Atlas de histología vegetal y animal

La incorporación de sustancias externas por parte de las células animales es esencial para su supervivencia. Ya vimos que algunas moléculas salvan la barrera que supone la membrana plasmática mediante difusión pasiva, a través de canales, mediante transportadores, o por bombas. En los años 60 del siglo XX se descubrió que la célula dispone de otro mecanismo para incorporar grandes cantidades de moléculas extracelulares de forma masiva: la endocitosis. Mediante endocitosis se incorporan moléculas extracelulares englobadas por membrana plasmática, que al cerrarse quedan en el interior celular, sobre todo en forma de vesículas, aunque también en forma de otros compartimentos más grandes. De la misma manera que mediante exocitosis hay un viaje de ida y fusión de vesículas con la membrana plasmática, la endocitosis es un proceso de formación de compartimentos membranosos en la membrana plasmática con contenido extracelular, los cuales se fusionan posteriormente con otros compartimentos internos, principalmente con los endosomas.

La endocitosis, además de la incorporación de moléculas externas en grandes cantidades, principalmente para su degradación, tiene otras funciones. Sirve para reciclar moléculas de la membrana plasmática que se incorporarán formando parte de la membrana de las propias vesículas o compartimentos que se formen. La endocitosis también compensa los procesos de exocitosis, es decir, elimina el exceso de membrana plasmática añadida por las vesículas de exocitosis y mantiene así una cantidad de membrana estable y funcional. Otra función de la endocitosis es controlar el nivel de receptores en la superficie de la membrana, y por tanto afecta a la sensibilidad de la célula a señales externas y su adhesividad, puesto que las proteínas de adhesión pueden ser retiradas de la superficie por endocitosis. Cada vez que se forma un compartimento membranoso se hace con membrana plasmática que contiene receptores y otras proteínas de membrana, regulando así la capacidad de la célula para captar señales externas. Aunque no es su función, la vía endocítica ese utiliza por muchas bacterias y virus como vía de entrada para infectar las células.

1. Selección de moléculas

Hay tres maneras por los que las moléculas pueden ser incorporadas por endocitosis: en forma soluble inespecífica o pinocitosis, unidas a receptores de membrana o endocitosis mediada por receptor, o formando parte de la membrana que constituirá la vesícula o compartimento que origina (Figura 1).

Pinocitosis

El término pinocitosis se refiere a la incorporación inespecífica de moléculas disueltas (Figura 1). No cabe duda de que parte del contenido de cualquier vesícula que se forme en la membrana plasmática tendrá moléculas disueltas que se hayan colado en el interior de la vesícula por difusión. Por tanto, en mayor o menor medida todas las rutas de endocitosis realizan pinocitosis. Hay tipos de endocitosis especializados en realizar pinocitosis, como es la macropinocitosis, donde la incorporación inespecífica de moléculas es su principal característica, como veremos más adelante.

Endocitosis mediada por receptor

La endocitosis mediada por receptor es el mecanismo de incorporación en vesículas de moléculas específicas reconocidas por receptores de la membrana plasmática (Figura 1). Se han descrito unos 25 tipos de receptores que actúan en este tipo de endocitosis. Con ellos la célula puede incorporar de forma muy eficiente moléculas o partículas que se encuentran disueltas a bajas concentraciones. Estas moléculas se unen a sus receptores y los complejos receptor-ligando (receptor-ligando) convergen en una zona de la membrana plasmática donde se forma la vesícula que posteriormente viaja hacia el interior celular. El ejemplo más llamativo es la captación de colesterol por parte de las células, el cual se transporta en la sangre unido a proteínas como, por ejemplo, las lipoproteínas de baja densidad (LDL). Las LDL son unos complejos que contienen una gran cantidad de moléculas de colesterol rodeadas por una capa lipídica y poseen una molécula proteica que sobresale al exterior. Cuando una célula necesita colesterol sintetiza receptores para las LDL y los traslada a la membrana plasmática. Entonces se produce el reconocimiento entre receptor y LDL, ambos se unen y muchos recepores-LDL se agrupan en una zona de la membrana plasmática donde se produce una invaginación. Una vez formada, la vesícula se dirige a orgánulos intracelulares donde las LDL son digeridas y el colesterol es liberado y metabolizado. Cuando se produce algún impedimento en la captación de colesterol, fundamentalmente por fallos en el reconocimiento por parte de los receptores de LDL o por su ausencia, el colesterol se acumula y puede producir arterioesclerosis e infarto de miocardio.

