Los lisosomas y la autofagia | Scitable

Por: Susana Castro-Obregón, Ph.D. (Instituto de Biotecnología de la Universidad Nacional Autónoma de México) ©2010 Nature Education 
¿Qué es lo que hacen las células cuando están “hambrientas”? Las células eucariotas hacen frente a condiciones de ayuno, comiendo sus propios componentes, un proceso llamado autofagia.

Normalmente, cuando usted tiene hambre busca algo de comer, pero ¿se has preguntado alguna vez lo que ocurre en el interior de sus células cuando no se dispone de alimentos? Por increíble que parezca, las células eucariotas han desarrollado una manera de resistir sin comer durante largos períodos de tiempo mediante la digestión de sus propios componentes. Cuando las condiciones de ayuno se prolongan, las células digieren parte de sus propios componentes citoplasmáticos para reciclar los metabolitos necesarios para sintetizar las moléculas esenciales. Por ejemplo, las células pueden digerir proteínas de larga vida para liberar aminoácidos. ¿Cómo ha evolucionado este proceso de auto-alimentación? ¿Cómo se controla por la célula? Hoy en día, la investigación sobre la autofagia es un campo cada vez con mayor prominencia debido a la que comprensión de los mecanismos básicos de la autofagia es la clave para entender cómo se mantienen las mismas células.

Lisosomas al ME

Lisosomas al ME

Actividad celular

El Metabolismo es el conjunto de reacciones químicas que ocurren en las células (y en consecuencia, en los organismos vivos) que están implicadas en el crecimiento celular, la reproducción y el mantenimiento. El metabolismo es el equilibrio entre dos procesos antagónicos: anabolismo y catabolismo. Con el anabolismo se sintetizan moléculas y se construyen estructuras. En el otro lado del espectro, el catabolismo rompe las moléculas y las estructuras. La autofagia (una palabra griega que significa “auto-alimentación”) es un proceso catabólico por el que las células eucariotas suministran componentes citoplasmáticos y orgánulos a los lisosomas para la digestión. Los lisosomas son orgánulos especializados que rompen las macromoléculas, permitiendo a la célula volver a utilizar esos materiales.

El descubrimiento de los lisosomas

En 1949, Christian de Duve, entonces presidente del Laboratorio de Química Fisiológica en la Universidad de Lovaina en Bélgica, realizó un estudio de cómo la insulina actúa sobre las células hepáticas. El quería determinar la ubicación dentro de las células de una enzima (un tipo de proteína implicada en las reacciones químicas) llamada glucosa-6-fosfatasa. Él y su grupo sabían que esta enzima jugaba un papel clave en la regulación de los niveles de azúcar en la sangre. Se obtuvieron extractos celulares mediante la mezcla de fragmentos de hígado de rata en agua destilada y centrifugando la mezcla a altas velocidades. Se observó una alta actividad de la fosfatasa en los extractos. Sin embargo, cuando trataron de purificar la enzima a partir de extractos celulares, tuvieron un inesperado problema: podían precipitar la enzima, pero no podían volver a disolverla.

En lugar de utilizar los extractos celulares, se decidió utilizar una técnica más suave que fraccionaba las células mediante centrifugación diferencial. Esta técnica separa los diferentes componentes de las células en base a sus tamaños y densidades. Los investigadores rompireon las células de hígado de rata y después fraccionaron las muestras en un medio de sacarosa utilizando la centrifugación. Tuvieron éxito en la detección de la actividad de la enzima en lo que se conoció como la fracción microsomal de la célula. Entonces la casualidad entró en escena.

Los científicos estaban utilizando una enzima llamada fosfatasa ácida como control para sus experimentos. Para su sorpresa, la actividad de la fosfatasa ácida después de la centrifugación diferencial fue de sólo un 10% de la actividad enzimática esperada (por ejemplo, la actividad que obtuvieron en sus experimentos anteriores utilizando extractos celulares). Un día, por casualidad, un científico purificó algunas fracciones celulares y luego las dejó en la nevera. Cinco días más tarde, después de volver a medir la actividad enzimática de las fracciones celulares, observó los niveles de actividad enzimática que estaban buscando! Para asegurarse de que no había error, se repitió el experimento varias veces. Cada vez los resultados fueron los mismos: si se mide la actividad enzimática utilizando muestras frescas, entonces la actividad era sólo un 10% de la actividad obtenida cuando se deja el resto de muestras durante cinco días en la nevera. ¿Cómo podrían explicar estos resultados?

Su hipótesis es que una barrera como una membrana limita la accesibilidad de la enzima a su substrato. Dejando el resto de muestras durante unos días en la nevera esto daba tiempo a las enzimas para difundirse. Ellos describieron la barrera de tipo membrana como una “estructura en forma de saco rodeado por una membrana y que contienen la fosfatasa ácida”. Hacia 1955, otras hidrolasas adicionales (enzimas que rompen enlaces químicos) fueron descubiertas en estas estructuras de forma de saco, sugiriendo que eran un nuevo tipo de orgánulo con una función lítica (Bainton 1981). De Duve nombró a estos orgánulos nuevos “lisosomas” para reflejar su naturaleza lítica.

Ese mismo año, Alex Novikoff de la Universidad de Vermont visitó el laboratorio de Duve. Como microscopista experimentado, Novikoff fue capaz de obtener las primeras micrografías electrónicas del nuevo orgánulo a partir de muestras de lisosomas parcialmente purificadas. Usando un método de tinción de la fosfatasa ácida, de Duve y Novikoff confirmaron su ubicación en el lisosoma usando microscopía óptica y estudios de microscopía electrónica (Essner y Novikoff 1961).

