Exocitosis: proceso, tipos, funciones y ejemplos
La exocitosis es un proceso por el cual la célula expulsa material fuera del citoplasma a través de la membrana celular. Ocurre por medio de vesículas que se encuentran en el interior celular, denominadas exosomas, que se fusionan con la membrana plasmática y liberan su contenido al medio externo. El proceso inverso se denomina endocitosis.
Al igual que la endocitosis, es un proceso exclusivo de células eucariotas. Las funciones de endocitosis y la exocitosis necesitan estar en un equilibrio dinámico y preciso para que la membrana celular mantenga el tamaño y la composición que la caracterizan.
La exocitosis ocurre en la célula en primera instancia para eliminar sustancias que no son digeribles por la maquinaria digestiva y que ingresaron a ella durante el proceso endocítico. Además, es un mecanismo empleado para la liberación de hormonas en distintos niveles celulares.
La exocitosis también puede transportar sustancias a través de una barrera celular, lo que implica el acoplamiento de los procesos de entrada y salida en la célula.
Una sustancia puede capturarse de un lado de la pared de un vaso sanguíneo mediante el proceso de pinocitosis, movilizarse a través de la célula y ser liberada del otro lado mediante exocitosis.
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Los exosomas son pequeñas vesículas de membrana de origen variado secretadas por la mayoría de los tipos de células, y se cree que desempeñan funciones importantes en las comunicaciones intercelulares. Aunque los exosomas se describieron recientemente, el interés en estas vesículas ha aumentado dramáticamente en los últimos años.
Este descubrimiento despertó un renovado interés por el campo general de las vesículas de membrana secretadas, involucradas en la modulación de las comunicaciones intercelulares.
Inicialmente los exosomas se consideraron como orgánulos celulares muy específicos con material descartado por la célula debido a que tenían componentes moleculares no deseados o “basura metabólica”. También fueron vistos como un símbolo de muerte celular debido a que transportaban sustancias de desecho.
Sin embargo, después del hallazgo de que contienen proteínas, lípidos y material genético (como moléculas involucradas en la regulación, entre ellas ARNm y microARN), se llegó a la conclusión de que pueden afectar a las células de una manera más compleja.
De igual forma que la endocitosis, el proceso de secreción celular requiere energía en forma de ATP, pues constituye un proceso activo. El aparato de Golgi desempeña un papel fundamental en la exocitosis, ya que de este se desglosa la membrana que empaqueta a los materiales destinados a la secreción celular.
Las vesículas de transporte intracelular se originan del aparato de Golgi, desplazándose con su contenido a través del citoplasma, a lo largo de los microtúbulos citoplasmáticos, hacia la membrana celular, fusionándose a esta y liberando su contenido al líquido extracelular.
La endocitosis y exocitosis mantienen un equilibrio en la célula que permite conservar las dimensiones y propiedades de la membrana plasmática. De no ser así, la membrana de una célula cambiaría sus dimensiones al verse extendida por la adición de la membrana de las vesículas de excreción que se adicionan a ella.
De esta forma, el exceso de membrana añadido en la exocitosis, se integra de nuevo por endocitosis, devolviéndose esta membrana a través de las vesículas endocíticas al aparato de Golgi, donde se recicla.
No todo el material destinado a la exocitosis proviene de la red trans del aparato de Golgi. Parte de este proviene de los endosomas tempranos. Estos son orgánulos celulares especializados en recibir las vesículas formadas durante el proceso de endocitosis.
Dentro de estos, tras ser fusionadas con un endosoma, parte del contenido es reutilizado y transportado a la membrana celular por medio de vesículas que se forman en el propio endosoma.
Por otro lado, en los terminales pre-sinápticos los neurotransmisores son liberados en vesículas independientes para acelerar la comunicación nerviosa. Estas últimas a menudo son vesículas de exocitosis constitutivas descritas más adelante.
El proceso de exocitosis puede ser constitutivo o intermitente, esta última también es conocida como exocitosis regulada. Las vesículas pueden provenir de compartimientos celulares como los endosomas primarios (que también reciben vesículas endocíticas) o producirse directamente en el dominio trans del aparto de Golgi.
