En biología celular , una vesícula es una estructura dentro o fuera de una célula , que consiste en un 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 , se denominan vesículas de liposomas unilaminares; de lo contrario se llamanmultilaminares . La membrana que encierra la vesícula también es una fase laminar , 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 realizan una variedad de funciones. Debido a que está separado del citosol , se puede hacer que el interior de la vesícula sea diferente del entorno citosólico. Por esta razón, las vesículas son una herramienta básica que utiliza la célula para organizar las sustancias celulares. Las vesículas participan en el metabolismo , el transporte, el control de la flotabilidad [1] y el almacenamiento temporal de alimentos y enzimas. También pueden actuar como cámaras de reacción química.
Estructura cerrada formada por moléculas anfifílicas que contiene solvente (generalmente agua). [2]
El Premio Nobel de Fisiología o Medicina de 2013 fue compartido por James Rothman , Randy Schekman y Thomas Südhof por su papel en el esclarecimiento (basándose en investigaciones anteriores, algunas de ellas de sus mentores) 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. [3] [4]
Las vacuolas son orgánulos celulares que contienen principalmente agua.
Las vesículas secretoras contienen materiales que se excretan de la célula. Las células tienen muchas razones para excretar materiales. Una razón es deshacerse de los desechos. Otra razón está ligada a la función de la célula. Dentro de un organismo más grande, algunas células están especializadas para producir ciertos químicos. Estos productos químicos se almacenan en vesículas secretoras y se liberan cuando es necesario.
Las vesículas extracelulares (EV) son partículas delimitadas por bicapas lipídicas producidas por todos los dominios de la vida, incluidos los eucariotas complejos, bacterias Gram negativas y Gram positivas, micobacterias y hongos. [6] [7]
Los diferentes tipos de vehículos eléctricos se pueden separar en función de la densidad [8] : Tabla 1 (por centrifugación diferencial de gradiente ), tamaño o marcadores de superficie. [11] Sin embargo, los subtipos de EV tienen rangos de tamaño y densidad superpuestos, y los marcadores únicos de subtipo deben establecerse celda por celda. Por lo tanto, es difícil precisar la vía de biogénesis que dio lugar a un EV en particular después de que salió de la célula. [7]
En los seres humanos, es probable que las vesículas extracelulares endógenas desempeñen un papel en la coagulación, la señalización intercelular y la gestión de desechos. [8] También están implicados en los procesos fisiopatológicos implicados en múltiples enfermedades, incluido el cáncer. [12] Las vesículas extracelulares han suscitado interés como una fuente potencial de descubrimiento de biomarcadores debido a su papel en la comunicación intercelular, la liberación en fluidos corporales fácilmente accesibles y la semejanza de su contenido molecular con el de las células liberadoras. [13] Las vesículas extracelulares de las células madre (mesenquimales) , también conocidas como secretoma de las células madre , se están investigando y aplicando con fines terapéuticos, predominantemente degenerativos., enfermedades autoinmunes y / o inflamatorias . [14]
En las bacterias Gram-negativas, los EV se producen al pellizcar la membrana externa; sin embargo, aún se desconoce cómo los vehículos eléctricos escapan de las gruesas paredes celulares de las bacterias grampositivas, las micobacterias y los hongos. Estos vehículos eléctricos contienen una carga variada, incluidos ácidos nucleicos, toxinas, lipoproteínas y enzimas, y tienen funciones importantes en la fisiología y patogénesis microbiana. En las interacciones huésped-patógeno, las bacterias gram negativas producen vesículas que desempeñan un papel 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. [15]
Se ha descubierto que las cianobacterias oceánicas liberan continuamente vesículas que contienen proteínas, ADN y ARN en el océano abierto. Las vesículas que transportan ADN de diversas bacterias abundan en muestras de agua de mar costeras y de mar abierto. [dieciséis]
Las vesículas de gas son utilizadas por Archaea , 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 celda para una máxima captación de luz solar. Estas vesículas son típicamente tubos cilíndricos o con forma de limón hechos de proteína; [17]su diámetro determina la fuerza de la vesícula y las más grandes son 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 funcionado para crear vesículas que tienen el diámetro máximo posible sin dejar de ser estructuralmente estables. La piel proteica es permeable a los gases pero no al agua, lo que evita que las vesículas se inunden. [1]
Las vesículas de matriz se encuentran dentro del espacio extracelular o matriz. Utilizando microscopía electrónica , fueron descubiertos de forma independiente en 1967 por H. Clarke Anderson [18] y Ermanno Bonucci. [19] Estas vesículas derivadas de células están especializadas para iniciar la biomineralización de la matriz en una variedad de tejidos, incluidos el hueso , el cartílago y la dentina . Durante la calcificación normal , una entrada importante de iones de calcio y fosfato en las células acompaña a la apoptosis celular (autodestrucción determinada genéticamente) y la formación de vesículas de matriz. La carga de calcio también conduce a la formación defosfatidilserina : complejos de calcio: fosfato en la membrana plasmática mediados 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. Así, las vesículas de la matriz transportan a la matriz extracelular calcio, fosfato, lípidos y las anexinas que actúan para nuclear la formación de minerales. Estos procesos están coordinados con precisión para producir, en el lugar y momento adecuados, la mineralización de la matriz del tejido, a menos que no exista el Golgi.
