Retículo endoplásmico

Se descubrió con el microscopio electrónico por PORTER, CLAUDE Y FULHAN. Está compuesto por dos compartimentos:

– El retículo endoplásmico rugoso (RER) o alfa citomembranas.

– El retículo endoplásmico liso (REL) o beta citomembranas.

Está organizado en forma de una red que se extiende por todo el citoplasma, formando una sola lámina que define un único espacio interno (LUMEN). El contenido de la luz de las cavidades es homogéneo, amorfo y de densidad similar al citoplasma, aunque a veces puede ser granular y heterogéneo. El diámetro de la membrana es de unos 5 a 6 nm.

El RE juega un papel central en la biosíntesis celular: todas las proteínas transmembrana y los lípidos del RE, A. de Golgi, lisosomas y membrana plasmática inician su síntesis en el RE. También sintetiza los lípidos de membrana de los peroxisomas y membranas de las mitocondrias, y proteínas secretadas.

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A. RER.

Hay ribosomas en la cara citosólica de la membrana a una distancia de unos 15 nm entre ribosomas. Está formado por:

– Vesículas de 25 a 500 nm.

– Laminas de 50 nm.

– Cisternas de 40 a 50 nm.

Existe en todas las células, excepto en los eritrocitos. La distribución del RER es variable según el desarrollo y actividad celular:

– En células glandulares de los acinos pancreáticos, tiene forma de hoja plegada en la parte basal de la célula.

– En hepatocitos forma los cuerpos de BERG, que tienen forma concéntrica.

– En neuronas forman los grumos de NISSL, que se tiñen con colorantes básicos.

– En plasmocitos ocupa todo el citoplasma y se sitúa alrededor del núcleo.

– En células poco activas está poco desarrollado y disperso por el citoplasma.

Los ribosomas se unen al RER por la subunidad 60 S. Esta unión está mediada por dos glucoproteínas transmembranales (RIBOFORINA I y II). Estas proteínas actúan como un armazón por el que pasa la proteína recién sintetizada al lumen del RER. A mayor número de moléculas de riboforina en el RER, más ribosomas quedan adheridos al RER.

B. REL.

La gran mayoría de las células presentan poca cantidad de REL o está ausente. Se le llama también retículo de transición y por él circulan vesículas portadoras de lípidos y proteínas recién sintetizadas hacia el complejo de Golgi. Se caracteriza porque:

– Están formado por un laberinto de finos canalículos interconectados.

– Sobre su cara citosólica no presenta ribosomas.

– Está conectado con mitocondrias, depósitos de glucógeno y peroxisoma.

– Su membrana es más gruesa que en el RER.

– Es abundante en células que sintetizan hormonas esteroides, en las células musculares estriadas (forma el retículo sarcoplásmico), y en hepatocitos (síntesis de lípidos).

C. RELACIÓN ENTRE EL RER Y REL.

Estos dos sistemas se intercomunican entre sí y con la membrana nuclear y citoplasmática. Forman un canal de comunicación o vía de agua por toda la célula (enterocitos). Se piensa que este transporte sólo se da en las células especializadas en absorción y secreción. El RE no es una estructura constante.

D. ESTUDIO “IN SITU”.

Se detecta actividad de enzimas presentes en el aparato de Golgi y lisosomas. Estas son: hidrolasa, peroxidasa, glucosa-6-fosfatasa, fosfatasa ácida, arilsulfatasa. Acumula calcio que se une a oxalato y fosfato.

E. AISLAMIENTO Y ANÁLISIS.

Corresponde a la fracción MICROSOMAL que se aísla por centrifugación diferencial de sacarosa o cloruro de cesio. Esta fracción incluye al RER, REL y aparato de Golgi. Una vez aislado el RE, se trata con:

ribonucleasa

MICROSOMA ————————————-> membrana del RE

desoxicolato

MICROSOMA ————————————-> ribosomas libres

F. COMPOSICIÓN QUÍMICA.

La composición es:

– 70% de proteínas

– 30% lípidos (en el REL son más abundantes los fosfolípidos y en el RER es más abundante el colesterol).

En general hay poco colesterol y glicolípidos. La membrana presenta asimetría respecto a las enzimas:

Cara citosólica: transporte de electrones, citocromo b5 y su reductasa, enzimas de la síntesis de colesterol y lípidos.

Cara luminar: nucleótido difosfatasa, enzimas de gradación de glucógeno, glucosa-6-fosfatasa, citocromo P450, glicosiltransferasa.

