Los fosfoinosítidos son lípidos de membrana, no muy abundantes en comparación con otros lípidos de membrana, localizados sobre todo en la monocapa citosólica de las membranas celulares. Tienen una gran influencia en la fisiología celular puesto que además de formar parte integral de las membranas celulares tienen un amplio rango de funciones: son necesarios para el buen funcionamiento de muchos canales de membrana, actúan como segundos mensajeros y condicionan la identidad y la fisiología de los orgánulos celulares y de la membrana plasmática. La aparición de los fosfoinosítidos en la evolución está relacionada con el desarrollo de compartimentos membranosos intracelulares y el tráfico vesicular. Una característica única de los fosfoinosítidos es que pueden ser fosforilados y defosforilados en varios sitios de su molécula por una diversidad de proteínas quinasas y fosfatasas que se asocian a las membranas. La combinación de sitios fosforilados y no fosforilados determina el tipo de fosfoinosítido y por tanto su función. Por ejemplo, pueden ser reconocidos por unas o otras proteínas citosólicas o integrales de membrana que dependen de ellos para su actividad.
1. Estructura molecular
Los fosfoinosítidos son glicerofosfolípidos. Una molécula de fosfoinosítido está formada por dos cadenas ácidos grasos unidas por enlaces éster a una molécula de glicerol. A esta molécula se le llama diacil-glicerol. Una característica de los fosfoinosítidos es que frecuentemente uno de las cadenas de ácidos grasos es un ácido araquidónico. El diacil-glicerol se activa por una molécula de citidin-difosfato (CDP) resultando en el CDP-diacil-glicerol. La síntesis de fosfoinositol supone la liberación de la citidina y de un fosfato, y la unión covalente de un grupo inositol al fosfato remanente, teniendo así un fosfatidil inositol o PdtIns (Figura 1).
El grupo inositol del PtdIns tiene hasta 5 grupos -OH donde puede ser fosforilado por enzimas quinasas (Figura 1), pero en la célula sólo se han encontrado fosforilaciones en las posiciones 3, 4 y 5. Esto da un total de 7 posibles combinaciones que dan a otros tantos tipos de fosfoinosítidos. Hay fosfatasas que eliminan grupos fosfatos selectivamente y quinasas que los añaden, por lo que un tipo de fosfoinosítido puede ser rápidamente convertido en otro. El patrón de fosforilación cambia según la presencia o ausencia de estas enzimas, de manera que la distribución celular de distintos tipos de fosfoinosítidos es regulada en tiempo real.
La anotación es PtdIns4P cuando está fosforilado sólo en la posición 4, PtdIns(4,5)P2 si está fosforilado las posiciones 4 y 5, PtdIns(3,4)P2 si lo está en las posiciones 3 y 4, PtdIns(3,4,5)P3 si lo está en las tres posiciones: 3, 4 y 5, y PdtIns si no está fosforilado en dichas posiciones.
Enzimas
La conversión de unos fosfoinosítidos en otros depende de la acción coordinada de quinasas, fosfatasas y lipasas. Las quinasas se pueden dividir en dos grupos, aquellas que dan fosfoinosítidos monofosforilados y aquellas que producen fosfoinosítidos di- y tri-fosforilados. Hay una variedad de estas enzimas que se distribuyen de manera desigual por la célula de manera que pueden formar diferentes tipos de fosfoinosítidos. Las fosfatasas son igualmente importantes para cambiar los tipos de fosfoinosítidos localmente. Estas enzimas son variadas y especializadas en la eliminación del fósforo en determinados sitios. Así, tenemos a las 5-fosfatasas que eliminan el fósforo del lugar 5 del inositol. Por último, las fosfolipasas C son enzimas que rompen el enlace fosfodiéster dando diacil-glicerol y el inositos fosfatado.
2. Distribución
Los fosfoinosítidos representan hasta un 10 a 20 % del número de fosfolípidos totales de la célula. La frecuencia de cada tipo de fosfoinosítidos varía según el tipo celular y el tipo de organismo (animales, plantas, hongos).