2. Tipos de endocitosis

Dependiendo del tamaño, del tipo de vesícula o compartimento, el mecanismo de formación, y la naturaleza del material a incorporar, se han descrito diversos tipos de endocitosis. Nosotros los vamos a agrupar en endocitosis mediada por vesículas recubiertas de clatrina, endocitosis mediada por caveolas, endocitosis mediada por vesículas no recubiertas y macropinocitosis. Vamos a estudiar también a la fagocitosis, una endocitosis un tanto especial porque es un proceso de incorporación de grandes partículas como bacterias o restos celulares, también englobados en membranas (Figura 2).

Vesículas recubiertas de clatrina

Es el principal mecanismo por el que se incorporan proteínas integrales y lípidos presentes en la membrana plasmática, así como macromoléculas extracelulares que generalmente no exceden los 156 nm, incluyendo algunos virus. La endocitosis mediada por clatrina es constitutiva y se produce continuamente. Se supone que actúa en el mantenimiento de las funciones normales de la célula. Las vesículas se forman en áreas de la membrana plasmática donde se asocia la proteína clatrina, que alterna entre el citosol y la membrana. En los fibroblastos estas áreas suponen un 2 % del total de la superficie de la membrana plasmática. La clatrina posee una estructura con tres brazos que se ensamblan entre sí formando pentágonos. Su estructura y su manera de asociarse parece que ayudan a la invaginación y cierre de la vesícula. La polimerización de la clatrina forma vesículas de unos 120 nm. Entre la clatrina y la membrana celular se disponen otras proteínas que participan en distintos aspectos de la formación la vesícula. Así, las proteínas adaptadoras seleccionan qué tipo de receptores de la membrana plasmática, junto con sus ligandos, van a ser incorporadas en las vesículas, puesto que interaccionan con el dominio citosólico de las proteínas integrales. El proceso de estrangulamiento para la formación de la vesícula es dependiente de dinamina. Una vez que la vesícula se ha cerrado, desconectado y alejado de la membrana, la clatrina de desensambla y la vesícula puede ir a orgánulos específicos dentro de la célula, normalmente los endosomas tempranos.

Las vesículas de clatrina se forman en unos 20 a 120 segundos, tiempo limitado fundamentalmente por el proceso de selección de las cargas y el reclutamiento de la clatrina desde el citosol. De hecho, la mayoría de las vesículas de clatrina que se inician abortan. En las membranas de los macrófagos y de las células epiteliales se forma una vesícula de clatrina cada 2 minutos por micrómetro cuadrado.

Caveolas

Se describieron en los años 50 del siglo XX por P. Palade gracias a imágenes de microscopía electrónica. Son unas pequeñas invaginaciones en la membrana plasmática (45-80 nm) presentes en la mayoría de las células eucariotas que posteriormente se pueden transformar en vesículas, aunque la proporción en que esto ocurre no está del todo clara. Son especialmente abundantes en las células endoteliales, musculares y adipocitos. En algunas células como las musculares, las caveolas pueden representar hasta el 50 % de la membrana plasmática, mientras que en otras células son muy raras, como en el hígado, o ausentes como en los tubos contorneados proximales del riñón. Las caveolas pueden asociarse entre sí y el conjunto conectarse a la membrana por un cuello simple, formando lo que se llaman rosetas o grupos de caveolas. No sólo se forman caveolas en la membrana plasmática sino que también se observan en el aparato de Golgi. Así que podrían funcionar como mecanismo de transporte entre el aparato de Golgi y la membrana plasmática para determinados tipos de moléculas. Cuando se internan desde la membrana plasmática, las vesículas resultantes de las caveolas se fusionan con los endosomas tempranos, aunque algunos autores consideran que lo hacen con un tipo especial de endosoma denominado caveosoma.

