Exocitosis

La exocitosis ( / ˌ ɛ k s oʊ s aɪ ˈ t oʊ s ɪ s / ^{[1] [2]} ) es una forma de transporte activo y transporte masivo en el que una célula transporta moléculas (por ejemplo, neurotransmisores y proteínas ) fuera de la célula ( exo- + citosis ). Como mecanismo de transporte activo, la exocitosis requiere el uso de energía para transportar material. La exocitosis y su contraparte, la endocitosis , son utilizadas por todas las células porque la mayoría de las sustancias químicas importantes para ellas son moléculas polares grandes que no pueden pasar a través de la porción hidrófoba de la membrana celular por medios pasivos . La exocitosis es el proceso por el cual se libera una gran cantidad de moléculas; por lo tanto, es una forma de transporte masivo. La exocitosis ocurre a través de portales secretores en la membrana plasmática celular llamados porosomas . Los porosomas son estructuras lipoproteicas permanentes en forma de copa en la membrana plasmática celular, donde las vesículas secretoras se acoplan y fusionan transitoriamente para liberar contenido intravesicular de la célula.

En la exocitosis, las vesículas secretoras unidas a la membrana son transportadas a la membrana celular , donde se acoplan y se fusionan en los porosomas y su contenido (es decir, moléculas solubles en agua) se secreta al entorno extracelular. Esta secreción es posible porque la vesícula se fusiona transitoriamente con la membrana plasmática. En el contexto de la neurotransmisión , los neurotransmisores se liberan típicamente desde las vesículas sinápticas hacia la hendidura sináptica a través de la exocitosis; sin embargo, los neurotransmisores también pueden liberarse a través del transporte inverso a través de proteínas de transporte de membrana .

La exocitosis también es un mecanismo por el cual las células pueden insertar proteínas de membrana (como canales iónicos y receptores de superficie celular ), lípidos y otros componentes en la membrana celular. Las vesículas que contienen estos componentes de membrana se fusionan completamente con la membrana celular externa y se convierten en parte de ella.

El término fue propuesto por De Duve en 1963. ^[3]

En eucariotas , hay dos tipos de exocitosis: 1) no constitutiva desencadenada por Ca ^{2+ (es decir, exocitosis regulada) y 2) constitutiva no desencadenada por Ca 2+} (es decir, no regulada).

La exocitosis no constitutiva desencadenada por Ca ²⁺ requiere una señal externa, una señal de clasificación específica en las vesículas, una capa de clatrina , así como un aumento del calcio intracelular. En los organismos multicelulares, este mecanismo inicia muchas formas de comunicación intercelular, como la transmisión sináptica, la secreción hormonal por parte de las células neuroendocrinas y la secreción de las células inmunitarias. En las neuronas y las células endocrinas, las proteínas SNARE y las proteínas SM catalizan la fusión formando un complejo que une las dos membranas de fusión. Por ejemplo, en las sinapsis, el complejo SNARE está formado por la sintaxina-1 y SNAP25 en la membrana plasmática y por VAMP2 en la membrana de la vesícula. ^[4] La exocitosis en las sinapsis químicas neuronales se desencadena por Ca ²⁺ y sirve para la señalización interneuronal. Los sensores de calcio que desencadenan la exocitosis pueden interactuar con el complejo SNARE o con los fosfolípidos de las membranas fusionadas. La sinaptotagmina ha sido reconocida como el principal sensor de la exocitosis desencadenada por Ca ²⁺ en animales. ^[5] Sin embargo, las proteínas de sinaptotagmina están ausentes en plantas y eucariotas unicelulares. Otros posibles sensores de calcio para la exocitosis son las proteínas EF-hand (p. ej., calmodulina) y las proteínas que contienen el dominio C2 (p. ej., ferlinas, E-synaptotagmina, Doc2b). No está claro cómo los diferentes sensores de calcio pueden cooperar entre sí y mediar la cinética de exocitosis desencadenada por calcio de una manera específica. ^[6]

La exocitosis constitutiva es realizada por todas las células y sirve para la liberación de componentes de la matriz extracelular o la entrega de proteínas de membrana recién sintetizadas que se incorporan en la membrana plasmática después de la fusión de la vesícula de transporte . No hay un consenso claro sobre la maquinaria y los procesos moleculares que impulsan la formación, gemación, translocación y fusión de las vesículas post-Golgi a la membrana plasmática. La fusión implica anclaje de membrana (reconocimiento) y fusión de membrana. Todavía no está claro si la maquinaria entre la secreción constitutiva y regulada es diferente. La maquinaria requerida para la exocitosis constitutiva no se ha estudiado tanto como el mecanismo de la exocitosis regulada. Dos complejos de anclaje están asociados con la exocitosis constitutiva en mamíferos, ELKS y Exocyst. ELKS es una proteína de gran bobina enrollada, también involucrada en la exocitosis sináptica, marcando los puntos de fusión de los transportadores secretores. Exocyst es un complejo proteico octamérico. En los mamíferos, los componentes del exocisto se localizan tanto en la membrana plasmática como en el aparato de Golgi, y las proteínas del exocisto se colocalizan en el punto de fusión de las vesículas post-Golgi. La fusión de membrana de la exocitosis constitutiva, probablemente, está mediada por SNAP29 y Syntaxin19 en la membrana plasmática y YKT6 o VAMP3 en la membrana de la vesícula. ^[7]

