Biología Celular y Embriología General de la Universidad de Almería

Biología Celular y Embriología General

. SI UNIVER UNIVERSIDAD DE ALMERÍA ITAS ALA Biología Celular y Embriología General Temas 12. LISOSOMAS Profesora: Lellys M. Contreras M. Área: Bioquímica y Biología Molecular https://app.jove.com/es/embed/player?id=11961&language=Spanish&t =1&s=1&fpv=1 Cap. 3, 6 y 13. Alberts B et al. (2014), Molecular Biology of the Cell, 6th ed., Garland Science. Cap. 9 y 10. Calvo, A. (2015), Biología Celular Biomédica, 1ª ed., Editorial Elsevier. Barcelona. Cap. 10 y 12. Cooper, G.M. & Hausman, R.E. (2022), La Célula, 8ª ed., Editorial Marbán, Madrid.

Objetivos de aprendizaje

1Objetivos de aprendizaje . SI UNIVER UNIVERSIDAD DE ALMERÍA ITAS ALA

1. Conocer la estructura y la función del lisosoma.
2. Estudiar su participación en el tráfico vesicular.
3. Estudiar otros procesos de degradación de biomoléculas.

Puntos a desarrollar

2Puntos a desarrollar IN . SI UNIVER UNIVERSIDAD DE ALMERÍA ITAS ALA

1. Lisosoma, estructura y función
2. Tipos de autofagia y función
3. Orgánulos relacionados con los lisosomas
4. Proteosomas: estructura. Mecanismos de proteólisis dependiente de proteosomas

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Lisosomas

3LISOSOMAS · Descubiertos en 1955 por Christian De Duve como una fracción con actividad de fosfatasa ácida. · Presentes en la mayoría de las células animales nucleadas. · Abundantes en células con función fagocítica: leucocitos polimorfonucleares, macrófagos, osteoclastos, etc. · Orgánulos rodeados de membrana que contienen enzimas capaces de degradar todas las clases de polímeros biológicos: proteínas, ácidos nucleicos, carbohidratos y lípidos.

• 40 tipos de hidrolasas ácidas (actividad óptima pH 5): proteasas, nucleasas, glucosidasas, lisozima, arilsulfatasas, lipasas, fosfolipasas y fosfatasas. ~

• Función: · Degradan sustancias procedentes del exterior de la célula que fueron endocitadas. . Pueden englobar y digerir orgánulos (mitocondrias, membranas citoplasmaticas, etc.) y porciones del citoplasma de la propia célula en grandes vacuolas digestivas. · Degradar proteínas citoplasmáticas que entran en los lisosomas para su destrucción (sec. KFERN). Recientemente, se les atribuye "ser sensores del estado metabólico de la célula".

Composición Química del Lisosoma

4COMPOSICIÓN QUÍMICA DEL LISOSOMA . SI VIVE UNIVERSIDAD DE ALMERÍA RS ITAS ALA · Membrana de los lisosomas:

• Bomba de protones: introduce iones H+ en contra de su gradiente.
• Proteínas transportadoras para traslocar al citosol productos de la digestión:

• Aminoácidos, azúcares y nucleótidos.
• Canales que permiten el paso de iones (K+, N+, Cl- y Ca+2).
• Potencial de membrana en la membrana lisosomal de -40 a -20 mV en reposo.

• Ayuda a regular el gradiente de protones, y posibilita la liberación de calcio durante la exocitosis de los lisosomas.
• Alto contenido de proteínas de membrana glucosiladas que recubre la superficie interna:

• Especie de "glicocálix lisosomal" con los azúcares muchos más compactados pero de tan sólo unos 8 nm de espesor:

• Actúan como barrera para impedir el contacto entre las enzimas y la membrana lisosomal. 0.2-0.5 um PH~7.2 CYTOSOL PH~5.0 ACID HYDROLASES: nucleases proteases glycosidases lipases phosphatases sulfatases phospholipases H+ H+ pump ATP ADP

Tipos de Lisosomas

5TIPOS DE LISOSOMAS NI - . SI UNIVER UNIVERSIDAD DE ALMERÍA AS AL Outside of cell Endocytic vesicle Recycling to plasma membrane Early endosome Recycling of receptor Late endosome Recycling endosome Transport vesicles Acid carrying acid hydrolase hydrolases Mannose- 6-phosphate receptor trans-Golgi network Lysosome THE CELL: A MOLECULAR APPROACH 8e, Figure 12.35 @ 2019 Oxford University Press · Son cuerpos generalmente esféricos pero extraordinariamente diversos en cuanto a tamaños:

