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 ), absorción ( endocitosis ) y transporte de materiales dentro de la membrana plasmática . Alternativamente, pueden prepararse artificialmente, en cuyo caso se denominan liposomas (no confundir con lisosomas ). Si sólo existe una bicapa de fosfolípidos , las vesículas se denominan liposomas unilaminares ; de lo contrario se denominan liposomas multilamelares . [1] 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 separada del citosol , se puede hacer que el interior de la vesícula sea diferente del ambiente citosólico. Por este motivo, las vesículas son una herramienta básica que utiliza la célula para organizar sustancias celulares. Las vesículas participan 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.
Estructura cerrada formada por moléculas anfifílicas que contiene disolvente (normalmente agua). [3]
El Premio Nobel de Fisiología o Medicina de 2013 fue compartido por James Rothman , Randy Schekman y Thomas Südhof por su papel en dilucidar (basándose en investigaciones anteriores, algunas de ellas realizadas por 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. [4] [5]
Las vacuolas son orgánulos celulares que contienen principalmente agua. [ cita necesaria ]
Las vesículas secretoras contienen materiales que deben ser excretados 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 ciertas sustancias químicas. Estas sustancias químicas se almacenan en vesículas secretoras y se liberan cuando es necesario.
Las vesículas extracelulares (VE) son partículas delimitadas por bicapa lipídica producidas por todos los ámbitos de la vida, incluidos eucariotas complejos, bacterias, micobacterias y hongos tanto gramnegativos como grampositivos. [7] [8]
Se pueden separar diferentes tipos de vehículos eléctricos según la densidad [9] : Tabla 1 (mediante centrifugación diferencial en gradiente ), tamaño o marcadores de superficie. [12] Sin embargo, los subtipos de EV tienen rangos de tamaño y densidad superpuestos, y los marcadores únicos de subtipo deben establecerse célula por célula. Por lo tanto, es difícil determinar con precisión la vía de biogénesis que dio origen a un vehículo eléctrico en particular después de que abandonó 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 residuos. [9] También están implicados en los procesos fisiopatológicos implicados en múltiples enfermedades, incluido el cáncer. [13] Las vesículas extracelulares han despertado el interés como 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 las células madre (mesenquimales) , también conocidas como secretoma de las células madre , están siendo investigadas y aplicadas con fines terapéuticos, predominantemente en enfermedades degenerativas , autoinmunes y/o inflamatorias . [15]
En las bacterias Gram-negativas, los EV se producen pellizcando la membrana externa; sin embargo, aún se desconoce cómo los vehículos eléctricos escapan de las gruesas paredes celulares de las bacterias, micobacterias y hongos grampositivos. Estos vehículos eléctricos contienen una carga variada, incluidos ácidos nucleicos, toxinas, lipoproteínas y enzimas, y desempeñan funciones importantes en la fisiología y patogénesis microbiana. En las interacciones huésped-patógeno, las bacterias gramnegativas producen vesículas que desempeñan funciones 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. [dieciséis]
Se ha descubierto que las cianobacterias oceánicas liberan continuamente vesículas que contienen proteínas, ADN y ARN en mar abierto. Las vesículas que transportan ADN de diversas bacterias abundan en muestras de agua de mar costeras y de mar abierto. [17]
La hipótesis del mundo del ARN supone que los primeros genomas autorreplicantes fueron hebras de ARN. Esta hipótesis contiene la idea de que las hebras de ARN formaron 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 anfífilos 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 tanto, la flotabilidad , o posiblemente para posicionar la célula para obtener la máxima captación de luz solar. Estas vesículas suelen ser tubos cilíndricos o con forma de limón hechos de proteína; [19] 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 trabajado para crear vesículas que tienen el máximo diámetro posible y al mismo tiempo son estructuralmente estables. La piel proteica es permeable a los gases pero no al agua, lo que evita que las vesículas se inunden. [2]
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 [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 el hueso , el cartílago y la dentina . Durante la calcificación normal , una importante entrada de iones calcio y fosfato en las células acompaña a la apoptosis celular (autodestrucción determinada genéticamente) y a la formación de vesículas de 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. Así, las vesículas de la matriz transportan a la matriz extracelular calcio, fosfato, lípidos y anexinas que actúan para nuclear la formación de minerales. Estos procesos están coordinados con precisión para provocar, en el lugar y momento adecuados, la mineralización de la matriz del tejido, a menos que el aparato de Golgi no exista. [ cita necesaria ]
El cuerpo multivesicular , o MVB, es una vesícula unida a una membrana que contiene varias vesículas más pequeñas. [ cita necesaria ]
Algunas vesículas se forman cuando parte de la membrana se desprende del retículo endoplasmático o del complejo de Golgi. Otros se producen cuando un objeto fuera de la célula está rodeado por la membrana celular. [ cita necesaria ]
La "capa" de la vesícula es un conjunto de proteínas que sirven para dar forma a la curvatura de una membrana donante, formando la forma de vesícula redondeada. Las proteínas de cubierta también pueden funcionar para unirse a varias proteínas receptoras transmembrana, llamadas receptores de carga. Estos receptores ayudan a seleccionar qué material se endocitosa en la endocitosis mediada por receptores o en el transporte intracelular.
