Vesícula (biología y química)

En biología celular , una vesícula es una estructura dentro o fuera de una célula , que consiste en líquido o citoplasma encerrado por una bicapa lipídica . Las vesículas se forman naturalmente durante los procesos de secreción ( exocitosis ), captación ( endocitosis ) y transporte de materiales dentro de la membrana plasmática . Alternativamente, pueden prepararse artificialmente, en cuyo caso se denominan liposomas (que no deben confundirse con lisosomas ). Si solo hay una bicapa de fosfolípidos , las vesículas se denominan liposomas unilamelares ; de lo contrario, se denominan liposomas multilamelares . ^[1] La membrana que encierra la vesícula también es una fase lamelar , similar a la de la membrana plasmática , y las vesículas intracelulares pueden fusionarse con la membrana plasmática para liberar su contenido fuera de la célula. Las vesículas también pueden fusionarse con otros orgánulos dentro de la célula. Una vesícula liberada de la célula se conoce como vesícula extracelular .

Las vesículas cumplen diversas funciones. Al estar separadas del citosol , el interior de la vesícula puede ser diferente del ambiente citosólico. Por este motivo, las vesículas son una herramienta básica que utiliza la célula para organizar las sustancias celulares. Las vesículas intervienen en el metabolismo , el transporte, el control de la flotabilidad ^[2] y el almacenamiento temporal de alimentos y enzimas. También pueden actuar como cámaras de reacción química.

El Premio Nobel de Fisiología o Medicina de 2013 fue compartido por James Rothman , Randy Schekman y Thomas Südhof por su papel en la elucidación (basándose en investigaciones anteriores, algunas de ellas realizadas por sus mentores) de la composición y función de las vesículas celulares, especialmente en levaduras y en humanos, incluida información sobre las partes de cada vesícula y cómo se ensamblan. Se cree que la disfunción de las vesículas contribuye a la enfermedad de Alzheimer , la diabetes , algunos casos de epilepsia difíciles de tratar , algunos cánceres y trastornos inmunológicos y ciertas afecciones neurovasculares. ^{[4] [5]}

Las vacuolas son orgánulos celulares que contienen principalmente agua. ^{[ cita requerida ]}

• Las células vegetales tienen una gran vacuola central en el centro de la célula que se utiliza para el control osmótico y el almacenamiento de nutrientes .
• En algunos protistas , especialmente en el filo Ciliophora , se encuentran vacuolas contráctiles . Estas vacuolas toman agua del citoplasma y la excretan de la célula para evitar que reviente debido a la presión osmótica .

• Los lisosomas participan en la digestión celular. Los alimentos pueden ser llevados desde el exterior de la célula a las vacuolas alimentarias mediante un proceso llamado endocitosis . Estas vacuolas alimentarias se fusionan con los lisosomas, que descomponen los componentes para que puedan ser utilizados en la célula. Esta forma de alimentación celular se llama fagocitosis .
• Los lisosomas también se utilizan para destruir orgánulos defectuosos o dañados en un proceso llamado autofagia . Se fusionan con la membrana del orgánulo dañado y lo digieren.

• Las vesículas de transporte pueden mover moléculas entre ubicaciones dentro de la célula, por ejemplo, proteínas desde el retículo endoplásmico rugoso hasta el aparato de Golgi .
• Las proteínas secretadas y unidas a la membrana se producen en los ribosomas que se encuentran en el retículo endoplasmático rugoso . La mayoría de estas proteínas maduran en el aparato de Golgi antes de llegar a su destino final, que puede ser los lisosomas , los peroxisomas o el exterior de la célula. Estas proteínas viajan dentro de la célula dentro de vesículas de transporte.

Las vesículas secretoras contienen sustancias que deben ser excretadas de la célula. Las células tienen muchas razones para excretar sustancias. Una de ellas es eliminar desechos. Otra razón está relacionada con la función de la célula. En un organismo más grande, algunas células están especializadas para producir ciertas sustancias químicas. Estas sustancias químicas se almacenan en vesículas secretoras y se liberan cuando es necesario.

• Las vesículas sinápticas se encuentran en las terminales presinápticas de las neuronas y almacenan neurotransmisores . Cuando una señal llega a un axón , las vesículas sinápticas se fusionan con la membrana celular y liberan el neurotransmisor para que pueda ser detectado por las moléculas receptoras de la siguiente célula nerviosa.
• En los animales, los tejidos endocrinos liberan hormonas en el torrente sanguíneo. Estas hormonas se almacenan en vesículas secretoras. Un buen ejemplo es el tejido endocrino que se encuentra en los islotes de Langerhans en el páncreas . Este tejido contiene muchos tipos de células que se definen por las hormonas que producen.
• Las vesículas secretoras contienen las enzimas que se utilizan para formar las paredes celulares de las células de plantas , protistas , hongos , bacterias y arqueas , así como la matriz extracelular de las células animales .
• Las bacterias, arqueas , hongos y parásitos liberan vesículas de membrana (MV) que contienen compuestos tóxicos variados pero especializados y moléculas de señales bioquímicas, que se transportan a las células objetivo para iniciar procesos a favor del microbio, que incluyen la invasión de células huésped y la muerte de microbios competidores en el mismo nicho. ^[6]