Hoy en día, se sabe que los lisosomas contienen hidrolasas que son capaces de digerir todos los tipos de macromoléculas. Christian de Duve fue reconocido por su papel en el descubrimiento de los lisosomas cuando se le concedió el Premio Nobel de Fisiología y Medicina en 1974. El descubrimiento de los lisosomas dio lugar a muchas nuevas preguntas. La pregunta más importante era: ¿cuál era la función fisiológica de esta “bolsa” de enzimas?

La función de los lisosomas

Una de las pistas definitivas sobre la función de los lisosomas vino de la obra de Werner Strauss y su grupo. Strauss quería entender cómo algunas moléculas extracelulares entran en la célula, un proceso conocido como endocitosis. Marcó las proteínas y las siguió en su viaje a través de la célula. Se observó que los lisosomas descritos por De Duve contenían fragmentos de las proteínas marcadas, y llegó a la conclusión de que las proteínas se degradan en los lisosomas (Straus 1954) . En otra serie de experimentos, Zanvil Cohn alimentó macrófagos (un tipo de célula del sistema inmune) con bacterias radiomarcadas. Se observó que todos los tipos de moléculas radiomarcadas bacterianas (lípidos, aminoácidos e hidratos de carbono) se acumulaban en los lisosomas (Cohn 1963). Cohn concluyó que los lisosomas funcionaban como el sistema digestivo de las células “alimentándose” de compuestos que entran en la célula desde el exterior, así como de los compuestos de dentro de la célula. Por lo tanto, los lisosomas son comparables a las plantas de reciclaje, que se encargan de la eliminación de productos de desecho y la reutilización de los componentes.

La autofagia y lisosomas

En los años siguientes, los investigadores estudiaron diferentes tipos de células por medio de microscopios electrónicos y descubrieron una amplia variedad de vesículas. Algunas de las vesículas contenían material citoplasmático envuelto. ¿Qué hicieron estas vesículas? Marilyn Farquhar y sus colaboradores de la Universidad de California, San Francisco, fueron los primeros en sugerir que estas vesículas particulares eran anteriores a los lisosomas (Smith & Farquhar 1966).

Los Pre-lisosomas formados de novo en el citoplasma de una membrana en forma de copa se llaman phagophore. Los bordes del phagophore se expanden cada vez más hasta alcanzar su forma más esférica, encerrando las piezas engullidas de citoplasma con lo que pudiera encontrarse dentro, y dando lugar a una vesícula de doble membrana. Farquhar observó estas vesículas cerradas, que son conocidas como autofagosomas. Los autofagosomas toman las moléculas dañadas u orgánulos y llevan esa carga a los lisosomas. Cuando de Duve observó los autofagosomas, se dio cuenta de que las células podrían degradar sus propios componentes y nombró al proceso “autofagia” (Figura 1).
Figura 1: Representación esquemática de la formación de fagolisosomasDurante la autofagia, el secuestro comienza con la formación de un phagophore que se expande en una autophagosome de doble membrana, mientras que rodea una parte del citoplasma. El autophagosome puede fusionarse con un endosoma (el producto de la endocitosis), que es una forma de heterophagy (Heterophagy se produce cuando la célula internaliza y se degrada el material que se origina fuera de la célula. En contraste, la autofagia ocurre cuando la célula consume parte de sí mismo) . El producto de la fusión endosoma-autophagosome se llama un amphisome. Los fusibles o completados autofagosoma amphisome con un lisosoma, que suministra hidrolasas ácidas. Las enzimas en el compartimento como resultado, un autolysosome, romper la membrana interna de la autophagosome y degradar la carga. Las macromoléculas resultantes se liberan y se recicla en el citosol.

Figura 1: Representación esquemática de la formación de fagolisosomas
Durante la autofagia, el secuestro comienza con la formación de un phagophore que se expande en una autophagosome de doble membrana, mientras que rodea una parte del citoplasma. El autophagosome puede fusionarse con un endosoma (el producto de la endocitosis), que es una forma de heterophagy (Heterophagy se produce cuando la célula internaliza y se degrada el material que se origina fuera de la célula. En contraste, la autofagia ocurre cuando la célula consume parte de sí mismo) . El producto de la fusión endosoma-autophagosome se llama un amphisome. Los fusibles o completados autofagosoma amphisome con un lisosoma, que suministra hidrolasas ácidas. Las enzimas en el compartimento como resultado, un autolysosome, romper la membrana interna de la autophagosome y degradar la carga. Las macromoléculas resultantes se liberan y se recicla en el citosol.

La autofagia: un proceso de auto-digestión

Durante muchos años, los científicos sólo podían estudiar la autofagia mediante el examen de las células con microscopios electrónicos. Con esta herramienta, se estableció que después formar autofagosomas, se fusionan a la membrana lisosómica para formar una estructura conocida como autolisosoma (Figura 1). Luego, dependiendo de los estímulos que iniciaron el proceso de autofagia, la carga se degrada o se recicla.

En 1992, Yoshinori Ohsumi y sus colegas de la Universidad de Tokio descubrieron que la autofagia también se produce en la levadura. Usando un microscopio de luz, se dieron cuenta de que un par de horas después de que las levaduras mueran de hambre, la vacuola (que funciona como nuestros lisosomas) se llena con vesículas que contienen trozos de citoplasma. Estas vesículas se originan en el citoplasma y luego se fusionan con los lisosomas, exactamente como en las células animales y vegetales. Ser capaces de utilizar levaduras como modelo experimental abrió la puerta al estudio de la biología molecular de la maquinaria autofágica (y la identificación de las proteínas clave que participan en el proceso) (Takeshige et al. 1992).

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