Los fosfoinosítidos se sintetizan en el retículo endoplasmático a partir de diacil-glicerol-CDP y myo-inositol por la PtdIns sintasa. Al contrario que la síntesis de otros lípidos, el diacial-glicerol es una molécula activada (CDP-DG), pero no el inositol. Esta activación también se produce en el retículo endoplasmático. Una vez sintetizado, el fosfoinosítido se distribuye a otras membranas de la célula por dos mecanismos: proteínas transportadoras de lípidos que actúan sobre todo en los lugares de contactos entre membranas, y en vesículas por tráfico vesicular. Sin embargo, hay que tener en cuenta que los distintos tipos de fosfoinosítidos se pueden eliminar y transformar en cualquier membrana.
Aunque la distribución de los fosfoinosítidos en las membranas celulares no es un todo o nada hay una tendencia a que algunos de ellos sean más abundantes en determinadas membranas. Las quinasas y fosfatasas que determinan la naturaleza final de los fosfoinosítidos se distribuyen en distintos compartimentos de la célula y tienen que ser reclutadas desde el citosol hasta la superficie de las membranas para llevar a cabo su función. Así, PtdIns4P aparece sobre todo en el lado trans del aparato de Golgi y en la membrana plasmática. PtdIns3P está presente en los endosomas tempranos, PtdIns5P en varios compartimentos como la membrana plasmática, endomembranas y núcleo, PtdIns(4,5)P2 es el más abundante de todos los fosfoinosítidos, y está presente en la membrana plasmática. En la membrana plasmática, PtdIns(4,5)P2 es el precursor de PtdIns(1,4,5)P3 y diacil-glicerol tras la activación de la fosfolipasa C, es precursor de PtdIns(3,4,5)P3, y además tiene sus propias funciones en la membrana. PtdIns(3,4)P2 es quizás el menos abundante de los fosfoinosítidos y se localiza en la membrana plasmática y otros compartimentos internos. PtdIns(3,5)P2 es característico de los endosomas tardíos/cuerpos multivesiculares. PtdIns(3,4,5)P3 es muy escaso y aparece en la membrana plasmática y algunos compartimentos internos.
Hay varios tipos de proteínas transportadoras de lípidos que transportan fosfoinosítidos entre membranas, y que se agrupan en las clase I, IIa y IIb. Parece que el papel de estos transportadores es más complejo que el mero transporte y se ha observado que las enzimas que modifican a los fosfoinosítidos pueden actuar cuando el lípido está en la propia proteína transportadora. Las membranas de distintos compartimentos están a veces tan cerca (unos 15 nm) que se forman puentes proteicos a través de los cuales se pueden traspasar lípidos entre ellas. Estos son los lugares de contacto de membranas y se dan entre prácticamente todos los compartimentos, pero es el retículo endoplasmático el que más contactos establece con otros orgánulos. En estos sitios de contacto entre membranas se intercambian fosfoinosítidos gracias a las proteínas transportadoras de lípidos. Quizá el mejor caracterizado es el contacto entre el retículo y la membrana plasmática, donde se intercambia fosfoinosítidos, además de fosfatidilserina y colesterol. Uno de los fosfoinositoles trasnpostardos es el PtdIns (sin fosforilar) . Estas transferencias se realizan mediante proteínas transportadoras (TMEM24 y otras proteínas transportadoras de lípidos como Nir2 y Nir3). El PtdIns será la base para sintetizar por fosforilación otros fosfoinosítidos. En estos contactos también se transfiere PtdIns4P desde la membrana plasmática al retículo a cambio de un transporte de fosfatidilserina desde el retículo a la membrana plasmática. PtdIns4P es rápidamente defosforilado a PtdIns en las membranas del retículo. En los contactos entre el retículo y el Golgi hay un intercambio de colesterol desde el retículo al Golgi a cambio de que PdtIns4P pase a las membranas del retículo. De nuevo, PtdIns4P es degradado a PdtIns, pero es sintetizado en el Golgi. El gradiente de PtdIns4P Golgi-retículo impulsa el movimiento de colesterol desde el retículo al Golgi. El colesterol se sintetiza en el retículo endoplasmático.
