Fusión de vesículas

La fusión de vesículas es la unión de una vesícula con otras vesículas o una parte de una membrana celular . En este último caso, es la etapa final de la secreción de las vesículas secretoras, donde su contenido se expulsa de la célula a través de la exocitosis . Las vesículas también pueden fusionarse con otros compartimentos de la célula diana, como un lisosoma . La exocitosis ocurre cuando las vesículas secretoras se acoplan y fusionan transitoriamente en la base de estructuras en forma de copa en la membrana plasmática celular llamada porosoma , la maquinaria secretora universal en las células. La fusión de vesículas puede depender de las proteínas SNARE en presencia de una mayor concentración de calcio intracelular (Ca ²⁺ ).

Los estímulos que desencadenan la fusión de vesículas actúan aumentando el Ca ²⁺ intracelular .

• Las vesículas sinápticas realizan la fusión de vesículas mediante un impulso nervioso que llega a la sinapsis, activando canales de calcio dependientes de voltaje que provocan la entrada de Ca ²⁺ a la célula.
• En el sistema endocrino , muchas hormonas se liberan mediante la unión de sus hormonas liberadoras a receptores acoplados a la proteína G acoplados a la subunidad G _q alfa , lo que activa la vía IP3/DAG para aumentar el Ca ²⁺ . Algunos ejemplos de este mecanismo incluyen:
  • Hormona liberadora de gonadotropina ^[1]
  • Hormona liberadora de tirotropina ^[1]
  • Hormona liberadora de hormona del crecimiento ^[1] (vía secundaria; la principal es la vía dependiente de AMPc ^[2] )

Los sistemas modelo que consisten en un solo fosfolípido o una mezcla han sido estudiados por los químicos físicos. La cardiolipina se encuentra principalmente en las membranas mitocondriales, y los iones de calcio juegan un papel importante en los procesos respiratorios mediados por la mitocondria . Se han postulado las fuerzas involucradas para explicar ^[3] este proceso en términos de nucleación para la aglomeración de entidades supramoleculares más pequeñas o cambios de fase en la estructura de las biomembranas. ^[4]

En la fusión de vesículas sinápticas , la vesícula debe estar a unos pocos nanómetros de la membrana diana para que comience el proceso de fusión. Esta proximidad permite que la membrana celular y la vesícula intercambien lípidos, lo que está mediado por ciertas proteínas que eliminan el agua que se encuentra entre la unión en formación. Una vez que la vesícula está en posición, debe esperar hasta que el Ca ²⁺ ingrese a la célula mediante la propagación de un potencial de acción a la membrana presináptica. ^[5] El Ca ²⁺ se une a proteínas específicas, una de las cuales es la sinaptotagmina , en las neuronas, lo que desencadena la fusión completa de la vesícula con la membrana diana. ^[6]

También se cree que las proteínas SNARE ayudan a mediar qué membrana es el objetivo de qué vesícula. ^[7]

El ensamblaje de las SNARE en los complejos "trans" probablemente une las bicapas lipídicas opuestas de las membranas que pertenecen a la célula y al gránulo secretor, acercándolas e induciendo su fusión. La entrada de calcio en la célula desencadena la finalización de la reacción de ensamblaje, que está mediada por una interacción entre el supuesto sensor de calcio, la sinaptotagmina , con los lípidos de la membrana y/o el complejo SNARE parcialmente ensamblado.

Una hipótesis implica a la molécula Complexina dentro del complejo SNARE y su interacción con la molécula sinaptotagmina. ^[9] Conocida como la hipótesis de la "pinza", la presencia de complexina normalmente inhibe la fusión de la vesícula a la membrana celular. Sin embargo, la unión de iones de calcio a la sinaptotagmina desencadena la liberación o inactivación de la complexina, de modo que la vesícula queda libre para fusionarse. ^[10]

Según la hipótesis de la "cremallera", el ensamblaje del complejo comienza en las partes N-terminales de los motivos SNARE y avanza hacia los extremos C-terminales que anclan las proteínas interactuantes en las membranas. La formación del complejo "trans"-SNARE se produce a través de un complejo intermedio compuesto por SNAP-25 y sintaxina-1, que posteriormente alberga la sinaptobrevina-2 (los isotipos citados de sintaxina y sinaptobrevina participan en la liberación de neuromediadores neuronales).

Basándose en la estabilidad del complejo cis-SNARE resultante , se ha postulado que la energía liberada durante el proceso de ensamblaje sirve como un medio para superar las fuerzas repulsivas entre las membranas. Existen varios modelos que proponen una explicación de un paso posterior (la formación del tallo y el poro de fusión), pero la naturaleza exacta de estos procesos sigue siendo objeto de debate. Dos de los modelos más destacados sobre la formación del poro de fusión son las teorías del poro de fusión revestido de lípidos y del poro de fusión revestido de proteínas. ^[11]

Un posible modelo para la formación de poros de fusión es la teoría de poros revestidos de lípidos. En este modelo, una vez que las membranas se han acercado lo suficiente a través del mecanismo de "cremallera" del complejo SNARE , la fusión de membranas se produce de forma espontánea. Se ha demostrado que cuando las dos membranas se acercan a una distancia crítica, es posible que los grupos de cabezas lipídicas hidrófilos de una membrana se fusionen con la membrana opuesta. ^[12] En el modelo de poro de fusión revestido de lípidos, el complejo SNARE actúa como un andamio, tirando de la membrana, haciendo que ambas membranas se frunzan para que puedan alcanzar la distancia de fusión crítica. A medida que las dos membranas comienzan a fusionarse, se produce un tallo revestido de lípidos, que se expande radialmente hacia afuera a medida que avanza la fusión.

Si bien es posible que exista un poro revestido de lípidos y que se puedan lograr las mismas propiedades que se observan en la formación temprana de poros, no existen datos suficientes para demostrar que sea el único método de formación. ^[13] Actualmente no se ha propuesto un mecanismo de regulación intercelular para la fluctuación de los poros revestidos de lípidos, y estos tendrían muchas más dificultades para producir efectos como el "beso y fuga" en comparación con sus contrapartes revestidas de proteínas. La eficacia de los poros revestidos de lípidos también dependería en gran medida de la composición de ambas membranas, y su éxito o fracaso podría variar enormemente con los cambios en la elasticidad y la rigidez. ^[13]

Otro posible modelo para la formación de poros de fusión es la teoría del poro revestido de proteínas. En este modelo, después de la activación de la sinaptotagmina por el calcio, varios complejos SNARE se unen para formar una estructura de anillo, con la sinaptobrevina formando el poro en la membrana de la vesícula y la sintaxina formando el poro en la membrana celular. ^[14] A medida que el poro inicial se expande, incorpora lípidos de ambas bicapas, lo que finalmente da como resultado la fusión completa de las dos membranas. El complejo SNARE tiene un papel mucho más activo en la teoría del poro revestido de proteínas; debido a que el poro consta inicialmente en su totalidad de proteínas SNARE, el poro puede experimentar fácilmente una regulación intercelular, lo que hace que la fluctuación y los mecanismos de "beso y fuga" sean fácilmente alcanzables. ^[9]

Un poro revestido de proteínas cumple perfectamente todos los requisitos observados del poro de fusión temprana y, si bien algunos datos respaldan esta teoría, ^[14] no existen datos suficientes para declararlo el método principal de fusión. Un poro revestido de proteínas requiere al menos cinco copias del complejo SNARE, mientras que se ha observado una fusión con tan solo dos. ^[14]

En ambas teorías, la función del complejo SNARE permanece prácticamente inalterada y todo el complejo SNARE es necesario para iniciar la fusión. Sin embargo, se ha demostrado in vitro que la sintaxina por sí sola es suficiente para impulsar la fusión espontánea independiente del calcio de las vesículas sinápticas que contienen v-SNARE. ^[15] Esto sugiere que en la exocitosis neuronal dependiente de Ca ²⁺ la sinaptotagmina es un regulador dual, en ausencia de iones Ca ²⁺ para inhibir la dinámica de SNARE, mientras que en presencia de iones Ca ²⁺ para actuar como agonista en el proceso de fusión de membrana.

En las vesículas sinápticas , algunos neuroquímicos han sugerido que, en ocasiones, las vesículas pueden no fusionarse completamente con las membranas presinápticas en la liberación de neurotransmisores en la hendidura sináptica . La controversia radica en si la endocitosis siempre ocurre o no en la reformación de vesículas después de la liberación del neurotransmisor. Otro mecanismo propuesto para la liberación de contenidos de vesículas en el líquido extracelular se denomina fusión de beso y fuga .

Hay indicios de que las vesículas pueden formar únicamente un pequeño poro en la membrana presináptica que permite la liberación del contenido por difusión estándar durante un breve periodo de tiempo antes de regresar a la célula presináptica. Este mecanismo puede ser una forma de evitar la endocitosis mediada por clatrina . También se propone que la vesícula no necesita regresar a un endosoma para rellenarse, aunque no se entiende completamente por qué mecanismo lo haría. Esto no excluye la fusión completa de la vesícula, sino que solo afirma que ambos mecanismos pueden operar en las hendiduras sinápticas.

Se ha demostrado que el "beso y fuga" ocurre en las células endocrinas, aunque no se ha observado directamente en los espacios sinápticos. ^[16]

• TRAMPA
• Zona activa presináptica
• Liposomas utilizados como modelos para células artificiales en estudios de fusión de membranas .