El reconocimiento de las proteínas hacia una vía de exocitosis u otra vendrá dado por la detección de regiones señal compartidas entre las proteínas.
Este tipo de exocitosis ocurre en todas las células y de forma incesante. Acá muchas proteínas solubles son continuamente expulsadas al exterior celular, y muchas otras son recicladas incorporándose en la membrana plasmática para acelerar y permitir su regeneración, pues durante la endocitosis se internaliza la membrana rápidamente.
Esta vía de exocitosis no está regulada por lo que siempre está en proceso. En las células calciformes del intestino y los fibroblastos del tejido conectivo, por ejemplo, la exocitosis es constitutiva, pues ocurre constantemente. Las células calciformes liberan moco de forma constante, mientras que los fibroblastos liberan colágeno.
En muchas células que se encuentran polarizadas en los tejidos, la membrana se divide en dos dominios distintos (dominio apical y basolateral), que contienen una serie de proteínas relacionadas con su diferenciación funcional.
En estos casos, desde la red trans del Golgi se transportan selectivamente proteínas a los diferentes dominios por la vía constitutiva.
Esto se lleva a cabo por al menos dos tipos de vesículas secretoras constitutivas que se dirigen directamente al dominio apical o basolateral de estas células polarizadas.
Este proceso es exclusivo de células especializadas para la secreción, en el cual una serie de proteínas o productos glandulares son seleccionados por el dominio trans del aparato de Golgi y enviados a vesículas secretoras especiales, donde son concentradas y luego liberadas a la matriz extracelular cuando se recibe algún estímulo extracelular.
Muchas células endocrinas que almacenan hormonas en vesículas secretoras, inician la exocitosis solo después de reconocer una señal proveniente del exterior celular, siendo un proceso intermitente.
La fusión de las vesículas a la membrana celular, es un proceso común en diversos tipos celulares (desde neuronas hasta células endocrinas).
Dos familias de proteínas están involucradas en el proceso de exocitosis:
- Las Rab, que se encargan del anclaje de la vesícula a la membrana y le dan especificidad al transporte vesicular. Generalmente están asociadas con GTP en su forma activa.
- Por otro lado, las proteínas efectoras SNARE facultan la fusión entre las membranas. Un aumento en la concentración de calcio (Ca2+) en el interior de la célula, funciona como señal en el proceso.
La proteína Rab reconoce el aumento de Ca2+ intracelular e inicia el anclaje de la vesícula a la membrana. El área de la vesícula que se fusionó se abre y libera su contenido al espacio extracelular, mientras que la vesícula se fusiona con la membrana celular.
En este caso, la vesícula que se dispone a fusionarse con la membrana no lo hace completamente, sino que lo hace de forma temporal formándose una pequeña abertura en la membrana. Es entonces cuando el interior de la vesícula entra en contacto con el exterior de la célula liberando su contenido.
El poro se cierra inmediatamente después y la vesícula queda del lado citoplasmático. Este proceso está muy ligado a la sinapsis del hipocampo.
Las células llevan a cabo el proceso de exocitosis, para transportar y liberar moléculas grandes y lipófobas como proteínas sintetizadas en las células. También es un mecanismo mediante el cual se desprenden de los desechos que permanecen en los lisosomas tras la digestión intracelular.
La exocitosis es un importante intermediario en la activación de proteínas que permanecen almacenadas e inactivas (zimógenos). Las enzimas digestivas, por ejemplo, son producidas y almacenadas, activándose tras ser liberadas desde las células al lumen intestinal por medio de dicho proceso.
La exocitosis puede actuar también como un proceso de transcitosis. Este último consiste en un mecanismo que permite que algunas sustancias y moléculas atraviesen el citoplasma de una célula, pasando a una región extracelular a otra región extracelular.
El movimiento de las vesículas de transcitosis, depende del citoesqueleto celular. Las microfibras de actina tienen un papel motor, mientras que los microtúbulos indican la dirección a seguir por la vesícula.
La transcitosis permite que moléculas de gran tamaño atraviesen un epitelio, permaneciendo ilesas. En este proceso, los bebés absorben anticuerpos maternos a través de la leche. Estos son absorbidos en la superficie apical del epitelio intestinal, y son liberados hacia el líquido extracelular.
