Seminario Cátedra de BiologíaEsquema de un lisosoma Profesor: Emmanuel Ale Integrantes: *Almirón, Carolina *Apaza, Nicolás *Correa Brito, Lourdes *Fara, M. Agustina *Gómez, M. Julieta *Guchea, Gonzalo *Navarro, Bruno *Oliva, M. José *Racedo, Carolina Detalle de eosinófilo (leucocito de tipo granulocito pequeño derivado de la múdula osea) Se destacan numerosos lisosomas de morfología especial. Microfotografía que muestra un macrófago (Son grandes células derivadas de los monocitos sanguíneos, que penetran de la sangre al conectivo y se transforman en macrófagos.) en el que se observan fagolisosomas . Lisosomas. Los lisosomas son orgánulos rodeados de membrana que contienen una serie de enzimas capaces de degradar todas las clases de polímeros biológicos (proteínas, ácidos nucleicos, carbohidratos y lípidos). Los lisosomas funcionan como el sistema digestivo de la célula, sirviendo tanto para degradar el material captado del exterior de la célula como para digerir los componentes obsoletos de la propia célula. En su forma más sencilla, los lisosomas se observan como vacuolas esféricas densas, pero pueden exhibir diversidad de tamaños y de formas en función de los distintos materiales que hayan captado. Por tanto, los lisosomas representan orgánulos morfológicamente diversos definidos por la función común de degradar material intracelular. Se encuentran en todas las células animales. No se ha demostrado su existencia en células vegetales. Los lisosomas contienen alrededor de 50 tipos de enzimas *hidrolíticas. *Las enzimas se clasifican en varias categorías: hidrolíticas, oxidantes y reductoras, dependiendo del tipo de reacción que controlen. Enzimas hidrolíticas: conocidas como hidrolasas, aceleran las reacciones en las que una sustancia se rompe en componentes más simples por reacción con moléculas de agua. Enzimas oxidativas: conocidas como oxidasas, aceleran las reacciones de oxidación, Enzimas reductoras: aceleran las reacciones de reducción en las que se libera oxígeno. Otras enzimas catalizan otros tipos de reacciones. Así es que podemos decir que un lisosoma contiene enzimas hidrolíticas (hidrolasas ácidas porque actúan en condiciones ácidas) por lo que el pH del lisosomas es de aproximadamente 5. Las enzimas más importantes del lisosoma son: Lipasas, que digiere lípidos; Glucosidasas, que digiere carbohidratos; Proteasas, que digiere proteínas; Nucleasas, que digiere ácidos nucleicos. Las enzimas se denominan añadiendo “asa” al nombre del sustrato con el cual reaccionan. La membrana del lisosoma: -Mantiene estas enzimas destructivas fuera del citosol (cuyo pH es alrededor de 7,2), pero la dependencia ácida de las enzimas protege al contenido del citosol de cualquier daño aun si se produjera alguna fuga. -Contiene proteínas transportadoras específicas que permiten que los productos finales de la digestión de las macromoléculas, sean transferidos al citosol, desde donde la célula pueda excretarlos o utilizarlos. -Contiene también una bomba de protones (H+) impulsada por ATP, lo que origina que la ATPasa bombee protones hacia el lisosoma y, de esta manera, mantiene su contenido en un pH ácido. -Las proteínas que la membrana se encuentran altamente glucosiladas; los azúcares, que cubren gran parte de la superficie interna de la proteína (que enfrenta la luz), la protege de la digestión por las proteasas lisosómicas. ¿Dónde se sintetizan las proteínas de membrana y las enzimas hidrolíticas especializadas del lisosoma¿ Estas proteínas y enzimas hidrolíticas se sintetizan en el Retículo Endoplasmático Rugoso (RER) y se transportan a través del complejo de Golgi hacia la red trans. En el RE y en la red cis del complejo de Golgi las enzimas están marcadas con un azúcar fosforilado específico (manosa 6-fosfato), de modo que cuando llegan a la red trans pueden ser reconocidas por un receptor adecuado, el receptor de la manosa 6-fosfato. Esta marcación permite distribuir y empaquetar a las enzimas en vesículas de transporte, que luego formaran el lisosoma propiamente dicho. En más