Las vesículas extracelulares (VE) son partículas delimitadas por bicapas lipídicas producidas por todos los dominios de la vida, incluidos los eucariotas complejos, las bacterias gramnegativas y grampositivas, las micobacterias y los hongos. ^{[7] [8]}

• Los ectosomas/microvesículas se desprenden directamente de la membrana plasmática y pueden variar en tamaño desde alrededor de 30 nm hasta más de un micrón de diámetro ^{[9] : Tabla 1} ). Estos pueden incluir partículas grandes como ampollas apoptóticas liberadas por células moribundas, ^{[10] [9] : Tabla 1} grandes oncosomas liberados por algunas células cancerosas, o "exoferos", liberados por neuronas de nematodos ^[11] y cardiomiocitos de ratón.
• Exosomas : vesículas membranosas de origen endocítico (30-100 nm de diámetro). ^{[9] : Tabla 1}

Se pueden separar distintos tipos de EV en función de su densidad ^{[9] : Tabla 1} (mediante centrifugación diferencial de gradiente ), tamaño o marcadores de superficie. ^[12] Sin embargo, los subtipos de EV tienen rangos de tamaño y densidad superpuestos, y los marcadores exclusivos de cada subtipo deben establecerse célula por célula. Por lo tanto, es difícil determinar con precisión la vía de biogénesis que dio origen a una EV en particular después de que ha abandonado la célula. ^[8]

En los seres humanos, las vesículas extracelulares endógenas probablemente desempeñan un papel en la coagulación, la señalización intercelular y la gestión de desechos. ^[9] También están implicadas en los procesos fisiopatológicos involucrados en múltiples enfermedades, incluido el cáncer. ^[13] Las vesículas extracelulares han despertado interés como una fuente potencial de descubrimiento de biomarcadores debido a su papel en la comunicación intercelular, la liberación en fluidos corporales de fácil acceso y la semejanza de su contenido molecular con el de las células liberadoras. ^[14] Las vesículas extracelulares de células madre (mesenquimales) , también conocidas como secretoma de células madre , se están investigando y aplicando con fines terapéuticos, predominantemente enfermedades degenerativas , autoinmunes y/o inflamatorias . ^[15]

En las bacterias gramnegativas, las vesículas excretoras se producen al desprenderse de la membrana externa; sin embargo, todavía se desconoce cómo escapan las vesículas excretoras de las gruesas paredes celulares de las bacterias grampositivas, las micobacterias y los hongos. Estas vesículas excretoras contienen una carga variada, que incluye ácidos nucleicos, toxinas, lipoproteínas y enzimas, y tienen papeles importantes en la fisiología y patogénesis microbianas. En las interacciones huésped-patógeno, las bacterias gramnegativas producen vesículas que desempeñan papeles en el establecimiento de un nicho de colonización, transportando y transmitiendo factores de virulencia a las células huésped y modulando la defensa y respuesta del huésped. ^[16]

Se ha descubierto que las cianobacterias oceánicas liberan continuamente vesículas que contienen proteínas, ADN y ARN en el océano abierto. Las vesículas que contienen ADN de diversas bacterias son abundantes en muestras de agua de mar costera y de océano abierto. ^[17]

La hipótesis del mundo del ARN supone que los primeros genomas autorreplicantes eran cadenas de ARN. Esta hipótesis contiene la idea de que las cadenas de ARN formaban ribozimas (moléculas de ARN plegadas) capaces de catalizar la replicación del ARN. Se consideraba que estas catálisis biológicas primordiales estaban contenidas dentro de vesículas ( protocélulas ) con membranas compuestas de ácidos grasos y anfifilos relacionados . ^[18] Adamata y Szostak han demostrado la síntesis de ARN dirigida por plantillas mediante la copia de plantillas de ARN dentro de vesículas de ácidos grasos. ^[18]

Las vesículas de gas son utilizadas por arqueas , bacterias y microorganismos planctónicos , posiblemente para controlar la migración vertical regulando el contenido de gas y, por lo tanto, la flotabilidad , o posiblemente para posicionar la célula para la máxima captación de luz solar. Estas vesículas son típicamente tubos cilíndricos o con forma de limón hechos de proteína; ^[19] su diámetro determina la fuerza de la vesícula, siendo las más grandes las más débiles. El diámetro de la vesícula también afecta su volumen y la eficiencia con la que puede proporcionar flotabilidad. En las cianobacterias, la selección natural ha trabajado para crear vesículas que tienen el diámetro máximo posible sin dejar de ser estructuralmente estables. La piel de proteína es permeable a los gases pero no al agua, lo que evita que las vesículas se inunden. ^[2]