3. Función
Hl número de grupos fosfatos y la posición que ocupan en el inosítido es un código con un significado que es usado por la célula. Para conseguir cada una de las formas posibles hay enzimas quinasas y para eliminarlas hay fosfatasas, ambas reguladas a su vez por otras vías de señalización. La acción de los fosfoinosítidos se debe a su interacción directa con moléculas de la propia membrana o porque hacen que ciertas proteínas se asocien con la membrana para realizar su función. Estas asociaciones son debidas a que algunas proteínas tienen dominios para reconocer a determinados fosfoinosítidos. Hay otros que al degradarse son moléculas señalizadoras en el citosol.
Interacción con canales iónicos y transportadores
Una gran parte de los canales de iones de membrana, y algunos transportadores, requieren de fosfoinosítidos para funcionar correctamente o para su regulación. Cambios en la concentración o en los tipos de fosfoinosítidos pueden afectar a las corrientes de iones a través de estos canales. Por ejemplo, el PtdIns(3,5)P2 modifica la actividad de las bombas de calcio en la membrana plasmática y la ATPasa-Ca2+ de la membrana del retículo es modulada por fosfoinosítidos. Los fosfoinosítidos modulan también el intercambiador Na+/Ca2+ y el canal de potasio K+-ATP. Estas interacciones se suelen dar en la interfaz entre la membrana y el citosol, donde los dominios proteicos citosólicos pueden interactuar con las cabezas fosforiladas de los fosfoinosítidos, por ejemplo, alterando propiedades alostéricas o facilitando la interacción con otras molećulas.
Hilgemann (1996) propuso que esto podía ser un mecanismo interesante para activar a canales, bombas y transportadores cuando estaban en la membrana apropiada. Así una proteína que tiene que actuar en la membrana plasmática, y que se sintetiza en el retículo, no se activa hasta que llega a donde hay un ambiente apropiado creado por un tipo o conjunto de fosfoinosítidos determinado. También podría valer para proteínas que tienen que activarse en los lisosomas, endosomas o cualquier otro compartimento.
Segundos mensajeros
La degradación de PtdIns(3,5)P2 por la fosfolipasa C libera diacil-glicerol y Ins(1,4,5)P3. Ambos son segundos mensajeros. Hay muchas moléculas moduladas por diacil-glicerol, entre ellas la proteínas quinasa C. El Ins(1,4,5)P3 es liberado en el citosol donde difunde hasta las membranas del retículo endoplasmático e induce la liberación de calcio gracias a su acción sobre 3 tipos de receptores. Desde la membrana también se activan quinasas asociadas con los factores de crecimiento.
Membranas
La dinámica de las membranas en las células eucariotas está mediada por las proteínas que se asocian con ella. Muchas de estas proteínas son capaces de asociarse a ellas porque poseen dominios que reconocen a distintos lípidos de membrana, entre ellos los fosfoinosítidos. Hay proteínas que tienen afinidad diferencial por los distintos tipos de fosfoinosítidos. Curiosamente la afinidad de estas proteínas por los fosfoinosítidos es relativamente baja, por lo que a veces necesitan de la presencia de otras proteínas, tales como pequeñas GTPasas, para unirse a la membrana. De cualquier manera esta asociación está mediada por las cabezas de los lípidos que forman la monocapa citosólica, que son capaces de anclar una gran variedad de estas proteínas de manera específica.
Retículo endoplasmático
El precursor inicial de los fosfoinosítidos es el PtdIns, que se sintetiza en el retículo endoplasmático. En los lugares de salida de vesículas desde el retículo endoplasmático al aparato de Golgi se fosforila el PtdIns a PtdIns4P, es empaquetado en el vesícula recubiertas COPII. En la membrana de dichas vesículas es transportado hasta el aparato de Golgi. La presencia de PtdIns parece importante para la fusión de estas vesículas en el dominio cis del aparato de Golgi.