La exocitosis vesicular en bacterias procariotas gramnegativas es un tercer mecanismo y el último hallazgo en la exocitosis. El periplasma se desprende en forma de vesículas de membrana externa bacterianas (OMV) para translocar señales bioquímicas microbianas a las células hospedadoras eucariotas ^[8] u otros microbios ubicados cerca, ^[9] logrando el control del microbio secretor en su entorno, incluida la invasión del hospedador, la endotoxemia, la competencia con otros microbios por la nutrición, etc. Este hallazgo de tráfico de vesículas de membrana que ocurre en la interfaz hospedador-patógeno también disipa el mito de que la exocitosis es puramente un fenómeno de células eucariotas. ^[10]

En la exocitosis intervienen cinco pasos:

Ciertos pasos del transporte de vesículas requieren el transporte de una vesícula a lo largo de una distancia moderadamente pequeña. Por ejemplo, las vesículas que transportan proteínas desde el aparato de Golgi hasta la superficie celular probablemente utilizarán proteínas motoras y una vía citoesquelética para acercarse a su objetivo. Antes de que el anclaje hubiera sido apropiado, muchas de las proteínas utilizadas para el transporte activo se habrían configurado para el transporte pasivo, porque el aparato de Golgi no requiere ATP para transportar proteínas. Tanto la base de actina como la de microtúbulos están implicadas en estos procesos, junto con varias proteínas motoras . Una vez que las vesículas alcanzan sus objetivos, entran en contacto con factores de anclaje que pueden restringirlas.

Es útil distinguir entre la unión inicial, laxa , de las vesículas a su objetivo y las interacciones de empaquetamiento , más estables . La unión implica enlaces a distancias de más de la mitad del diámetro de una vesícula desde una superficie de membrana determinada (>25 nm). Es probable que las interacciones de unión estén implicadas en la concentración de vesículas sinápticas en la sinapsis .

Las vesículas secretoras se acoplan transitoriamente y se fusionan en el porosoma de la membrana plasmática celular, a través de un complejo de anillo t-/v-SNARE apretado.

En la exocitosis neuronal, el término cebado se ha utilizado para incluir todos los reordenamientos moleculares y las modificaciones de proteínas y lípidos dependientes de ATP que tienen lugar después del acoplamiento inicial de una vesícula sináptica pero antes de la exocitosis, de modo que la afluencia de iones de calcio es todo lo que se necesita para desencadenar la liberación casi instantánea de neurotransmisores . En otros tipos de células, cuya secreción es constitutiva (es decir, continua, independiente de iones de calcio, no desencadenada) no hay cebado.

La fusión transitoria de vesículas es impulsada por las proteínas SNARE , lo que da como resultado la liberación del contenido de las vesículas al espacio extracelular (o en el caso de las neuronas, en la hendidura sináptica).

La fusión de las membranas donante y aceptora logra tres tareas:

• La superficie de la membrana plasmática aumenta (por la superficie de la vesícula fusionada). Esto es importante para la regulación del tamaño celular, por ejemplo, durante el crecimiento celular.
• Las sustancias contenidas en la vesícula se liberan al exterior. Pueden ser productos de desecho o toxinas , o moléculas de señalización como hormonas o neurotransmisores durante la transmisión sináptica .
• Las proteínas incrustadas en la membrana de la vesícula ahora forman parte de la membrana plasmática. El lado de la proteína que estaba orientado hacia el interior de la vesícula ahora está orientado hacia el exterior de la célula. Este mecanismo es importante para la regulación de los transportadores transmembrana.

La recuperación de vesículas sinápticas se produce por endocitosis . La mayoría de las vesículas sinápticas se reciclan sin una fusión completa en la membrana ( fusión de beso y fuga ) a través de porosomas . La exocitosis no constitutiva y la endocitosis posterior son procesos que consumen mucha energía y, por lo tanto, dependen de las mitocondrias . ^[12]

El examen de las células después de la secreción mediante microscopía electrónica demuestra una mayor presencia de vesículas parcialmente vacías después de la secreción. Esto sugirió que durante el proceso secretor, solo una parte del contenido vesicular puede salir de la célula. Esto solo podría ser posible si la vesícula estableciera temporalmente una continuidad con la membrana plasmática celular en los porosomas , expulsara una parte de su contenido, luego se desprendiera, se volviera a sellar y se retirara al citosol (endocitosis). De esta manera, la vesícula secretora podría reutilizarse para rondas posteriores de exoendocitosis, hasta que se vaciara completamente de su contenido. ^[13]

• Endocitosis
• Pinocitosis
• Fagocitosis
• Nanotubo de membrana
• Desprendimiento viral
• Zona activa presináptica
• Cuerpo residual
• Desgranulación

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• Exocitosis en los encabezados de materias médicas (MeSH) de la Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU.