célula para llegar a su destino final (aquí nos estaremos refiriendo todo el tiempo a proteínas cuya función está localizada en membranas o fuera de la célula y por tanto necesitan ser exportadas).
La realidad es que, a pesar de que en los últimos 20 años se hayan hecho descubrimientos fascinantes y esclarecedores en el tema de transporte celular, todavía quedan muchas preguntas por resolver, algunas de las cuales expondré al final del artículo. Así que, sin más dilación, vamos a ver cuáles son algunos de los métodos que emplean las proteínas para comunicar sus necesidades de transporte.
¿Por qué es tan importante y fascinante el transporte celular de proteínas?
Primeramente, muchos os estaréis preguntando por qué deberíamos estudiar el transporte de las sustancias dentro de una célula, además de por entender cómo funcionan estas magníficas unidades de vida. La pregunta es meritoria y no tiene una única respuesta, pero como la mayor parte de los estudios en bioquímica, se intenta comprender cada paso de un mecanismo molecular para identificar posibles factores (mutaciones, medicamentos…) que limiten el correcto funcionamiento de la célula, o al contrario, ver cómo se pueden detener procesos exitosos de los patógenos cuando invaden nuestras células.
En este caso, las principales preguntas que queremos contestar son: ¿cómo pueden sustancias inertes comunicar a dónde se tienen que transportar? ¿Cómo logran una especificidad en esta comunicación interorganular? ¿Cuándo se modifican las proteínas para contener estas señales? Y eventualmente, la más aplicable a la vida real: ¿se podría fabricar algún medicamento que inhibiera el transporte de patógenos y así evitar la infección del mismo?
Ideas básicas: translocación de proteínas, modificación post-transcripcional y devolución
Translocación de proteínas
Como hemos dicho, el transporte de proteínas cuyo destino sea fuera de la célula o en una membrana deberá seguir este camino, pasando por vesículas entremedias: 
El dogma de la biología actualmente se basa en la replicación del ADN, transcripción a ARNm y por último traducción de este ARNm a aminoácidos para formar polipéptidos, con la ayuda de ARNt y ribosomas. Estos se encuentran en el citoplasma, por lo que tiene que existir un mecanismo intermedio que los dirija hacia el ER para que se enganchen y sigan fabricando la proteína dentro de este espacio.
A continuación veréis un diagrama que ilustra los pasos del proceso.
Las proteínas contienen una señal al principio de su secuencia llamada sobriamente “secuencia señal” que es la encargada de marcar que el resto de la traducción ha de realizarse en el ER.
Después, una partícula receptora llamada SRP (signal receptor protein) reconoce la señal, se une a ella y la lleva a un complejo de translocación (Sec61 en el ER) en la membrana del ER. Este complejo o translocon, atraviesa la membrana del orgánulo y mediante una serie de pasos más, la proteína empieza a traducirse dentro del ER.
La secuencia señal suele ser hidrofóbica, o en otras palabras, insoluble. Una cuestión importante es que todas las proteínas que se secretan deberán ser solubles para poder aguantar el medio altamente hidrofílico en el que se encuentran, rodeadas de agua, así que esta secuencia señal debe desprenderse. Esto sucede a la vez que la proteína se está traduciendo. La encargada de realizar el proceso se denomina peptidasa.
¿Cómo se inserta la proteína en la luz del ER?
Hay dos teorías sobre cómo se inserta completamente dentro la proteína recién sintetizada: 1) la propia fuerza de la adición de nuevos aminoácidos es suficiente para hacer que la proteína se vea empujada hacia la luz del ER ó 2) unas proteínas llamadas BiP (binding immunoglobulin protein) actúan como una especie de mano que va tirando de la proteína para que entre al ER. El resultado final puede ser una combinación de ambas fuerzas, pero todavía no está demasiado claro.
Modificación postraduccional
Esto incluye cualquiera de las siguientes: glicosilación, oxidación, fosforilación, acetilación, etc. Suelen cambiar la función o actividad de la proteína. En muchos casos, las enzimas solo funcionan si están fosforiladas o desfosforiladas, dependiendo de la que se analice, que actúa como un botón on-off. En lo que se refiere al transporte de proteínas va a ser especialmente importante la glicosilación, ya que esta indicará a ciertos receptores de membrana si la proteína se debe transportar.
Como se puede apreciar en el siguiente diagrama, distintas enzimas que añaden o eliminan glúcidos ligados al nitrógeno de un polipéptido se encuentran en diferentes compartimentos de la célula. Por ejemplo, la enzima OST (Oligosaccharyltransferase) está incrustada en la membrana del ER, lo que implica que es esencial para que la proteína en crecimiento se pueda transportar al siguiente orgánulo, el aparato de Golgi.