Las membranas del retículo hacen contactos con membranas de otros compartimentos como el lao trans del aparato de Golgi, los endosomas, la mitocondria y la membrana plasmática. En estos contactos suele haber un intercambio de fosfoinosítidos. Por ejemplo, en los contactos con el lado trans del aparato de Golgi y con la membrana plasmática el retículo dona colesterol y recibe PtdIns4P (ver más abajo), el cual es rápidamente convertido en PtdIns.
Aparato de Golgi
El aparato de Golgi recibe el PtdIns4P, el cual participa en la formación de vesículas recubiertas por clatrina en el domino trans del aparato de Golgi. Además, el PtdIns4P es reconocido por proteínas del Golgi que interaccionan con los filamentos de actina y colaboran en la organización morfológica general del aparato de Golgi.
Exocitosis
La exocitosis es la fusión de vesículas con la membrana plasmática. Estas vesículas pueden ser liberadas desde el lado trans del aparato de Golgi y desde los endosomas. En los endosomas, es interesante que en aquellas zonas donde se van a producir vesículas de reciclado hacia la membrana plasmática hay un aumento del número de PtdIns4P. En los endosomas el PtdIns4P se forma a partir de la defosforilación de PtdIns3P, que es luego fosforilado a PtdIns4P. En este caso, PtdIns4P parece necesario para reclutar a la maquinaria de exocitosis y parece necesario para formar vesículas con una identidad secretora.
El lugar de fusión de las vesículas de secreción con la membrana plasmática está marcado por PtdIns(4,5)P2 y proteínas GTPasas de la familia Rho. Las proteínas que forman parte del complejo exocítico son capaces de reconocer la combinación de ambas moléculas. Una vez anclada la vesícula, la fusión de la membrana de la vesícula y de la membrana plasmática está mediada por las proteínas SNARE, que también necesitan la presencia de fosfoinosítidos. Así, las t-SNARE se concentran en el lugar de la fusión por PtdIns(4, 5)P2. Otras proteínas del complejo proteico de exocitosis también reconocen a este fosfoinosítido.
Endocitosis
La endocitosis está regulada por fosfoinosítidos en las etapas de formación, maduración y fisión. De hecho hay proteínas que forman la cesta de la cubierta de clatrina en las vesículas de endocitosis que reconocen al PtdIns(4,5)P2. Este fosfoinosítido es necesario para la endocitosis de vesículas recubiertas de clatrina. Los PtdIns(4,5)P2 son así abundantes en la membrana de la vesícula recubierta de clatrina en formación, pero son después defosforilados a PdtIns4P cuando las vesícula se está separado de la membrana plasmática. Esto facilita la liberación de las proteínas de la cubierta de la vesícula. PdtIns(3,4)P2 tiene una función más pasajera ya que se genera en la fase de escisión y parece necesario para atraer a proteínas de escisión como las BAR y dinamina, que estrangularán y liberarán a la vesícula. En las vesículas de endocitosis no recubiertas también parece importante la acción de PtdIns(3,5)P2 para reclutar las proteínas como las endofilinas, que proteínas tipo BAR para la escisión de la vesícula.
Los PdtIns(4,5)P2 y PtdIns(3,4,5)P3 están involucrados en la macropinocitosis mediante la activación de proteínas Rho. Estos fosfoinsosítidos también participan en la fagocitosis. En ambos casos, cuando se ha producido la internalización del compartimento, estos fosfoinosítidos son convertidos en PtdIns3P para que dichos compartimentos adquieran la identidad de endosomas y sigan el proceso normal.