G. FUNCIONES DEL RER.

1. SÍNTESIS Y ALMACENAMIENTOS DE PROTEÍNAS.

1.1. TRANSLOCACIÓN CO-TRADUCCIONAL.

Es un mecanismo dependiente de SRP (partícula reconocedora del péptido señal). Las proteínas van a ser destinadas a la descarga vectorial. Son proteínas para la exportación, proteínas intrínsecas de membrana y proteínas que forman parte de los orgánulos celulares.

El SRP es una RNP citosólica (6 Proteínas y un RNA) que une simultáneamente al péptido señal, al ribosoma y al receptor en la membrana del ER.

– La P54 une al péptido señal.

– P9 y P14 interaccionan con el ribosoma.

– P68 y P72 son requeridas para la traslocación.

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En el extremo N-terminal de la proteína hay una secuencia señal que es reconocida por un receptor que se une a la membrana del RER y permite la inserción del ribosoma sobre la riboforina.

El proceso comienza con:

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1º. La unión de ARN mensajero a ribosomas libres. Hay síntesis de unos 15 a 30 aminoácidos en el extremo amino terminal que corresponden al peptido señal (aminoácidos hdrofóbicos).

2º. La secuencia señal o peptido señal es reconocida por el SRP (partícula reconocedora de señal) que está formado por seis proteínas y un ARN 7S soluble en el citosol. Detiene la síntesis proteica al ocupar el hueco en el que se tiene que insertar el aminoacil-tRNA.

3º. El SRP es reconocido por un receptor (proteína integral del RER) y activa la síntesis en el ribosoma.

4. El ribosoma se inserta sobre la riboforina por la subunidad mayor e introduce la proteína en el interior del RER.

5º. El peptido señal es eliminado cuando está en el interior de RER por acción de una peptidasa específica.

6º. La proteína es glicosilada y transportada por el RER.

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Las proteínas como la ovoalbúmina, no tienen peptido señal pero sí una secuencia parecida en el interior de la proteína que no es eliminada (esto es característico de las proteínas que tienen una tasa de síntesis elevada).

1.2. MECANISMO INDEPENDIENTE DEL SRP (translocación post-traduccional).

Las proteínas ingresan por el mismo translocón pero no participan ni el SRP ni el SRPR. La energía es provista por una proteína adicional Sec62 y por la Bip.

El peptido señal es reconocido por un Rc de la cara citosólica del RE. Después se une a una BOMBA PROTEICA DIRIGIDA ENERGÉTICAMENTE, la cual hace pasar toda la proteína al lumen del RE. Durante el proceso de translocación, la proteína está desplegada transitoriamente (mecanismo dependiente de ATP por las hsp70) y cuando pasa al lumen, la proteína se pliega y adopta la conformación de mínima energía libre.

Las proteínas translocadas se repliegan en el lumen del RE. El lumen del RE está lleno de proteínas en tránsito que se hallan en proceso de plegamiento, mientras que el citosol está repleto de proteínas que ya están plegadas. En el lumen, las proteínas desplegadas tienen las zonas hidrofóbicas expuestas al ambiente acuoso, pudiendo agregarse y precipitar.

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El lumen contiene una alta concentración de una proteína de unión (BiP) que reconoce las proteínas que están plegadas de forma incorrecta, posiblemente uniéndose a sus superficies hidrofóbicas expuestas al exterior. La BiP contiene en su extremo C-t un peptido señal de cuatro aminoácidos que es responsable de retener la proteína en el RE. La BiP actuaría:

– Manteniendo a las proteínas mal plegadas en el lumen del RE.

– Ayudando a catalizar el plegamiento de una proteína (une ATP y estructuralmente se parece a las hsp70).

1.3. COMBINACIONES DE PEPTIDOS DE INICIO Y FINAL DE TRANSFERENCIA.

El peptido señal es un asa de cadena polipeptídica hidrofóbica que se inserta en la membrana después de atravesarla. Hay varias posibilidades:

a) Cuando existe un peptido de inicio de transferencia pero no existe uno de final de transferencia, todo el peptido es translocado al lumen del RE, y la eliminación del peptido de transferencia, libera a la proteína madura en el lumen.

b) Cuando la cadena polipeptídica tiene un peptido señal de inicio y otro de final de transferencia, la translocación se detiene cuando el peptido final atraviesa la membrana, pero la síntesis proteica continua en el citosol. Tras la eliminación del peptido de inicio de transferencia, la proteína madura queda atravesando la bicapa lipídica del RE, de forma que sobresale un dominio en cada extremo de la membrana.

c) En las proteínas que tienen un asa peptídica en el interior de la bicapa lipídica del RE, se postula que exista una proteína translocadora que puede adoptar dos conformaciones: cerrada y abierta. Cuando se une el peptido de inicio de transferencia, la proteína translocadora adopta la conformación cerrada, manteniendo la actividad translocadora (consume ATP). En cuanto el peptido de final de translocación entra en otro lugar de unión, la proteína translocadora adopta la conformación abierta, inactiva, y abandonara la proteína, dejándola insertada por el asa.