La membrana de las caveolas poseen una composición lipídica diferente al resto de las membrana plasmática ya que están enriquecidas en colesterol y esfingolípidos tales como esfingomielina y glicoesfingolípidos como el GM3. También contiene 2 tipos de proteínas típicas: las caveolinas y las cavinas. Además, poseen proteínas periféricas ancladas a glicosilfosfatidil-inositoles. Las moléculas que forman parte de las caveolas se pueden clasificar en centrales y accesorias. Las centrales son la caveolina1, caveolina3, cavina1 y pacsina/sindapina. La caveolina es una proteína esencial para las caveolas, puesto que su sola existencia hace que las células formen caveolas. La expresión de caveolinas en bacterias lleva a la formación de vesículas, por lo que esta proteína sería capaz por sí sola de inducir la invaginación de la membrana en sistemas modelo, pero en eucariotas hace falta también la cavina1. Los oligómeros de caveolinas pueden generar este ambiente de lípidos diferente. Hay de 100 a 200 moléculas de caveolina por caveola y existen diferentes tipos en una sola caveola. En mamíferos hay tres caveolinas: 1, 2 y 3. La caveolina 1 se expresa en el músculo liso y en la mayoría de las células no musculares, y es esencial para la formación de las caveolas en estas células. La caveolina 2, que se expresa junto con la caveolina 1, no es necesaria para la formación de las caveolas. La caveolina 3 se expresa en el músculo esquelético, cardiaco y algunas otras células no musculares. Es esencial para formar caveolas en estas células. Las caveolinas son proteínas pequeñas que oligomerizan y que unen colesterol. Tanto el extremo carboxilo como el amino de las caveolinas es citosólico, y la proteína se inserta en la membrana a modo de cuña. Las caveolinas se sintetizan en el retículo y se acumulan en el aparato de Golgi, donde forman oligómeros. El colesterol es necesario para la maduración y exporte de estos oligómeros. Las vesículas que transportan las caveolinas mantienen a sus moléculas juntas tras la fusión con la membrana plasmática, y allí empiezan a reclutar a las otras proteínas que forman las caveolas.

Las cavinas son otras proteínas presentes típicamente en las caveolas. Se ha estimado que hay unas 50 cavinas por caveola. Son proteínas periféricas de membrana con capacidad de unión a lípidos. Son reclutadas por las caveolas y estabilizan la formación de la caveola. Otras proteínas de las caveolas son la proteína EHD (Eps15 homology domain) que se une al cuello de la caveola. Las pacsinas son proteínas que tienen un domino F-BAR y son esenciales para la formación de la caveola durante la deformación de la membrana. La pacsina también podría estar implicada en captar dinamina II y EHD. En vertebrados, caveolina, cavina y pacsinas son necesarias para conseguir una caveola normal.

La escisión de las caveolas de la membrana plasmática depende de la proteína dinamina. Estas vesículas pueden volver a fusionarse con la membrana de nuevo o con un endosoma temprano. La membrana de la caveola en el endosoma temprano se mantiene unida y pude formar de nuevo otra vesícula que va a la membrana plasmática. Este movimiento depende tanto de los microctúbulos como de los filamentos de actina.

Las funciones de las caveolas, sin embargo, no están del todo claras. Aunque se ha propuesto un papel relevante en la endocitosis, esto no parece tener un gran soporte experimental. El papel de las caveolas como transportador de moléculas en la endocitosis global de una célula no parece ser muy importante, al menos si excluimos a las células endoteliales, musculares y adipocitos, puesto que sólo el 5 % de las caveolas se convierten en vesículas, al menos en células en cultivo. En fibroblastos y adipocitos se ha estimado que sólo un 1 % de las caveolas de la membrana plasmática dan lugar a vesículas en un intervalo de minuto. Se han propuesto otras funciones que incluyen modulación de la transducción de señales celulares, puesto que contienen numerosos receptores en sus membranas que son eliminados de la superficie celular como los receptores tirosina quinasa, el tráfico de lípidos entre la membrana y orgánulos interno, incluso se han postulado como participantes en los mecanismos de supresión de algunos tumores. Moléculas como la toxina colérica, el ácido fólico y otras moléculas entran a la célula gracias principalmente a las caveolas. También se ha sugerido que la variación en el número de caveolas de una célula podría influir en otros tipos de endocitosis, como los mediados por clatrina, gracias al secuestro de moléculas de membrana en las propias caveolas y el consiguiente cambio de composición de la membrana plasmática. Una teoría que está recibiendo más apoyo experimental es su papel en la regulación de la tensión mecánica de las membranas, de manera que la presencia de más o menos caveolas contrarrestaría tensiones en la membrana de la células. Esto explicaría por qué es abundante en endotelios, células musculares y adipocitos, cuyas membranas plasmáticas estarían sometidas a cambios bruscos de tensión. Además, en los endotelios parecen ser importantes durante el transporte transcelular mediante transcitosis.