detalle lo que ocurre es 1ª) Como sabemos las enzimas lisosómicas son sintetizadas en los poliribosomas unidos a la membrana del retículo endoplasmático (RER). Cada una de estas proteínas contiene una secuencia de a.a hidrofóbicos en el extremo NH3 terminal conocida como péptido señal, que interactúa con la partícula de reconocimiento a la señal, lo cual inicia el transporte a través de la membrana del R.E.R hacia el lumen de este organelo, donde la proteína experimenta glucosilación de residuos de Aspargina, que involucra la transferencia de un complejo oligosacárido que forma parte del dolicol presente en la membrana del R.E, al péptido naciente. En el lumen del R.E.R el péptido señal es eliminado y el procesamiento del oligosacárido unido a la Aspargina comienza con la escisión de tres residuos de glucosa y uno de manosa. 2º) Las proteínas entonces se mueven a través de vesículas de transporte al A. de Golgi donde experimentan diferentes modificaciones. El direccionamiento de las proteínas lisosomales ocurre cuando estas adquieren un residuo de manosa-6-fosfato a través de la acción concertada de dos enzimas; la UDP-N-Acetil glucosamina-fosfo-transferasa que transfiere N-acetil glucosamina 1P del UDP-N-acetil glucosamina a residuos específicos de manosa en la proteína lisosómica para dar lugar a un intermediario fosfodiéster. Entonces, otra enzima, una fosfodiester glucosidasa, separa el residuo N acetil glucosamina. El resultado es la presencia de un residuo de manosa-6-fosfato en la proteína que constituye un marcador de reconocimiento para la unión a un receptor de alta afinidad por la manosa-6 fosfato, presente en el A. de Golgi. Este receptor es una proteína de 250 Kd la cual se encuentra concentrada en las cisternas Cis Golgi en vesículas recubiertas. 3º) El complejo proteína lisosómica-receptor se libera en el área de tráfico prelisosomal donde se produce su disociación cuando en la vesícula recubierta de clathrina la bomba de H comienza a actuar y el pH se hace cada vez más bajo hasta que los receptores pierden afinidad por la manosa-6fosfato y las hidrolasas quedan libres. Esta separación permite que cada uno tenga destinos diferentes. El receptor regresa al A. de Golgi para unirse a nuevas moléculas de ligandos y las enzimas lisosómicas quedarán empaquetadas en los vesículas que emergen por gemación del A. de Golgi. Las vesículas prelisosomales son organoides derivados del sistema de endomembranas. Cada vesícula brota del aparato de Golgi, con un contenido de enzimas hidrolíticas (hidrolasas). Las hidrolasas son sintetizadas en el REG y viajan hasta el aparato de Golgi por transporte vesicular. Allí sufren una glicosilación terminal de la cual resultan con cadenas glucídicas ricas en manosa-6fosfato. La manosa 6-P es el marcador molecular, la “estampilla” que dirige a las enzimas hacia la ruta de los lisosomas. La clatrina que es una proteína de cubierta, ayuda en el proceso de la gemación de la vesícula; se encuentra en la última cisterna del Golgi (cara trans) en el sentido de la ruta secretora. Luego de producirse la gemación esas proteínas de cubierta son liberadas y la vesícula se almacena en el citoplasma. Este proceso de secreción es del tipo regulado (secreción regulada). Cuando un endosoma (que contiene una sustancia a degradar) se fusiona con esta vesícula, los receptores de las enzimas se van a desprender de ellas debido a un cambio conformacional proporcionado por la variación de pH (más bajo) en el endosoma; estos receptores regresan al Aparato de Golgi para unirse a nuevas enzimas especificas lisosomales. De acuerdo con su origen, los materiales siguen vías diferentes hacia los lisosomas: 1- Las vesículas pre-lisosomales (que contienen las enzimas hidrolíticas digestivas) son llevadas son llevadas a los lisosomas desde el retículo endoplasmático (donde son producidas) a través del aparato de Golgi. 