• 0,2 a 0,5 um Lisosomas primarios: son vesículas emanadas de la cara trans del AG. No han encontrado todavía substrato para digerir. Sólo contienen enzimas hidrolíticos y son de pequeño tamaño. Son de contenido homogéneo. C K. G. Murti/Visuals Unlimited, Inc. THE CELL: A MOLECULAR APPROACH 8e, Figure 12.33 2019 Oxford University Press 0.5 um Lisosomas secundarios: se forman por la fusión del endosoma tardío, fagosoma o pinosoma con lisosomas primarios. Contienen materiales en digestión en su interior, muestran contenido heterogéneo y son de mayor tamaño. También son más irregulares. La digestión incompleta puede generar lisosomas generalmente grandes y con forma irregular: cuerpos residuales o gránulos de lipofuscina.

Puntos a Desarrollar (Continuación)

6Puntos a desarrollar IN . SI UNIVER UNIVERSIDAD DE ALMERÍA ITAS ALA

1. Lisosoma, estructura y función
2. Tipos de autofagia y función
3. Orgánulos relacionados con los lisosomas
4. Proteosomas: estructura. Mecanismos de proteólisis dependiente de proteosomas

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Rutas de Degradación en Lisosomas

7Cuatro rutas para la degradación en Lisosomas . SI UNIVERSIDAD DE ALMERÍA AS AL EXTRACELLULAR FLUID CYTOSOL - phagosome phagocytosis 2. Fagocitosis: fagosomas plasma membrane early endosome endocytosis LYSOSOME LATE ENDOSOME mitochondrion 0 0 autophagosome autophagy macropinocytosis 1. Ruta endocítica: endosomas. H E T R O F A G 3. Macropinositosis: macropinosoma I I A 4. Autofagia https://app.jove.com/es/embed/player?id=11962&language=Spanish&t=1&s=1&fpv=1 8 E bacterium

Autofagia y Función

AUTOFAGIA Y FUNCIÓN . SI UNIV UNIVERSIDAD DE ALMERÍA AS

• Proceso ubicuo por el cual las células digieren sus propios componentes celulares. Importante durante el crecimiento normal de las células y durante el desarrollo:

• En todas las células existe una autofagia basal y permanente > la autofagia es necesaria para las células bajo cualquier circunstancia.

• Beneficios para la célula: 1. Es un mecanismo protector donde el reciclaje dinámico de sus estructuras redunda en la renovación y la homeostasis celular. 2. Elimina componentes celulares alterados, hipertrofiados o invadidos por agentes infecciosos. 3. Supone un mecanismo de supervivencia celular en situaciones de inanición o estrés.

• Defectos en la autofagia pueden impedir que las células eliminen microorganismos invasores, agregados proteicos indeseados y proteínas anormales que contribuyen al desarrollo de enfermedades.

Modelo de Autofagia (Macroautofagia)

9Un modelo de AUTOFAGIA (macroautofagia) engulfed cytosol and organelles - - C autophagosome INDUCTION acid hydrolases lysosome NUCLEATION AND EXTENSION CLOSURE FUSION WITH LYSOSOMES DIGESTION 1. Inducción por activación de una vía de señalización

• Proteínas quinasas como mTOR1 retransmite información del estatus metabólico de la célula. Se activan y emiten señales a la maquinaria autofágica.

• Inicia el proceso de nucleación en el citoplasma:

• Membrana autofagosomal crece por la fusión de vesículas de origen desconocido con ATG9. 2. Formación y sellado del autofagosoma que secuestra una porción del citoplasma. 3. Fusión del autofagosoma con lisosomas, catalizada por proteína SNARE. 4. Digestión de la membrana interna y el contenido luminal del autofagosoma. mitochondrion peroxisome (B) 1 pm

Tipos de Autofagia

10TIPOS DE AUTOFAGIA INI . SI UNIV UNIVERSIDAD DE ALMERÍA AS AL 1. Macroautofagia (autofagia a gran escala donde: autofagosoma se fusiona con el lisosoma). 2. Microautofagia (autofagia a pequeña escala): · Captación de pequeñas porciones de citoplasma por invaginaciones de la membrana del lisosoma, donde tiene lugar la digestión de las sustancias. Invaginación de CMV. 3. Autofagia mediada por chaperonas: Algunas proteínas citosólicas presentan la secuencia de translocación "KFERQ" al lisosoma que son reconocidas por la chaperona Hsp70 y otras cochaperonas. La entrada es a través de la proteína transmembrana del lisosoma Lamp-2A. La autofagia es inducida por: Estrés celular, infección por patógenos o malformaciones celulares internas. En ausencia de alimento se activa la autofagia principalmente en hígado, páncreas, músculo esquelético y riñón. Lysosome L L 6 PROTEINS Amino acids Amino acids ATP H+ pH ~ 4.5-5.0 H+ Cytosol ADP + Pi PH ~ 7.0-7.4 https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK6036/ 11 L Cathepsins

Puntos a Desarrollar (Orgánulos y Proteólisis)

Puntos a desarrollar IN . SI UNIVER UNIVERSIDAD DE ALMERÍA ITAS ALA 1. Lisosoma, estructura y función 2. Tipos de autofagia y función 3. Orgánulos relacionados con los lisosomas 4. Proteosomas: estructura. Mecanismos de proteólisis dependiente de proteosomas @LYSOSOME CELL DIGESTION · ENZYME SACKS CELL WASTE >> BUILDING MATERIAL

RER, Red Trans Golgi y Endosomas

12RER, RED TRANS GOLGI Y ENDOSOMAS . SI VIV Las hidrolasas se sintetizan en el RER, y se dirigen en vesículas de COP-II. En la red del cis Golgi sufren SU única modificación P en el C6 de la Manosa. lysosomal hydrolase precursor M6P receptor mannose TRANSPORT TO ENDOSOME ATP ADP + P BINDING TO M6P RECEPTOR H+ UNCOVERING OF M6P SIGNAL ADDITION OF P-GIcNAc transport vesicle retromer coat REMOVAL OF PHOSPHATE clathrin coat DISSOCIATION AT ACIDIC pH lysosomal hydrolase precursor early endosome RECEPTOR RETRIEVAL M6P receptor in budding vesicle cis Golgi network trans Golgi network Golgi apparatus En los endosomas, las hidrolasas se disocian del receptor M6P. Recuperación del receptor M6P en vesículas hacia el TGN para posteriores rondas de transporte. En los endosomas, se elimina el P de las M6P y se activa. P en C6 de la manosa impide que la enzima hidrolítica funcione. Al llegar a la red trans, se encuentre con el receptor de manosa-6-P M6P a la cual se va a unir. Tras esta unión se produce la activación de la proteína ARF en forma de GTP, polimeriza clatrina alrededor de la membrana y se forma la vesícula que transportará la enzima fosforilada junto con su receptor M6P receptor hacia el endosoma temprano. 13 UNIVERSIDAD DE ALMERÍA from ER

Puntos a Desarrollar (Proteosomas)

Puntos a desarrollar NI . UNIVERS . SI UNIVERSIDAD DE ALMERÍA ITAS ALA 1. Lisosoma, estructura y función 2. Tipos de autofagia y función 3. Orgánulos relacionados con los lisosomas 4. Proteosomas: estructura. Mecanismos de proteólisis dependiente de proteosomas. LYSOSOME CELL DIGESTION ENZYME SACKS CELL WASTE >> BUILDING MATERIAL

Ubiquitinación de Proteínas

14UBIQUITINACIÓN DE PROTEÍNAS UNIVE UNIVERSIDAD DE ALMERÍA AS ALM Proteína diana Ubiquitina E3 (ligasa) ATP Pi + ADP + Unión a E3 E1 activadora Transferencia de ubiquitina a E2 E2 (2) (coniuaadora) Enlace isopeptídico Lys48 proteasomal degradation 10-12 ubiquitinas 1. Ubiquitina se activa por unión a E1, en un proceso que requiere ATP. 2. Conjugación con E2. El complejo E2-ubiquitina se une a la enzima con actividad ligasa E3. 3. El complejo ubiquitina-E2/E3 se une a la proteína diana. · E3 transfiere la ubiquitina a la proteína diana. Tras la primera ubiquitinación, la enzima E2 queda libre y otra enzima E2 unida a ubiquitina entra en su lugar, produciéndose de nuevo la transferencia de ubiquitina a la proteína diana por E3). El proceso se repite varias veces: proteína diana poliubiquitinada (proteosoma). 15