Vesículas no recubiertas

Es la endocitosis de vesículas que no dependen de la clatrina ni de la caveolina. Estas vías se han descubierto porque se siguen produciendo procesos de endocitosis cuando se bloquean selectivamente las vías mediadas por clatrina y por caveolina. Esta ruta endocítica parece necesitar una señal para su activación. Algunas toxinas como las del cólera entran preferentemente por esta vía. No se conoce en detalle cuales son los mecanismos por los que este tipo de endocitosis selecciona a las moléculas que transportan. Se sospecha que se pueden concentrar e incorporar moléculas gracias a la acción de las balsas de lípidos. Tampoco se conoce si la formación de estas vesículas es un proceso regulado o no.

A veces se necesita una endocitosis muy rápida, que la clatrina no es capaz de aportar. Por ejemplo, en los terminales sinápticos hay unos pocos cientos de vesículas dispuestas a fusionarse con el terminal cuando llega una señal, pero si la señal es repetida el conjunto de vesículas se agotará rápidamente. Nuevas vesículas han de generarse en momentos puntuales de alta demanda a partir de vesículas de endocitosis, probablemente vesículas no recubiertas. Las vesículas de clatrina sólo serían suficientes en condiciones normales. Además, hay que retirar membrana tras un intensa exocitosis, que podrían retirarse en estas vesículas no recubiertas. También se ha encontrado este tipo de endocitosis rápida en otros tipos celulares como las células epiteliales.

Hay varios tipos de endocitosis rápidas: macropinocitosis (ver más abajo), endocitosis masiva dependiente de actividad, endocitosis rápida mediada por endofilina, endocitosis "kiss and run", y endocitosis ultrarrápida. Todas ellas son inducibles por señales como activación de ciertos receptores u otras señales que la célula detecta. La endofilina es una proteína que participa en la formación de vesículas de endocitosis no recubiertas. Es una molécula versátil capaz de reconocer cargas, curvar la membrana, y escindir una vesícula. La velocidad de formación de estas vesículas es de 1 a 10 s. Se le denomina FEME (Fast endophilin mediated endocytosis). Esta vía no es constitutiva y se inicia tras la acción de ciertos ligandos sobre sus receptores de membrana. Por estas vesículas consiguen entrar las toxinas del cólera y shiga. El mecanismo consiste en la unión de la endofilina a receptores activados (algunos asociados a proteínas G, los de la interleucina-2, y receptores tirosina quinasas). Esta unión hace que la endofilina atraiga a otras proteínas, como la sinaptotagmina y la dinamina, que favorecen la formación de la vesícula. La endofilina tiene dominios BAR que curvan la membrana. Otro tipo de endocitosis no recubierta es la denominada GLIC/GEEC, la cual se genera inicialmente a partir de túbulos, es independiente de dinamina, y se observa en el frente de avance de las células en movimiento y durante la citocinesis. Más ejemplos son las endocitosis dependiente de ARF6, Rac-1 y Src, dependiente de flotilina, endocitosis masiva dependiente de calcio, y otras. Todas estas vías se han propuesto ya que por ellas son incorporadas determinadas moléculas.

Macropinocitosis

Es un mecanismo de endocitosis mediante el cual se incorporan grandes cantidades de fluido extracelular. En la superficie celular se crean evaginaciones o extensiones del citoplasma a modo de ola con base más o menos circular cuyas crestas se fusionan o caen sobre la membrana plasmática, y se fusiona formando una gran vesícula interna o macropinosoma, compartimento de 0,2 a 10 µm de tamaño. El mecanismo de formación de los macropinosomas involucra a los mismos componentes que actúan durante la fagocitosis: los filamentos de actina y las proteínas motoras miosina. La diferencia es que no se engloba a una partícula sólida de manera selectiva. Inicialmente se forma un anillo o semiluna de actina que puede tener varios micrómetros de diámetro. Cuando el anillo está en proceso de formación, o cuando ya está cerrado, desde su perímetro polimerizan filamentos de actina que empuja hacia afuera la membrana plasmática. El lugar donde se inicia la macropinocitos viene marcado por una concentración de proteínas Ras y del fosfoinosítido PIP3. PIP3 podría participar en la captura de moléculas que favorecen la polimerización de actina y la expansión de la membrana, tales como la proteínas motora miosina. Cuando se forma el macropinosoma PIP3 desaparece de su membrana.