Esto permite a una clasificación de las proteínas según su topología en IV clases:

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I,II y III comprende las proteínas de un único paso

– Tipo I: Polipéptido se cliva, N-term en el lumen y el C-term en citosol. Poseen un polipéptido que se cliva y una secuencia interna stop-transfer que la ancla a la membrana.

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– Tipo II: El polipéptido no se cliva, N-term en citosol, C-term en el lumen

– Tipo III: Misma orientación que I, pero sin clivaje del polipéptido

No poseen Péptido Señal en el extremo N-term. Poseen un único segmento hidrofóbico interno (funciona como señal de ER y como stop-transfer). Presentan orientaciones opuestas determinadas por la orientación que toma el Péptido Señal en el translocón.

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– Tipo IV: Proteínas multipaso numerosos segmentos transmembrana.

IVa N-term en citoplasma (parecido a tipoII, transportdores de glucosa y canales iónicos)

IVb C-term en citoplasma (parecido a tipo I, receptores acoplados a prot G).

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1.5. LA PROTEÍNA DISULFURO ISOMERASA ACELERA LA FORMACIÓN DE PUENTES DISULFURO CORRECTOS EN EL LUMEN DEL RE.

El citosol contiene una mezcla de agentes reductores que contienen TIOL, que evitan la formación de uniones S-S, manteniendo así las proteínas en su forma reducida (-SH). En el lumen no hay estos agentes reductores y sí hay una enzima que ayuda a corregir los puentes disulfuro defectuosos (proteína disulfuro isomerasa). Está unida a la cara luminal del RE por un peptido señal parecido al de la BiP.

2. GLICOSILACIÓN DE PROTEÍNAS.

La glicosilación es la principal modificación post-traduccional que sufren las proteínas en la vía secretoria. La N-glicosilación es un proceso esencial para la viabilidad celular y juega un papel fundamental en la actividad biológica y en las propiedades físico-químicas de las proteínas.

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1º. Las cadenas proteicas sintetizadas, para que puedan ser transportadas a otros orgánulos o al exterior de la célula, han de estar glicosiladas.

2º. El oligosacárido que se va a unir a la proteína es transportado por el DOLICOL-FOSFATO, que es un lípido isoprenoide (110-C) componente de la membrana del RER que mantiene unido el oligosacárido mediante un enlace de alta energía.

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3º. El oligosacárido es transferido en bloque a una GLICOSILTRANSFERASA presente en la cara interna del RER y ésta transfiere el oligosacárido a grupos amino de asparragina de la proteína (Asn-X-Ser/Thr), para dar enlaces N-glicosídicos. El oligosacárido unido se denomina N-oligosacárido.

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4º. El oligosacárido contiene restos de glucosa, manosa, N-acetilglucosamina, que van a servir de señal para el transporte y localización posterior de la proteína. Este oligosacárido es único y contiene 14 residuos.

5º. Hay diversas estructuras de oligosacáridos que se forman por modificación de la estructura base inicial. Los recortes o procesamientos se producen en el RE y A. de Golgi.

6º. Los N-oligosacáridos son los oligosacáridos más comunes que se encuentran en las glicoproteínas. Menos frecuentes son los O-oligosacáridos sobre residuos de Ser o Thr. La manosa es el único monosacárido que se incorpora en el RE.

3. SÍNTESIS DE PROTEÍNAS UNIDAS A MEMBRANA A TRAVÉS DE ANCLAJES CON FOSFOINOSITOL.

Algunas proteínas se unen a la membrana por un ancla GPI. En cuanto la síntesis de la proteína ha finalizado, la proteína precursora permanece unida a la membrana del RE a través de una secuencia hidrofóbica C-t de 15-20 residuos del peptido señal, estando el resto de la proteína en el lumen del RE. En menos de un minuto, una enzima del RE corta la proteína, liberándola de su extremo C-t y simultáneamente une el nuevo extremo C-t a un intermediario glucosil-fosfatidilinositol preformado. Se forma una unión covalente que mantiene unida la proteína a la membrana y quedaría expuesta al exterior si la proteína es exportada hasta la membrana citoplasmática.