En el sistema inmunológico las vesículas excretoras o exosomas, desempeñan un papel importante en la comunicación intercelular. Se ha demostrado que algunas células como los linfocitos B, secretan exosomas con moléculas esenciales para la respuesta inmune adaptativa.
Dichos exosomas presentan también complejos MHC-péptidos a células T específicos del sistema inmune.
Las células dendríticas secretan de igual forma exosomas con complejos de péptidos MHC, que inducen respuestas inmunes antitumorales. Diversos estudios han indicado que estos exosomas son excretados por unas células y capturados por otras.
De esta manera se adicionan u obtienen elementos moleculares importantes como antígenos o complejos de péptidos que aumentan el rango de células presentadoras de antígenos.
Así mismo, este proceso de intercambio de información aumenta la eficacia de la inducción de respuestas inmunes, o incluso de señales negativas que conduzcan a la muerte de la célula diana.
Se han llevado a cabo algunos intentos en el uso de exosomas como un tipo de terapia contra el cáncer en los seres humanos, con el propósito de transmitir información que module las células tumorales, conduciéndolas a la apoptosis.
En organismos como los protozoarios y las esponjas que poseen digestión intracelular, las sustancias nutritivas son absorbidas por fagocitosis y los restos no digeribles son extraídos de la célula mediante exocitosis. Sin embargo, en otros organismos, el proceso se torna más complejo.
En los mamíferos durante la formación de los eritrocitos, el núcleo, junto a otras organelas se contrae, volviéndose vestigiales. Este es entonces envuelto en una vesícula y expulsado de la célula mediante el proceso de exocitosis.
En contraste, muchas células endocrinas que almacenan hormonas en vesículas excretoras, inician la exocitosis solo después de reconocer una señal proveniente del exterior celular, siendo un proceso intermitente o de exocitosis regulada.
La exocitosis cumple papeles importantes en algunos mecanismos de respuestas del cuerpo, como la inflamación. Este mecanismo de respuesta está mediado principalmente por la histamina, presente en las células cebadas.
Cuando la histamina es liberada al exterior celular por medio de la exocitosis, permite la dilatación de los vasos sanguíneos, volviéndolos más permeables. Además, aumenta la sensibilidad en los nervios sensores, provocando los síntomas de la inflamación.
Los neurotransmisores se desplazan rápidamente a través de la unión sináptica uniéndose a receptores de la porción postsináptica. El almacenamiento y liberación de neurotransmisores se lleva a cabo por un proceso de varios pasos.
Uno de los pasos más relevantes, es la unión de las vesículas sinápticas a la membrana presináptica y la liberación de su contenido por exocitosis a la hendidura sináptica. La liberación de serotonina por las células neuronales, ocurre de esta forma.
En este caso, el mecanismo es disparado por despolarización celular, que induce la apertura de canales de calcio, y una vez que este entra a la célula promueve el mecanismo de expulsión de este neurotransmisor a través de las vesículas excretoras.
La exocitosis es el medio por el cual las proteínas de membrana se implantan en la membrana celular.
En las células vegetales, la exocitosis es usada en la constitución de las paredes celulares. Mediante este proceso se movilizan algunas proteínas y ciertos hidratos de carbono que han sido sintetizados en el aparato de Golgi, hacia el exterior de la membrana, para ser usados en la construcción de dicha estructura.
En muchos protistas con pared celular ausente, existen vacuolas contráctiles que ejercen la función de bombas celulares Estas reconocen el exceso de agua en el interior celular y la expulsan fuera de ella, proporcionando un mecanismo de regulación osmótica. El funcionamiento de la vacuola contráctil se lleva a cabo como un proceso de exocitosis.
Los virus ADN con envoltura, utilizan la exocitosis como mecanismo de liberación. Tras la multiplicación y ensamble del virión en la célula hospedadora y una vez que este ha adquirido una membrana envolvente de la nucleoproteína, abandona el núcleo celular, emigrando al retículo endoplasmático y de allí a las vesículas de expulsión.
Mediante este mecanismo de liberación, la célula hospedadora permanece sin daño aparente, en contraste con muchos otros virus vegetales y animales que ocasionan una autolisis celular con el fin de salir de dichas células.
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