La macropinocitosis se cree que es un mecanismo ancestral utilizado para captar alimento. De hecho, se puede generar con factores de crecimiento. De hecho hay una conexión entre la digestión en los lisosomas y la macropinocitosis a través de un sensor de la degradación proteica en los lisosomas como es mTOR. Pero ha ido adquiriendo otros propósitos en los metazoos. Así, se puede inducir por citocinas, quimiocinas, patógenos y actividad celular. Hay células que parecen tener una macropinocitosis constitutiva, como los macrófagos para incrementar su capacidad de limpiar el medio circundante, o las células dendríticas para captar material extracelular, procesarlo, y poder presentar antígenos a las células T. En general, sin embargo, la macropinocitosis no es un proceso constitutivo sino inducible. Por ejemplo, las neuronas hacen macropinocitosis cuando tienen una actividad muy elevada, probablemente para eliminar membrana plasmática tras un periodo intenso de exocitosis. También se activa en condiciones patológicas como en las células cancerosas para alimentarse del medio que las rodea. Numerosos patógenos emplean la macropinocitosis como medio de entrada en la célula, tales como bacterias, virus como el de ébola, o incluso los priones.

Fagocitosis

Es un tipo especial de endocitosis que consiste en la incorporación de partículas de gran tamaño como son bacterias, restos celulares y virus. Este mecanismo lo llevan a cabo células especializadas como son los macrófagos, neutrófilos y las células dendríticas. Un ejemplo claro son los macrófagos que fagocitan a los complejos formados por inmunoglobulinas unidas a otras partículas que pueden ser virus o bacterias. También son los encargados de eliminar miles de glóbulos rojos al día. Los macrófagos suelen ser residentes de tejido. Por ejemplo, las células de Kupffer en el hígado, la microglía se localiza en el encéfalo y otros particulares en la médula ósea, que tienen además la misión de eliminar los núcleos de los eritrocitos liberados durante su maduración en mamíferos. Los protozoos utilizan la fagocitosis para alimentarse. Es probable que la fagocitosis haya evolucionado de un mecanismos de conseguir comida por parte de los organismos unicelulares a un mecanismo de defensa y limpieza en los pluricelulares.

El proceso de fagocitosis supone un reconocimiento de la partícula por parte de la célula mediante receptores de membrana y la emisión de unas protuberancias laminares o pseudópodos de citoplasma rodeadas por membrana. Los receptores que reconocen a las partículas a fagocitar se unen a moléculas de la superficie de los patógenos, o a la fosfatidilserina de las células apoptóticas, o a las inmunoglobulinas G y componentes del complemento del sistema inmune. Cuando estos receptores unidos a sus ligandos se agrupan disparan el proceso de fagocitosis. Se necesita una cantidad mínima de receptores unidos a sus ligandos para que se de la fagocitosis, si no es así ésta se detiene, de manera que cuando la partícula no tiene suficiente ligando no será incorporada. Sin embargo, los macrófagos tienen una gran diversidad de receptores con diferentes selectividades, que trabajan de manera cooperativa.

Este proceso de emisión de expansiones citoplasmáticas para englobar a la partícula está mediado por los filamentos de actina y las proteínas motoras miosina. Tales protuberancias rodean a la partícula, fusionan sus frentes de avance y encierran a la partícula formando una gran vesícula o fagosoma que se separa de la superficie y se interna en la célula para ser digerida. El cierre del fagosoma para independizarse de la membrana plasmática requiere de la proteína dinamina. La fagocitocis requiere de una señal de reconocimiento para disparar el proceso. Una vez formado el fagosoma se fusionará con los lisosomas para la degradación de su contenido.

• Bibliografía ↷

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