Hay tres tipos de cubiertas vesiculares: clatrina , COPI y COPII . Los distintos tipos de proteínas de la cubierta ayudan a clasificar las vesículas hasta su destino final. Las capas 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 al RE, mientras que las vesículas recubiertas de COPII son responsables del transporte anterógrado desde el RE al Golgi.
Se cree que la cubierta de clatrina se ensambla en respuesta a la proteína G reguladora . Una cubierta proteica se ensambla y desmonta debido a una proteína del factor de ribosilación ADP (ARF).
Las proteínas de superficie llamadas SNARE identifican la carga de la vesícula y las SNARE complementarias en la membrana objetivo actúan para provocar la fusión de la vesícula y la membrana objetivo. Se supone que tales v-SNARES existen en la membrana de la vesícula, mientras que los complementarios en la membrana objetivo se conocen como t-SNARE. [ cita necesaria ]
A menudo, los SNARE asociados con vesículas o membranas diana se clasifican como Qa, Qb, Qc o R SNARE debido a una mayor variación que simplemente v- o t-SNARE. Se puede observar una variedad de diferentes complejos SNARE en diferentes tejidos y compartimentos subcelulares, con 36 isoformas identificadas actualmente en humanos. [ cita necesaria ]
Se cree que las proteínas Rab reguladoras 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 suficientemente largo para que la proteína Rab hidrolice su GTP unido y bloquee 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, incluida Zheng et al 1999, en la que ella y su equipo descubrieron que AtVTI1a es esencial para el transporte de vacuola Golgi ⇄ . [22]
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 coloquen a una distancia de 1,5 nm entre sí. Para que esto ocurra, es necesario desplazar el agua 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 ligada a la gemación, de ahí que surge el término gemación y fusión.
Las proteínas de membrana que sirven como receptores a veces están marcadas para su regulación negativa mediante la unión de ubiquitina . Después de llegar al 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, sólo la parte extracelular de las proteínas de membrana alcanzaría la luz del lisosoma y sólo esta parte se degradaría. [23]
Es debido a estas vesículas que el endosoma a veces se conoce como cuerpo multivesicular . El camino hacia su formación no se comprende del todo; 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 y queda suspendido , varias 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 el gradiente de densidad. Utilizando el shock osmótico , es posible abrir temporalmente las vesículas (llenándolas con la solución requerida) y luego centrifugarlas nuevamente 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 investigación:
Las vesículas artificiales se clasifican en tres grupos según su tamaño: liposomas/vesículas unilaminares pequeñas (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 vesículas unilaminares gigantes liposomas/vesículas (GUV) con un rango de tamaño de 1 a 200 µm. [26] Las vesículas más pequeñas del 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 mediante extrusión o sonicación , [27] o mediante inyección rápida de una solución de fosfolípidos en una solución tampón acuosa. [28] De esta manera, se pueden preparar soluciones acuosas de vesículas 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 como para estudiarlas mediante microscopía óptica de fluorescencia tradicional. Existe una variedad de métodos para encapsular reactivos biológicos como soluciones de proteínas dentro de dichas vesículas, lo que convierte a los GUV en un sistema ideal para la recreación (e investigación) in vitro de funciones celulares en entornos de membrana modelo similares a células. [29] Estos métodos incluyen métodos de microfluidos, que permiten una producción de alto rendimiento de vesículas con tamaños consistentes. [30]