El cuerpo multivesicular , o MVB, es una vesícula unida a la membrana que contiene varias vesículas más pequeñas.
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Diagrama de células animales | |
Algunas vesículas se forman cuando parte de la membrana se desprende del retículo endoplásmico o del complejo de Golgi. Otros se producen cuando un objeto fuera de la célula está rodeado por la membrana celular.
La "capa" de la vesícula es una colección de proteínas que sirven para dar forma a la curvatura de una membrana donante, formando la forma de vesícula redondeada. Las proteínas de la cubierta también pueden funcionar para unirse a varias proteínas receptoras transmembrana, denominadas receptores de carga. Estos receptores ayudan a seleccionar qué material se endocitosis en la endocitosis mediada por receptores o en el transporte intracelular.
Hay tres tipos de capas de vesículas: clatrina , COPI y COPII . Los diversos tipos de proteínas de la cubierta ayudan a clasificar las vesículas hasta su destino final. Las capas de clatrina se encuentran en el tráfico de vesículas 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 al ER, mientras que las vesículas recubiertas de COPII son responsables del transporte anterógrado desde el ER al Golgi.
Se cree que la cubierta de clatrina se ensambla en respuesta a la proteína G reguladora . Una cubierta 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 causar la fusión de la vesícula y la membrana diana. Se hipotetiza que tales v-SNARE existen en la membrana de la vesícula, mientras que las complementarias en la membrana diana se conocen como t-SNARE.
A menudo, las SNARE asociadas con vesículas o membranas diana se clasifican en cambio como Qa, Qb, Qc o R SNARE debido a una variación adicional que simplemente v- o t-SNARE. Se puede ver una serie de diferentes complejos SNARE en diferentes tejidos y compartimentos subcelulares, con 36 isoformas identificadas actualmente en humanos.
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 suficiente para que la proteína Rab hidrolice su GTP unido y bloquee la vesícula en la membrana.
La fusión de vesículas puede ocurrir de dos maneras: fusión completa o fusión de besar y correr . La fusión requiere que las dos membranas estén a 1,5 nm entre sí. Para que esto suceda, 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 relacionada con la gemación, por lo que surge el término brotación y fusión.
Las proteínas de membrana que sirven como receptores a veces se etiquetan para su regulación a la baja mediante la unión de ubiquitina . Después de llegar a un endosoma a través de la vía descrita anteriormente, las vesículas comienzan a formarse dentro del endosoma, llevándose consigo las proteínas de membrana destinadas a la degradación; Cuando el endosoma madura para convertirse en lisosoma o se une a uno, las vesículas se degradan por completo. Sin este mecanismo, solo la parte extracelular de las proteínas de la membrana alcanzaría el lumen del lisosoma y solo esta parte se degradaría. [20]
Es debido a estas vesículas que el endosoma a veces se conoce como cuerpo multivesicular . El camino hacia su formación no se comprende completamente; a diferencia de las otras vesículas descritas anteriormente, la superficie exterior de las vesículas no está en contacto con el citosol .
La producción de vesículas de membrana es uno de los métodos para investigar varias membranas de la célula. Después de que el tejido vivo se tritura en suspensión , varias membranas forman pequeñas burbujas cerradas. Los fragmentos grandes de las células trituradas pueden descartarse mediante centrifugación a baja velocidad y luego la fracción de origen conocido ( plasmalema , tonoplasto , etc.) puede aislarse mediante centrifugación precisa a alta velocidad en el gradiente de densidad. Usando choque osmótico , es posible abrir temporalmente las vesículas (llenándolas con la solución requerida) y luego centrifugar hacia abajo nuevamente y resuspender en una solución diferente. Aplicar ionóforos como valinomicina puede crear gradientes electroquímicos comparables a los gradientes dentro de las células vivas.
Las vesículas se utilizan principalmente en dos tipos de investigación:
Las vesículas artificiales se clasifican en tres grupos según su tamaño: liposomas / vesículas unilaminares pequeños (SUV) con un rango de tamaño de 20 a 100 nm, liposomas / vesículas unilaminares grandes (LUV) con un rango de tamaño de 100 a 1000 nm y unilaminares gigantes liposomas / vesículas (GUV) con un rango de tamaño de 1 a 200 µm. [23] 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 de vesículas de fosfolípidos homogénea por extrusión o sonicación , [24] o por inyección rápida de una solución de fosfolípidos en una solución tampón acuosa. [25]De esta forma, se pueden preparar soluciones de vesículas acuosas de diferente composición de fosfolípidos, así como de diferentes tamaños de vesículas. Las vesículas más grandes fabricadas sintéticamente, 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 para ser estudiadas usando 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 convierte a las GUV en un sistema ideal para la recreación (e investigación) in vitro de las funciones celulares en entornos de membranas modelo similares a células. [26] Estos métodos incluyen métodos de microfluidos, que permiten una producción de vesículas de alto rendimiento con tamaños consistentes. [27]