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4. RESPUESTA A PROTEÍNAS MAL PLEGADAS (UPR)

– La acumulación de proteínas mal plegadas en el lumen del ER induce una respuesta adaptativa denominada UPR que coordinada diferentes programas.

– Es el sistema de transducción de señales entre organelas mejor conocido.

– La UPR provee una forma de comunicación entre el núcleo y el lumen del ER y genera una respuesta a las cambiantes necesidades del mismo (¨fisiológicas¨ y de STRESS).

– La capacidad de la célula de sensar, responder y controlar el stress es esencial para mantener la homeostasis.

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Además, el papel de las chaperoninas en el plegamiento de proteínas es múltiple. Hay chaperonas de diversos tipos se unen a los polipéptidos recién sintetizados en los ribosomas (arriba a la izquierda), a proteínas que atraviesan las membranas de diversos orgánelos (arriba en el centro) o a proteínas que se han desnaturalizado debido a cualquier tipo de estrés (arriba a la derecha).

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5. MODIFICACIONES POST-TRADUCCIONALES.

Dentro de las modificaciones covalentes, se encuentran las modificaciones a grupos funcionales (R) y cadenas laterales amino y carboxilo terminales.

Para el grupo R se han encontrado mas de 150 modificaciones covalentes diferentes. Estas modificaciones no se conocen para los siguientes aminoácidos: Ala, Gly, Ile, Leu, Met y Val.

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Descripción de algunos ejemplos:

1) Modificaciones amino- y carboxilo terminales. Inicialmente todos los polipéptidos empiezan con un residuo N-formilmetionina (en procariotas) o metionina (en eucariotas), pero en la mayoría de los casos son eliminados por reacciones post-traducción, por lo que no aparecen en proteína final. Un 50% de las proteínas eucarióticas tienen el extremo N-terminal acetilado. Los residuos C-terminales son también a menudo modificados.

2) Pérdida de secuencias señal. Son péptidos cortos de 15 a 30 aminoácidos que dirigen a la proteína hacia su destino final. Son eliminados por proteasas durante la síntesis.

3) Modificación de aminoácidos. Los grupos hidroxilo de serina, treonina y tirosina pueden ser fosforilados (la caseína de la leche contiene muchos grupos fosfoserina, que fijan calcio). Los grupos aspártico y glutámico pueden recibir grupos amino extras y la lisina es frecuentemente metilada o hidroxilada, al igual que la prolina, como ocurre en la formación del colágeno.

4) Unión de cadenas laterales glucídicas. Se unen covalentemente durante o después de la síntesis a residuos asparagina (oligosacáridos unidos por enlaces N) o a residuos de treonina o serina (oligosacáridos unidos por enlaces O). Es frecuente en proteínas extracelulares.

5) Adición de grupos isoprenilo. Los grupos isoprenilo provienen de la biosíntesis del colesterol. Las laminas (proteínas de la lámina nuclear) están modificadas de esta manera.

6) Adición de grupos prostéticos. Un ejemplo de la adición covalente de un grupo prostético luego de la síntesis es el grupo hemo del citocromo c y de la hemoglobina.

7) Modificación proteolítica. La insulina, las proteasas tripsina y quimotripsina y el colágeno, entre otros ejemplos, se sintetizan como precursores inactivos (proinsulina, tripsinógeno, quimotripsinógeno y protocolágeno, respectivamente) que luego deben ser hidrolizados parcialmente para convertirse en productos biológicamente activos.

8) Formación de puentes disulfuro. Pueden ser intra- o intercatenarias y se supone que ayudan a las proteínas que deben ser exportadas a mantener su estructura nativa.

H. FUNCIONES DEL REL.

1. SÍNTESIS, ALMACENAMIENTO Y TRANSPORTE DE LÍPIDOS Y ESTEROIDES (excepto los ácidos grasos y algunos fosfolípidos mitocondriales).

Los fosfolípidos y el colesterol constituyen el mayor porcentaje de lípidos de membrana. La síntesis se realiza en la cara citoplasmática del RE, donde se sitúan las enzimas específicas.

En la membrana del RE hay un translocador (FLIPASA) que cataliza el proceso de salto (flip) a la cara luminal del RE. Esta enzima actúa preferencialmente sobre los fosfolípidos de colina y no transloca los fosfolípidos de etanolamina.