Las vesículas de la matriz se encuentran dentro del espacio extracelular o matriz. Utilizando microscopía electrónica , fueron descubiertas de forma independiente en 1967 por H. Clarke Anderson ^[20] y Ermanno Bonucci ^[21] . Estas vesículas derivadas de células están especializadas para iniciar la biomineralización de la matriz en una variedad de tejidos, incluidos los huesos , el cartílago y la dentina . Durante la calcificación normal , una importante afluencia de iones de calcio y fosfato en las células acompaña la apoptosis celular (autodestrucción determinada genéticamente) y la formación de vesículas de la matriz. La carga de calcio también conduce a la formación de complejos de fosfatidilserina :calcio:fosfato en la membrana plasmática mediada en parte por una proteína llamada anexinas . Las vesículas de la matriz brotan de la membrana plasmática en los sitios de interacción con la matriz extracelular. Por lo tanto, las vesículas de la matriz transportan a la matriz extracelular calcio, fosfato, lípidos y las anexinas que actúan para nuclear la formación mineral. Estos procesos están coordinados con precisión para producir, en el lugar y momento adecuados, la mineralización de la matriz del tejido, a menos que el aparato de Golgi no exista. ^{[ cita requerida ]}

El cuerpo multivesicular , o CVM, es una vesícula unida a una membrana que contiene varias vesículas más pequeñas. ^[22]

Biología celular
Diagrama de célula animal
Componentes de una célula animal típica: Nucleolo Núcleo Ribosoma (puntos como parte de 5) Vesícula Retículo endoplasmático rugoso Aparato de Golgi (o cuerpo de Golgi) Citoesqueleto Retículo endoplasmático liso Mitocondria Vacuola Citosol (líquido que contiene los orgánulos ; con el cual, se forma el citoplasma ) Lisosoma Centrosoma Membrana celular

Algunas vesículas se forman cuando una parte de la membrana se desprende del retículo endoplasmático o del complejo de Golgi. Otras se forman cuando un objeto que se encuentra fuera de la célula queda rodeado por la membrana celular. ^{[ cita requerida ]}

La "capa" de la vesícula es un conjunto de proteínas que sirven para dar forma a la curvatura de la membrana donante, formando así la vesícula redondeada. Las proteínas de la capa también pueden funcionar para unirse a varias proteínas receptoras transmembrana, llamadas receptores de carga. Estos receptores ayudan a seleccionar qué material se endocita en la endocitosis mediada por receptores o el transporte intracelular.

Existen tres tipos de cubiertas de vesículas: clatrina , COPI y COPII . Los distintos tipos de proteínas de cubierta ayudan a clasificar las vesículas hasta su destino final. Las cubiertas de clatrina se encuentran en las vesículas que circulan entre el Golgi y la membrana plasmática , el Golgi y los endosomas y la membrana plasmática y los endosomas. Las vesículas recubiertas de COPI son responsables del transporte retrógrado desde el Golgi hasta el RE, mientras que las vesículas recubiertas de COPII son responsables del transporte anterógrado desde el RE hasta el Golgi.

Se cree que la capa de clatrina se ensambla en respuesta a la proteína G reguladora . Una capa de proteína se ensambla y desensambla debido a una proteína del factor de ribosilación de ADP (ARF).

Las proteínas de superficie llamadas SNARE identifican la carga de la vesícula y las SNARE complementarias en la membrana diana actúan para provocar la fusión de la vesícula y la membrana diana. Se plantea la hipótesis de que estas v-SNARES existen en la membrana de la vesícula, mientras que las complementarias en la membrana diana se conocen como t-SNARE. ^{[ cita requerida ]}

A menudo, las SNARE asociadas con vesículas o membranas diana se clasifican como SNARE Qa, Qb, Qc o R debido a una mayor variación que las SNARE v o t. Se puede observar una variedad de complejos SNARE diferentes en diferentes tejidos y compartimentos subcelulares, con 38 isoformas identificadas actualmente en humanos. ^[23] Se cree que las proteínas reguladoras Rab inspeccionan la unión de las SNARE. La proteína Rab es una proteína reguladora de unión a GTP y controla la unión de estas SNARE complementarias durante un tiempo lo suficientemente largo para que la proteína Rab hidrolice su GTP unido y fije la vesícula en la membrana.