En efecto, aunque no parece gran cambio, las sucesivas modificaciones a esta cadena de azúcares consigue determinar la ruta de las proteínas. Es una especie de peaje celular donde realizando paradas y sufriendo cambios se te permite seguir viajando. Si no pagas (te modificas covalentemente) te quedas en el tramo de la vía en el que estés.
Así avanzan las proteínas por esta ruta. Existen varios mecanismos mucho más complejos mediados por COPI, COPII y Clatrina que requieren el conocimiento de proteínas G, Rabs, SNAREs… que controlan exactamente la formación de vesículas y su fusión con las membranas en los procesos de endocitosis y exocitosis respectivamente. Si estáis interesados en saber más os recomiendo la siguiente página donde detalla las proteínas involucradas: https://mmegias.webs.uvigo.es/02-english/5-celulas/ampliaciones/5-vesiculas.php
Devolución
Nada es perfecto, a pesar de que las células hacen un muy buen trabajo evitando errores. Puede haber proteínas localizadas dentro del ER, como OST de la que hablábamos antes, que “sin querer” sean transportadas al aparato de Golgi. Para prevenir que este cambio sea permanente, las proteínas son modificadas en el ER y se les añade una secuencia de aminoácidos KDEL (lisina, ácido aspártico, ácido glutámico, leucina).
En el aparato de Golgi existe un receptor KDEL que reconoce inmediatamente estas proteínas y las vuelve a llevar al ER. Como se ve en la imagen, una vez que el receptor KDEL se una a la proteína perteneciente al ER dentro de su sitio activo, se forma la vesícula, preparada para regresar al ER.
Preguntas que quedan por responder
El transporte celular de proteínas es un campo de investigación muy activo en la actualidad. Aquí enumero algunas de las preguntas que aún quedan sin resolver.
- ¿Cómo se ve regulado el transporte celular por necesidades metabólicas de la célula? Existen varios momentos donde la célula necesita invertir grandes energías en exportar sustancias. Por ejemplo, cuando las células B secretan anticuerpos lo tienen que hacer a una tasa elevada y rápida. Todavía no se entiende completamente cómo consiguen un transporte tan eficaz estas células.
- ¿Cómo cambia este transporte a lo largo del ciclo vital de la célula? Debe existir algún regulador del transporte, ya que durante las fases de crecimiento la célula necesita componentes extracelulares para poder nutrirse, mientras que durante la mitosis, invierte mucha energía en la propia división y no tanta en el transporte.
- ¿Cómo se puede impedir la formación de la vesícula que importa el genoma de un virus dentro de la célula sin paralizar el nuestro propio? Como decía al principio, una de las claves de esta investigación es averiguar cómo parar o ralentizar la importación de sustancias patógenas a la célula. El problema está en que si inhibimos el transporte celular al completo, estaríamos deteniendo la entrada del virus, pero también nos veríamos perjudicados puesto que nuestras células están en constante comunicación entre sí, y necesitan de la exocitosis y endocitosis para sobrevivir.
Bibliografía
- Alberts, B. Molecular Biology of the Cell. 5ª ed. EEUU: Garland Science; 2008.
- Apodaca G, Brown WJ. Membrane traffic research: challenges for the next decade. Front. Cell Dev. Biol. [Internet]. 2014 [citado 7 agosto 2020];2(52). Disponible en: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fcell.2014.00052/full
- González Núñez, V. 10. Tráfico Intracelular de Proteínas [Internet] 2012 [citado 7 agosto 2020]. Disponible en: https://diarium.usal.es/vgnunez/files/2012/11/10.-Trafico-Intracelular-de-Proteinas.pdf
- Mathieu-Rivet E. Protein N-glycosylation in eukaryotic microalgae and its impact on the production of nuclear expressed biopharmaceuticals. Frontiers in Plant Science [Internet]. 2014 [citado 7 agosto 2020];5(359). Disponible en: https://www.researchgate.net/publication/265298299_Protein_N-glycosylation_in_eukaryotic_microalgae_and_its_impact_on_the_production_of_nuclear_expressed_biopharmaceuticals
- Ponce Espejo J. Organelos Membranosos [Internet]. Docplayer. 2018 [citado 7 agosto 2020]. Disponible en: https://docplayer.es/73093492-Organelos-membranosos.html
Lilly Pubillones
Trinity College Hartford
Biochemistry
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