2- Las sustancias que van a ser digeridas llegan por al menos tres vías, dependiendo de su origen, como ya dijimos. VIA 1: De estas posibles vías de degradación en los lisosomas, la mejor estudiada es la que involucra a macromoléculas tornadas del medio externo por medio de endocitosis. Las moléculas endocitadas son inicialmente depositadas en vesículas pequeñas y de forma irregular llamadas endosomas tempranos. A partir de estos, algunas de las moléculas ingeridas son selectivamente devueltas o recicladas a la membrana plasmática, mientras que otras pasan a constituir los endosomas tardíos. A continuación, por medio de la fusión del endosoma con una vesícula que contiene las enzimas hidrolíticas, comienza la degradación de las macromoléculas. Aquí se forma el LISOSOMA PROPIAMENTE DICHO. El interior de los endosomas tardíos es medianamente ácido (pH cercano a 6). Los lisosomas maduros se forman a partir de los endosomas tardíos, aunque este proceso no está dilucidado con detalle (o bien se transforman en lisosomas o se fusionan). Ejemplos 1) y 2) Ejemplo 1: Pinocitosis: las células eucariontes ingieren de manera continua partes de su membrana plasmática en forma de vesículas pinocíticas pequeñas que más tarde se devuelven a la superficie celular. Las microfotografias electrónicas muestran la secuencia de acontecimientos en la formación de una vesícula recubierta por clatrina a partir de una fosa. Las fosas y las vesículas recubiertas con clatrina que se muestran aquí son inusualmente grandes y se forman en la membrana plasmática de un oocito de gallina. Participan en la captación de partículas formadas por lípidos y proteínas dentro del oocito, que forman el huevo. Después de desprenderse de la membrana plasmática (el estrangulamiento se produce por la medio de la dinamina) las vesículas (endosomas primarios) pierden con rapidez su cubierta y se fusionan o se convierten (no está especificado) con un endosoma tardio. El líquido extracelular queda atrapado en la fosa a medida que se invagina y forma una vesícula; de esta manera se internalizan las sustancias disueltas en el líquido extracelular y se envían a los endosomas. En general, esta captación de líquido se equilibra durante la exocitosis. Finalmente, el endosoma tardía se une a una vesícula proveniente del Golgiq que contiene las enzimas hidróliticas y se forma el lisosoma. Ejemplo 2: Endocitosis mediada por receptor: En la mayoría de las células animales la pinocitosis mediada por las vesículas recubiertas por clatrina proporciona también una vía eficaz para la captación de macromoléculas especificas a partir del líquido extracelular. Las macromoléculas se unen a los receptores complementarios localizados sobre la superficie celular e ingresan en la célula como complejos macromolécula- receptor dentro de las vesículas rcuebiertas por clatrina. Un ejemplo importante de endocitosis mediada por receptor es la capacidad de las células animales para captar el colesterol que requieren para elaborar membrana nueva. El colesterol es extremadamente insoluble, y se transporta en la sangre unido a proteínas en la forma de partículas conocidas como lipoproteínas de baja densidad o LDL. La LDL se une a receptores localizados en las superficies celulares y los complejos receptor-LDL se ingieren por endocitosis mediada por receptor y se envían a los endosomas. El interior de los endosomas es más ácido que el citosol circundante o líquido extracelular, de modo que, en este ambiente más ácido, la LDL se disocia del receptor: los receptores regresan a la membrana plasmática en vesículas de transporte donde son reutilizados, mientras que la LDL se transfiere a los lisosomas. La LDL ingresa a la célula por medio de la endocitosis mediada pro receptor. La LDL se une a los receptores que se encuentran sobre la superficie celular e ingresan en las vesículas recubiertas por clatrina. Las vesículas pierden sus cubiertas y luego se fusionan con endosomas. En el ambiente ácido del endosoma, la LDL disocia de sus receptores. Mientras que la LDL termina en los lisosomas donde se degrada liberando colesterol; los receptores de la LDL vuelven a la membrana plasmática con las vesículas de transporte