Imagine un trastorno genético que hace que un individuo pierda la capacidad de digerir los alimentos, producir lágrimas, transmitir señales nerviosas y eliminar la infección bacteriana. Cada uno de estos síntomas diversos puede ser causado por la pérdida de una única función celular: el transporte de vesículas intracelulares. En el transporte vesicular, los sacos cerrados con membrana lipídica, o vesículas, transportan fluidos que contienen moléculas pequeñas y grandes entre el espacio extracelular y los orgánulos celulares internos.
Al igual que las bombas de proteínas, el transporte vesicular es un proceso de transporte activo que utiliza moléculas de energía celular como el ATP para alimentar el transporte de moléculas de un lugar a otro en los organismos vivos. A diferencia de las bombas de proteínas de membrana que transportan pequeñas moléculas individualmente, las vesículas transportan volúmenes significativos de líquido celular y materiales como grupo. Los organismos vivos utilizan vesículas para una variedad de funciones, incluida la liberación de moléculas especiales como enzimas digestivas, la internalización de objetos grandes como partículas de LDL que contienen colesterol y la lucha contra la infección por bacterias envolventes. Tres vías de transporte vesicular son la exocitosis, la endocitosis y el transporte intracelular.
En la exocitosis, una célula suministra moléculas específicas, líquidos y materiales grandes al líquido fuera de la célula. El término exocitosis deriva de moverse fuera («exo -«) de la célula («- citocítico -«) por un proceso («- osis»). La exocitosis comienza cuando las vesículas especializadas dentro de una célula se mueven hacia la membrana plasmática. Las vesículas exocíticas se fusionan con los lípidos de la membrana plasmática, creando una abertura al espacio extracelular. El contenido interno de las vesículas exocíticas se libera en el líquido extracelular, mientras que el contenido de las membranas de las vesículas se convierte en parte de la membrana celular externa.
La exocitosis suministra moléculas especiales a lugares específicos fuera de la célula. En los seres humanos, las células especializadas secretan enzimas digestivas para su entrega al estómago y al intestino delgado, y las células de las glándulas endocrinas secretan hormonas en la sangre para su entrega a los órganos diana. Debido a que las membranas de las vesículas exocíticas se fusionan en la membrana plasmática, se liberan nuevas moléculas de lípidos y proteínas de la membrana plasmática a través de la exocitosis para agrandar la célula o mejorar su función. En respuesta a las señales de insulina, se sintetizan nuevos transportadores de glucosa y se agregan a las membranas plasmáticas por exocitosis de vesículas que contienen las nuevas proteínas transportadoras.
En la endocitosis, las células internalizan una pequeña sección de la membrana plasmática para envolver moléculas y partículas grandes, incluidos microorganismos, entregando el contenido a los orgánulos celulares. El término endocitosis significa tomar dentro de la célula («endo») mediante un proceso. Existen dos formas principales de endocitosis: fagocitosis y pinocitosis. Una forma especializada de pinocitosis, la endocitosis mediada por receptores, es vital para el correcto funcionamiento de todas las células.
Durante la fagocitosis («phago» = comer), la membrana plasmática se extiende hacia afuera y se envuelve alrededor de un objeto grande, como una célula bacteriana viva. Las capas que se extienden envuelven el objeto y se fusionan para formar una vesícula grande. La vesícula recién formada está dentro de la membrana plasmática original y puede viajar dentro de la célula a su destino objetivo. Las vesículas fagocíticas generalmente se fusionan en lisosomas para la degradación del contenido. La fagocitosis es un proceso especializado realizado por algunos microorganismos o un pequeño subconjunto de células en organismos complejos. En los seres humanos, solo los glóbulos blancos realizan fagocitosis, eliminando bacterias y otros organismos infecciosos diminutos del cuerpo.
A diferencia de la fagocitosis, la pinocitosis («pino» = bebida) ocurre en todas las células. En lugar de envolver objetos grandes, las vesículas pinocíticas internalizan pequeños volúmenes de líquido extracelular y moléculas asociadas. La pinocitosis cumple dos funciones celulares importantes. En primer lugar, los iones y moléculas importantes, como el hierro, el cobre y las partículas que contienen colesterol, se envían a los sitios celulares internos a través de la pinocitosis. En segundo lugar, la pinocitosis elimina los componentes de la membrana plasmática que ya no son necesarios o deseados. Cuando las señales celulares inician la eliminación de proteínas o lípidos específicos de la membrana, se forman vesículas pinocíticas alrededor de la sección de la membrana, internalizando los materiales para su almacenamiento o degradación. Para evitar la acumulación excesiva de membrana en células con altas tasas de secreción, las vesículas pinocíticas pueden internalizar segmentos de membrana a una alta velocidad para equilibrar la salida y la entrada de la membrana lipídica y los fluidos.
La endocitosis mediada por receptores es una forma altamente regulada de pinocitosis. Las proteínas receptoras incrustadas en la membrana plasmática se unen a moléculas extracelulares específicas y a la internalización de la señal. Las proteínas citoplasmáticas con frecuencia ayudan a la formación de vesículas endocíticas durante la endocitosis mediada por receptores, formando una capa de proteínas alrededor de la vesícula. Las partículas LDL que contienen colesterol entran en las células a través de la unión al receptor y la entrada regulada. Además, ciertos virus invasores han evolucionado para explotar las vías endocíticas mediadas por receptores, entrando en las células al unirse a las proteínas de la membrana receptora. Una vez dentro, los virus utilizan enzimas y estructuras celulares para reproducirse y propagarse, a veces matando a la célula huésped en el proceso.
Las vesículas endocíticas y exocíticas viajan dentro de las células entre los orgánulos diana y la membrana plasmática. Otras vesículas intracelulares viajan a lo largo del sistema endomembrana. Las vesículas internas viajan utilizando un sistema de transporte intracelular. Las vesículas se adhieren a proteínas que se mueven a lo largo de una red de citoesqueletos a través de la célula. Las proteínas del citoesqueleto que componen un «sistema ferroviario» de red permiten un transporte rápido y dirigido a través de las células.
Se requiere un movimiento rápido y específico de las vesículas para el funcionamiento normal de las células. Las células nerviosas extendidas, como las que se encuentran entre una mano humana y la columna vertebral o el cerebro, deben transportar vesículas rápidamente a largas distancias. Muchas células del cuerpo humano almacenan vesículas secretoras especiales, que viajan rápidamente a la superficie celular para entregar su contenido al espacio extracelular en respuesta a señales específicas. Por ejemplo, se transportan vesículas especiales que contienen una enzima llamada catalasa a la superficie celular para combatir infecciones en respuesta a lesiones como un corte. Cuando se vierte peróxido de hidrógeno en una herida, las enzimas catalasas secretadas producen gas oxígeno, formando burbujas de gas.
Endocitosis y exocitosis
Esta animación muestra endocitosis y exocitosis.