La secreción es el movimiento de material de un punto a otro, como una sustancia química secretada de una célula o glándula . Por el contrario, la excreción es la eliminación de ciertas sustancias o productos de desecho de una célula u organismo. El mecanismo clásico de secreción celular es a través de portales secretores en la membrana plasmática llamados porosomas . [1] Los porosomas son estructuras lipoproteicas permanentes en forma de copa incrustadas en la membrana celular, donde las vesículas secretoras se acoplan y fusionan transitoriamente para liberar contenido intravesicular de la célula.
La secreción en las especies bacterianas significa el transporte o translocación de moléculas efectoras, por ejemplo: proteínas , enzimas o toxinas (como la toxina del cólera en bacterias patógenas, p. ej., Vibrio cholerae ) desde el interior ( citoplasma o citosol ) de una célula bacteriana hasta su exterior. La secreción es un mecanismo muy importante en el funcionamiento y operación de las bacterias en su entorno natural circundante para la adaptación y supervivencia.
Las células eucariotas , incluidas las células humanas , tienen un proceso de secreción altamente evolucionado . Las proteínas dirigidas al exterior son sintetizadas por ribosomas acoplados al retículo endoplasmático rugoso (RE). A medida que se sintetizan, estas proteínas se translocan al lumen del RE , donde se glucosilan y donde las chaperonas moleculares ayudan al plegamiento de las proteínas . Las proteínas mal plegadas generalmente se identifican aquí y se retrotranslocan por degradación asociada al RE al citosol , donde son degradadas por un proteasoma . Las vesículas que contienen las proteínas correctamente plegadas luego ingresan al aparato de Golgi .
En el aparato de Golgi, la glicosilación de las proteínas se modifica y pueden producirse otras modificaciones postraduccionales , como la escisión y la funcionalización. A continuación, las proteínas se trasladan a vesículas secretoras que viajan a lo largo del citoesqueleto hasta el borde de la célula. Pueden producirse más modificaciones en las vesículas secretoras (por ejemplo, la insulina se escinde de la proinsulina en las vesículas secretoras).
Finalmente, se produce la fusión de la vesícula con la membrana celular en los porosomas, mediante un proceso llamado exocitosis , arrojando su contenido fuera del entorno de la célula. [2]
Se mantiene un control bioquímico estricto sobre esta secuencia mediante el uso de un gradiente de pH : el pH del citosol es 7,4, el pH del RE es 7,0 y el del cis-golgi tiene un pH de 6,5. Las vesículas secretoras tienen pH que oscilan entre 5,0 y 6,0; algunas vesículas secretoras evolucionan hacia lisosomas , que tienen un pH de 4,8.
Existen muchas proteínas, como FGF1 (aFGF), FGF2 (bFGF), interleucina-1 (IL1), etc., que no tienen una secuencia señal y no utilizan la vía clásica del RE al Golgi. Se secretan a través de diversas vías no clásicas.
Se han descrito al menos cuatro vías de secreción de proteínas no clásicas (no convencionales). [3] Estas incluyen:
Además, las proteínas pueden liberarse de las células mediante heridas mecánicas o fisiológicas [4] y a través de poros oncóticos transitorios no letales en la membrana plasmática inducidos por el lavado de las células con medios o tampones sin suero. [5]
Muchos tipos de células humanas tienen la capacidad de ser células secretoras. Tienen un retículo endoplasmático bien desarrollado y un aparato de Golgi para cumplir con esta función. Los tejidos que producen secreciones incluyen el tracto gastrointestinal que secreta enzimas digestivas y ácido gástrico , los pulmones que secretan surfactantes y las glándulas sebáceas que secretan sebo para lubricar la piel y el cabello. Las glándulas de Meibomio en el párpado secretan meibum para lubricar y proteger el ojo.
La secreción no es exclusiva de los eucariotas, también está presente en bacterias y arqueas. Los transportadores de tipo ATP binding cassette (ABC) son comunes a los tres dominios de la vida. Algunas proteínas secretadas son translocadas a través de la membrana citoplasmática por el translocón SecYEG , uno de los dos sistemas de translocación, que requiere la presencia de un péptido señal N-terminal en la proteína secretada. Otras son translocadas a través de la membrana citoplasmática por la vía de translocación de arginina gemela (Tat). Las bacterias gramnegativas tienen dos membranas, lo que hace que la secreción sea topológicamente más compleja. Hay al menos seis sistemas de secreción especializados en las bacterias gramnegativas. [6]
La secreción de tipo I es un sistema de secreción dependiente de chaperonas que emplea los grupos de genes Hly y Tol. El proceso comienza cuando la secuencia líder de la proteína que se va a secretar es reconocida por HlyA y se une a HlyB en la membrana. Esta secuencia señal es extremadamente específica para el transportador ABC. El complejo HlyAB estimula a HlyD, que comienza a desenrollarse y alcanza la membrana externa, donde TolC reconoce una molécula terminal o señal en HlyD. HlyD recluta a TolC hacia la membrana interna y HlyA se excreta fuera de la membrana externa a través de un canal proteico de túnel largo.
El sistema de secreción de tipo I transporta diversas moléculas, desde iones y fármacos hasta proteínas de diversos tamaños (20 a 900 kDa). Las moléculas secretadas varían en tamaño desde el pequeño péptido de Escherichia coli , colicina V (10 kDa), hasta la proteína de adhesión celular LapA de Pseudomonas fluorescens de 520 kDa. [7] Las mejor caracterizadas son las toxinas RTX y las lipasas. La secreción de tipo I también está involucrada en la exportación de sustratos no proteínicos como los β-glucanos cíclicos y los polisacáridos.
Las proteínas secretadas a través del sistema de tipo II, o rama terminal principal de la vía secretora general, dependen del sistema Sec o Tat para el transporte inicial al periplasma . Una vez allí, pasan a través de la membrana externa mediante un complejo multimérico (12-14 subunidades) de proteínas secretinas formadoras de poros. Además de la proteína secretina, otras 10-15 proteínas de membrana interna y externa componen el aparato de secreción completo, muchas con una función aún desconocida. Los pili tipo IV de las bacterias gramnegativas utilizan una versión modificada del sistema tipo II para su biogénesis y, en algunos casos, ciertas proteínas se comparten entre un complejo de pilus y un sistema tipo II dentro de una misma especie bacteriana.
Es homólogo del cuerpo basal en los flagelos bacterianos. Es como una jeringa molecular a través de la cual una bacteria (por ejemplo, ciertos tipos de Salmonella , Shigella , Yersinia , Vibrio ) puede inyectar proteínas en células eucariotas. La baja concentración de Ca2 + en el citosol abre la puerta que regula el T3SS. Uno de esos mecanismos para detectar una baja concentración de calcio ha sido ilustrado por el antígeno lcrV (Low Calcium Response) utilizado por Yersinia pestis , que se utiliza para detectar bajas concentraciones de calcio y provoca la unión del T3SS. El sistema Hrp en los patógenos de las plantas inyecta harpins y proteínas efectoras de patógenos a través de mecanismos similares en las plantas. Este sistema de secreción se descubrió por primera vez en Yersinia pestis y demostró que las toxinas podían inyectarse directamente desde el citoplasma bacteriano al citoplasma de las células de su huésped en lugar de simplemente secretarse al medio extracelular. [8]
Es homólogo de la maquinaria de conjugación de las bacterias, los pili conjugativos . Es capaz de transportar tanto ADN como proteínas. Fue descubierto en Agrobacterium tumefaciens , que utiliza este sistema para introducir la porción T-ADN del plásmido Ti en la planta huésped, lo que a su vez hace que el área afectada se convierta en una agalla de corona (tumor). Helicobacter pylori utiliza un sistema de secreción de tipo IV para entregar CagA a las células epiteliales gástricas, lo que está asociado con la carcinogénesis gástrica. [9] Bordetella pertussis , el agente causante de la tos ferina, secreta la toxina pertussis en parte a través del sistema de tipo IV. Legionella pneumophila , el agente causante de la legionelosis (enfermedad del legionario), utiliza un sistema de secreción de tipo IVB, conocido como sistema icm/dot ( multiplicación intracelular / defecto en los genes de tráfico de organelos ), para translocar numerosas proteínas efectoras a su huésped eucariota. [10] El sistema de secreción prototípico de tipo IVA es el complejo VirB de Agrobacterium tumefaciens . [ 11 ]
Los miembros proteínicos de esta familia son componentes del sistema de secreción de tipo IV. Median la transferencia intracelular de macromoléculas a través de un mecanismo ancestralmente relacionado con el de las maquinarias de conjugación bacterianas . [12] [13]
El sistema de secreción de tipo IV (T4SS) es el mecanismo general por el cual las células bacterianas secretan o absorben macromoléculas. Su mecanismo preciso sigue siendo desconocido. El T4SS está codificado en elementos conjugativos Gram-negativos en bacterias . Los T4SS son complejos que abarcan la envoltura celular o, en otras palabras, 11-13 proteínas centrales que forman un canal a través del cual el ADN y las proteínas pueden viajar desde el citoplasma de la célula donante al citoplasma de la célula receptora. Los T4SS también secretan proteínas de factor de virulencia directamente en las células huésped, además de absorber ADN del medio durante la transformación natural . [14]
Como se muestra en la figura anterior, TraC, en particular, consta de un haz de tres hélices y un apéndice globular suelto. [13]
El T4SS tiene dos proteínas efectoras: en primer lugar, ATS-1, que significa sustrato translocado de Anaplasma 1, y en segundo lugar AnkA , que significa proteína A que contiene el dominio de repetición de anquirina. Además, las proteínas de acoplamiento del T4SS son VirD4, que se unen a VirE2. [15]
También llamado sistema de autotransportador, [16] la secreción de tipo V implica el uso del sistema Sec para cruzar la membrana interna. Las proteínas que utilizan esta vía tienen la capacidad de formar un barril beta con su extremo C que se inserta en la membrana externa, lo que permite que el resto del péptido (el dominio pasajero) llegue al exterior de la célula. A menudo, los autotransportadores se escinden, dejando el dominio de barril beta en la membrana externa y liberando el dominio pasajero. Algunos investigadores creen que los restos de los autotransportadores dieron lugar a las porinas que forman estructuras de barril beta similares. [ cita requerida ] Un ejemplo común de un autotransportador que utiliza este sistema de secreción son las adhesinas autotransportadoras triméricas . [17]
Los sistemas de secreción de tipo VI fueron identificados originalmente en 2006 por el grupo de John Mekalanos en la Escuela de Medicina de Harvard (Boston, EE. UU.) en dos patógenos bacterianos, Vibrio cholerae y Pseudomonas aeruginosa . [18] [19] Estos se identificaron cuando las mutaciones en los genes Hcp y VrgG en Vibrio cholerae llevaron a una disminución de la virulencia y patogenicidad. Desde entonces, los sistemas de secreción de tipo VI se han encontrado en una cuarta parte de todos los genomas proteobacterianos, incluidos patógenos animales, vegetales y humanos, así como bacterias del suelo, ambientales o marinas. [20] [21] Si bien la mayoría de los primeros estudios de la secreción de tipo VI se centraron en su papel en la patogénesis de organismos superiores, estudios más recientes sugirieron un papel fisiológico más amplio en la defensa contra depredadores eucariotas simples y su papel en las interacciones entre bacterias. [22] [23] Los grupos de genes del sistema de secreción de tipo VI contienen de 15 a más de 20 genes, dos de los cuales, Hcp y VgrG, han demostrado ser sustratos secretados casi universalmente por el sistema. El análisis estructural de estas y otras proteínas de este sistema guarda una sorprendente similitud con la espiga de la cola del fago T4, y se cree que la actividad del sistema se asemeja funcionalmente a la infección por fagos. [24]
Además del uso de los complejos multiproteicos enumerados anteriormente, las bacterias Gram-negativas poseen otro método para la liberación de material: la formación de vesículas de membrana externa bacteriana . [25] Porciones de la membrana externa se desprenden, formando estructuras esféricas a escala nanométrica hechas de una bicapa lipídica rica en lipopolisacáridos que encierra materiales periplásmicos, y se utilizan para el tráfico de vesículas de membrana para manipular el entorno o invadir la interfaz huésped-patógeno . Se ha descubierto que las vesículas de varias especies bacterianas contienen factores de virulencia, algunas tienen efectos inmunomoduladores y algunas pueden adherirse directamente a las células huésped e intoxicarlas. Se ha demostrado que la liberación de vesículas es una respuesta general a las condiciones de estrés, el proceso de carga de proteínas de carga parece ser selectivo. [26]
En algunas especies de Staphylococcus y Streptococcus , el sistema secretor accesorio maneja la exportación de glicoproteínas de adhesión altamente repetitivas.
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