y pueden ser utilizados de nuevo VIA 2: Una segunda vía de degradación en lisosomas es usada en todos los tipos celulares para eliminar las partes obsoletas de la misma célula, en un proceso denominado autofagia. En una célula del hígado, por ejemplo, una mitocondria promedio posee una vida útil de alrededor de 10 días, e imágenes de microscopía electrónica muestran lisosomas que contienen mitocondrias. El proceso al parecer comienza con el encierro del un organelo pro membranas derivadas del retículo, creando un autofagosoma, el cual posteriormente se fusiona con un lisosoma. Este proceso está altamente regulado, y componentes seleccionados pueden ser “marcados” para ser destruidos durante el remodelamiento celular. VIA 3: La tercera vía que provee materiales para degradación en los lisosomas ocurre principalmente en células especializadas en la fagocitosis de partículas de gran tamaño y microorganismos. Estas células envuelven dichos objetos formando un fagosoma, que luego es convertido en un lisosoma de manera similar a como ocurre en el caso de los autofagosomas. Lo que queda del lisosoma secundario después de la absorción es un cuerpo residual. Los cuerpos residuales contienen desechos no digeribles que en algunos casos se exocitan y en otros no, acumulándose en el citosol a medida que la célula envejece. Un ejemplo de cuerpos residuales son los gránulos de lipofuscina que se observan en células de larga vida, como las neuronas. La teoría predominante es que la lipofuscina representa, fundamentalmente, los restos de la degradación lisosomal de las mitocondrias dañadas. Neurona del hipocampo en la cual se observa la acumulación de lipofuscina en el citoplasma. Se ha sugerido que cuando este pigmento alcanza unos niveles críticos de densidad, altera la funcionalidad de la célula e induce su muerte (imagen original de Dámaso Crespo Santiago). La alteración de los lisosomas son causa de muchas enfermedades: Hasta ahora, cerca de 40 enfermedades lisosomales han sido identificadas y pueden deberse a mutaciones del gen que codifica una enzima lisosómica y que conduce a una enzima inactiva o más sensible a la inactivación, o pueden relacionarse entonces con defectos que alteran la estructura correcta de las cadenas de carbohidratos en las enzimas lisosómicas que resulta en una deficiencia enzimática de todas las enzimas que son dependientes de la vía de la manosa-6-fosfato para llegar al lisosoma (7). Causas de las deficiencias de enzimas lisosomales 1.- El precursor de la enzima no se ha sintetizado o se sintetiza poca cantidad del mismo. 2.- Ausencia de manosa-6-fosfato debido a la ausencia de alguna de las enzimas relacionadas con la fosforilación de la manosa o por modificación del sitio de glucosilación de la proteína. 3.- El precursor o la enzima madura pueden tener alteradas las propiedades físico-químicas y/o enzimáticas. 4.- La enzima puede ser degradada rápidamente debido a la ausencia de una proteína protectora requerida para su estabilización. 5.- Ausencia de un factor requerido para la actividad de la enzima. 6.- El producto que se acumula como resultado de la deficiencia de una enzima inhibe la actividad de otra. Ej: *Artritis reumatoidea en la cual los cartílagos son erosionados por los lisosomas. *Acumulación de glucógeno o glucolípidos por falta de alguna enzima lisosómica *Hueso por intoxicación de vitamina A. La degradación intracelular no se lleva a cabo solo por lisosomas sino también por proteosomas: Degradación Intracelular Lisosomal No Lisosomal Lisosomas Degradan proteínas de vida Media larga. Ej: receptores. Involucra procesos como La endocitosis: fagocitosis y autofagocitosis Proteosomas Degradan proteínas de vida Media corta Ej: proteínas mal plegadas. Involucra el sistema de ubiquitinación Bibliografía -Alberts B, Bray D, Hopkin K, Johnson A, Lewis J, Raff M, Robert K, Keith R, Peter W. Introducción a la Biología Celular. 3º Edición. México. Editorial Panamericana, 2011 -Cooper G, Hausman R. La Célula. 5º Edición. España. Marbán Libros S.L., 2009