El proceso de fagocitosis supone el reconocimiento una partícula, la emisión de expansiones celulares, el cierre del fagosoma y la fusión de éste con otros compartimentos que aportan acidez y enzimas hidrolíticas para la degradación de la partícula incorporada. En todos estos procesos hay cambios en la composición de fosfoinosítidos de las membranas. Así, durante la formación de la copa fagocítica hay una producción de PtdIns(4,5)P2, pero desaparece cuando se sella la membrana para formar el fagosoma. Hay una cierta conexión entre PtdIns(4,5)P2 y la polimerización de los filamentos de actina. Muchas proteínas asociadas a la actina tienen dominios de reconocimiento para PtdIns(4,5)P2. Así, cuando desaparece este fosfoinosítido también se desorganiza el entramado de actina. El PtdIns(3,4,5)P3 tiene un comportamiento similar a PtdIns(4,5)P2. Una vez dentro, la membrana del fagosoma empieza a sintetizar PtdIns3P y PtdIns(3,5)P2.
Endosomas y lisosomas
La conversión de una membrana plasmática en una de un endosoma necesita la eliminación de los fosfatos de la posición 4 y 5 de muchos fosfoinosítidos. Hay además una acumulación del PtdIns3P, que es un elemento de reconocimiento para muchas proteínas que hacen su función en los endosomas. La fosforilación de PtdIns3P a PtdIns(3,5)P2 es un marcador de transformación de endosomas tempranos a tardíos que etiqueta al compartimento para la degradación.
Las hidrolasas ácidas son empaquetadas en el dominio trans del aparato de Golgi (regulado por PtdIns4P) en vesículas recubiertas por clatrina. El receptor de las hidrolasas retorna al Golgi gracias su asociación con un complejo proteico llamado retrómero. Algunas de las proteínas que forman el retrómero tienen dominios de unión al PtdIns3P. En los cuerpos multivesiculares es donde se segregan aquellas proteínas de membrana que se van a degradar, normalmente son proteínas ubiquitinadas. El complejo proteico llamado ESCRT es esencial para esta segregación, el cual necesita a PdtIns3P para asociarse con las membranas del cuerpo multivesicular.
Autofagia
LLa autofagia también necesita de la presencia de PdtIns3P. Así, durante la formación del fagóforo, las membranas iniciales requieren de la actividad de la enzima PK3, que genera PtdIns3P a partir de PtdIns. Pero este fosfoinosítido tiene que ser eliminado para la maduración del autofagosoma.
Núcleo
Numerosas enzimas quinasas y fosfatasas que modifican a los fosfoinosítidos pueden entrar y salir del núcleo. Curiosamente se han encontrado fosfoinosítidos en el interior del núcleo, es decir, no asociados a sus membranas.
Polarización de la membrana plasmática
Hay muchas células que necesitan tener una distribución lateral heterogénea de lípidos en su membrana plasmática. Esto pasa en todos las células polarizadas. La quimiotaxis es un proceso que consiste en que las células captan diferentes concentraciones de una molécula y se mueven hacia donde perciben una concentración mayor. Las células que se mueven son células polarizadas, con un dominio localizado en el frente de avance y dominio en la parte trasera. Cuando las células se mueven hacia una fuente de quimio-atrayentes, en la membrana plasmática del frente de avance hay una acumulación de PtdIns(3,4,5)P3, mientras que la parte posterior se encuentra el PtdIns(4,5)P2. De nuevo, sus funciones parecen estar mediadas por la capacidad que tienen para unir proteínas que llevan a cabo funciones sobre la polimerización de los filamentos de actina.
Otras células polarizadas son las células epiteliales que tienen un dominio apical y otro basolateral. En estas células hay mucho PtdIns(4,5)P2 en el dominio apical y mucho PtdIns(3,4,5) en el basolateral. Esto parece ser importante para establecer la identidad de la membrana de los dos dominios celulares. Aunque no parece ser una regla en todas las células polarizadas.
División celular
Durante la citocinesis, la formación de surco de escisión y su crecimiento depende de la presencia de PdtIns(4,5)P2. Este fosfoinosítido es reconocido por proteínas como las septina y otras que anclan los filamentos de actina. Pero este fosfoinosítido tiene que desaparecer para que se completen las últimas fases de la citocinesis. Durante la formación de la conexión citoplasmática y su estrangulamiento final se requiere la presencia de PtdIns3P, el cual es generado en las membranas de este puente citoplasmático para que la escisión se complete.
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