También hay síntesis de ceramida, que en el A. de Golgi actúa de precursor de glucoesfingolípidos y esfingomielina. Estos lípidos son exclusivos de la cara no citosólica de las bicapas lipídicas que los presentan.

Hay proteínas citosólicas que participan en el transporte de fosfolípidos, desde el RE a las mitocondrias y peroxisomas. Estas proteínas de intercambio de fosfolípidos transfieren moléculas individuales entre membranas. Se ha propuesto que la fosfatidilserina es importada a la mitocondria de esta manera.

2. PROCESOS DE DETOXIFICACIÓN

Están catalizados por el citocromo P-450 (OXIDASA DE FUNCIÓN MIXTA QUE INCORPORA UN GRUPO HIDROXILO A LA MOLÉCULA). El Cyt P450 es un enzima con hierro ligado al grupo hemo, que capta los electrones de la NADPH-Cyt P450-reductasa y los cede al oxígeno molecular para formar H2O y un metabolito hidroxilado.

Metaboliza sustancias tóxicas exógenas, como insecticidas, herbicidas, conservantes, fármacos. son transformados en otras sustancias menos tóxicas y más hidrosolubles que pueden ser secretadas así o conjugadas con un producto de síntesis endógena como:

SUSTANCIA ENDÓGENO SUSTRATO DEL ENZIMA ENZIMA
AC. GLUCURÓNICO UDP-GLUCURÓNICO UDP-GLUCURONIL-TRANSFERASA
SULFATO PAPS (3-fosfoadenosina-5-fosfosulfato) SULFOTRANSFERASA
AMINOÁCIDOS GLICOCOLA y CISTEINA TRANSFERASA
ACÉTICO ACETIL-COLINA N-ACETIL-TRANSFERASA
GLUTATIÓN GLUTATIÓN GLUTATIÓN-TRANSFERASA
METILO SAM (S-adenosil-metionina) COMT (catecol-orto-metil-transferasa)

Este proceso se realiza en células de pulmón hígado, riñón, intestino y piel.

La síntesis del citocromo P450 está estimulada por:

– Fármacos: fenobarbital, rifampicina, fenitoina.

– Sustancias cancerigenas: benzopireno, fenantreno, antraceno etc.

Otras reacciones microsómicas de detoxificación llevadas a cabo por el Cyt P450 son:

– Desalquilación.

– Desaminación oxidativa.

– N-oxidación.

– Formación de sulfóxidos y sulfonas.

– Desulfuración oxidativa

3. CONDUCCIÓN DE IMPULSOS NERVIOSOS por el retículo sarcoplásmico del músculo estriado.

4. ALMACENA IONES como el calcio.

5. PRODUCCIÓN DE PIGMENTOS como la melanina.

6. GLUCOGENOLISIS.

I. FUNCIONES COMUNES DE AMBOS RETÍCULOS (REL y RER).

1. SOPORTE MECÁNICO del citoplasma debido a la red de canalículos que lo forman.

2. FORMACIÓN DE LIPOPROTEÍNAS. Las proteínas son sintetizadas en el RER y pasan al REL, donde se unen a los lípidos sintetizados por él. Las lipoproteínas van a ser transportadas mediante vesículas del aparato de Golgi.

3. TRANSPORTE Y ALMACENAMIENTO DE SUSTANCIAS EXTRA O INTRACELULARES como proteínas y productos captados por endocitosis.

4. TRANSPORTE INTRACELULAR.

5. CONTROL DE LA PRESIÓN OSMÓTICA CELULAR.

6. PARTICIPA EN EL TRASIEGO DE MEMBRANAS.

J. ORIGEN DE LAS MEMBRANAS DEL RE.

Se cree que se originan a partir de la membrana nuclear. Esta membrana nuclear se origina a partir del RE después de la mitosis.

Otros autores dicen que se desarrolla en el citoplasma, “de novo”, sin contribución de la envoltura nuclear.

Experimentos realizados con precursores de proteínas y lípidos marcados radiactivamente demostraron que durante el período de crecimiento rápido del RE, contribuye más el RER que el REL. Esto sugiere que el RER da origen al REL.

K. ESPECIALIZACIONES DEL RE.

1. LAMINILLAS ANILLADAS. Son de tres a cinco cisternas de retículo asociado a material electrodenso y que está en conexión con el RER.

2. CISTERNAS SUBMEMBRANOSAS O HIPOLEMMALES. Son cisternas conectadas con el RER que hay en las neuronas.

3. CUERPOS LAMELARES. Son cisternas relacionadas con el RER que llevan material electrodenso en su zona media.

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