Las proteínas SNARE en plantas están poco estudiadas en comparación con los hongos y los animales. La botánica celular Natasha Raikhel ha realizado algunas de las investigaciones básicas en esta área, incluido Zheng et al 1999 en el que ella y su equipo descubrieron que AtVTI1a es esencial para el transporte de Golgi ⇄ vacuola . ^[24]

La fusión de vesículas puede ocurrir de dos maneras: fusión completa o fusión de beso y fuga . La fusión requiere que las dos membranas se acerquen a 1,5 nm una de la otra. Para que esto ocurra, el agua debe ser desplazada de la superficie de la membrana de la vesícula. Esto es energéticamente desfavorable y la evidencia sugiere que el proceso requiere ATP , GTP y acetil-coA . La fusión también está vinculada a la gemación, por lo que surge el término gemación y fusión.

Las proteínas de membrana que sirven como receptores a veces son marcadas para su regulación negativa mediante la unión de ubiquitina . Después de llegar a un endosoma a través de la vía descrita anteriormente, comienzan a formarse vesículas dentro del endosoma, llevándose consigo las proteínas de membrana destinadas a la degradación; cuando el endosoma madura para convertirse en un lisosoma o se une a uno, las vesículas se degradan por completo. Sin este mecanismo, solo la parte extracelular de las proteínas de membrana alcanzaría el lumen del lisosoma y solo esta parte se degradaría. ^[25]

Es por estas vesículas que el endosoma a veces se conoce como cuerpo multivesicular . La vía de su formación no se entiende completamente; a diferencia de las otras vesículas descritas anteriormente, la superficie externa de las vesículas no está en contacto con el citosol .

La producción de vesículas de membrana es uno de los métodos para investigar las distintas membranas de la célula. Después de triturar el tejido vivo hasta convertirlo en suspensión , las distintas membranas forman pequeñas burbujas cerradas. Los fragmentos grandes de las células trituradas se pueden descartar mediante centrifugación a baja velocidad y, posteriormente, la fracción de origen conocido ( plasmalema , tonoplasto , etc.) se puede aislar mediante centrifugación precisa a alta velocidad en gradiente de densidad. Mediante el choque osmótico , es posible abrir temporalmente las vesículas (llenándolas con la solución necesaria) y, a continuación, centrifugarlas de nuevo y resuspenderlas en una solución diferente. La aplicación de ionóforos como la valinomicina puede crear gradientes electroquímicos comparables a los gradientes dentro de las células vivas.

Las vesículas se utilizan principalmente en dos tipos de investigaciones:

• Encontrar y posteriormente aislar receptores de membrana que se unan específicamente a hormonas y otras sustancias importantes. ^[26]
• Para investigar el transporte de varios iones u otras sustancias a través de la membrana del tipo dado. ^[27] Si bien el transporte se puede investigar más fácilmente con técnicas de fijación de parche , las vesículas también se pueden aislar de objetos para los cuales no es aplicable una fijación de parche.

Las vesículas artificiales se clasifican en tres grupos según su tamaño: liposomas/vesículas unilamelares pequeños (SUV) con un rango de tamaño de 20 a 100 nm, liposomas/vesículas unilamelares grandes (LUV) con un rango de tamaño de 100 a 1000 nm y liposomas/vesículas unilamelares gigantes (GUV) con un rango de tamaño de 1 a 200 μm. ^[28] Las vesículas más pequeñas en el mismo rango de tamaño que las vesículas de tráfico que se encuentran en las células vivas se utilizan con frecuencia en bioquímica y campos relacionados. Para tales estudios, se puede preparar una suspensión homogénea de vesículas de fosfolípidos por extrusión o sonicación , ^[29] o por inyección rápida de una solución de fosfolípidos en una solución tampón acuosa. ^[30] De esta manera, se pueden preparar soluciones de vesículas acuosas de diferente composición de fosfolípidos, así como diferentes tamaños de vesículas. Las vesículas sintéticas más grandes, como las GUV, se utilizan para estudios in vitro en biología celular con el fin de imitar las membranas celulares. Estas vesículas son lo suficientemente grandes como para ser estudiadas utilizando microscopía de luz de fluorescencia tradicional. Existe una variedad de métodos para encapsular reactivos biológicos como soluciones de proteínas dentro de dichas vesículas, lo que hace que las GUV sean un sistema ideal para la recreación in vitro (e investigación) de funciones celulares en entornos de membrana modelo similares a células. ^[31] Estos métodos incluyen métodos microfluídicos, que permiten una producción de alto rendimiento de vesículas con tamaños consistentes. ^[32]

• Alberts, Bruce; et al. (1998). Biología celular esencial: Introducción a la biología molecular de la célula. Garland Pub. ISBN 978-0-8153-2971-8.

• Lípidos, membranas y tráfico de vesículas - Biblioteca Virtual de Bioquímica, Biología Molecular y Biología Celular