Endocitosis y exocitosis. Fagocitosis, pinocitosis y endocitosis mediada por receptor.

Introducción

Imagina que eres un macrófago: un glóbulo blanco despiadado que acecha, como amiba, entre los tejidos del cuerpo, en busca de patógenos, células moribundas y muertas y otras cosas indeseables. Cuando encuentras alguno de estos, tu tarea no es destruirlos, sino devorarlos por completo. (¡Gulp!)
Esta aniquilación total parece un poco exagerada, pero tiene dos propósitos. Primero, recupera macromoléculas valiosas para que el cuerpo pueda volver a usarlas. Segundo, en el caso de organismos patógenos extraños, permite que el macrófago presente fragmentos del patógeno sobre su superficie, lo que alerta a otras células inmunitarias sobre su presencia y desencadena una respuesta inmunitaria.
Retrocedamos un poco. ¿Cómo un macrófago se “come” a un patógeno o un fragmento de detrito celular? En secciones anteriores hemos hablado acerca de las formas en que los iones y moléculas pequeñas, como azúcares y aminoácidos, pueden entrar y salir de la célula mediante proteínas transportadoras y de canal. Las proteínas de canal y los transportadores son muy buenas para permitir el paso de pequeñas moléculas específicas a través de la membrana, pero son demasiado estrechas (y muy selectivas con lo que transportan) como para permitir que una célula ingiera algo tan grande como una bacteria.
En cambio, las células necesitan mecanismos de transporte en masa con los que pueden mover partículas grandes (o grandes cantidades de partículas más pequeñas) a través de la membrana celular. Estos mecanismos implican encerrar las sustancias que van a ser transportadas en sus propios globos pequeños de membrana que pueden desprenderse o fusionarse con la membrana plasmática para transportar la sustancia a través de ella. Por ejemplo, un macrófago engulle su cena de patógeno extendiendo sus protrusiones de membrana alrededor de ella y encerrándola en un globo de membrana llamado vacuola alimenticia (donde posteriormente será digerida).
Los macrófagos son un ejemplo impresionante de transporte en masa, y la mayoría de las células del cuerpo no engullen microorganismos enteros. Sin embargo, tienen mecanismos de transporte en masa de algún tipo. Estos mecanismos permiten a las células obtener nutrientes del ambiente, selectivamente “agarrar” ciertas partículas del líquido extracelular o liberar moléculas de señalización para comunicarse con sus vecinos. Tal como los procesos de transporte activo que mueven iones y moléculas pequeñas a través de proteínas transportadoras, el transporte en masa es un proceso que requiere energía (y, de hecho, consume mucha).
Aquí, analizaremos los diferentes modos de transporte en masa: fagocitosis, pinocitosis, endocitosis mediada por receptores y exocitosis.

Endocitosis

Endocitosis (endo = interno, citosis = mecanismo de transporte) es un término general para los distintos tipos de transporte activo que introducen partículas en una célula encerrándolas en vesículas de membrana plasmática.
Existen variaciones de la endocitosis, pero todas siguen el mismo proceso básico. En primer lugar, la membrana plasmática de la célula se invagina (se pliega hacia adentro), formando un bolsillo alrededor de la partícula objetivo. Entonces, el bolsillo se desprende con la ayuda de proteínas especializadas y atrapa la partícula en una vesícula o vacuola recién creada dentro de la célula.
A su vez, la endocitosis puede subdividirse en las siguientes categorías: fagocitosis, pinocitosis y endocitosis mediada por receptores.

Fagocitosis

La fagocitosis (literalmente “alimentación celular") es una forma de endocitosis en la que se introducen partículas grandes, como células o restos celulares, dentro de la célula. Ya hemos visto un ejemplo de fagocitosis en la introducción de este artículo, ya que este es el tipo de endocitosis utilizada por los macrófagos para engullir un patógeno.
Diagrama que ilustra la fagocitosis.
Imagen modificada de OpenStax, Biología (obra original de Mariana Ruiz Villareal)
Los eucariontes unicelulares llamados amebas también utilizan la fagocitosis para cazar y consumir su presa. O al menos, lo intentan; la serie de imágenes a continuación muestra una ameba frustrada que trata de fagocitar una célula de levadura que es demasiado grande.
Una vez que la célula ha rodeado exitosamente su objetivo, el bolsillo que lo contiene se desprende de la membrana y forma un compartimiento de membrana llamado vacuola alimenticia. La vacuola alimenticia se fusionará después con un organello llamado lisosoma, al que también se le conoce como "centro de reciclaje" de la célula. Los lisosomas contienen enzimas que degradan la partícula atrapada en sus componentes básicos (como aminoácidos y azúcares) que posteriormente pueden ser utilizados por la célula.
Crédito de la imagen: serie de fotografías tomadas a partir de un video realizado por Margaret Clarkestart superscript, 1, end superscript(Cell Image Library, CIL: 12654; Clarke et al., 2010)
Crédito del video: "CIL:12654", por Margaret Clarkestart superscript, 1, end superscript(dominio público).

Pinocitosis

La pinocitosis (literalmente, “beber celular”) es una forma de endocitosis en la cual una célula absorbe pequeñas cantidades de líquido extracelular. La pinocitosis se presenta en muchos tipos de células y ocurre continuamente, ya que la célula toma muestras una y otra vez del líquido circundante para obtener todos los nutrientes y demás moléculas presentes. El material pinocitado se almacena en vesículas pequeñas, mucho más pequeñas que la gran vacuola alimenticia producida por la fagocitosis.
Diagramas que representan la pinocitosis (a la izquierda) y la endocitosis mediada por receptor (a la derecha).
Imágenes modificadas de OpenStax, Biología (obra original de Mariana Ruiz Villareal)

Endocitosis mediada por receptores

La endocitosis mediada por receptores es una forma de endocitosis en la que las proteínas receptoras en la superficie de la célula se utilizan para capturar una determinada molécula objetivo. Los receptores, que son proteínas transmembranales, se agrupan en regiones de la membrana plasmática conocidas como fosas revestidas. Este nombre proviene de una capa de proteínas, llamadas proteínas de revestimiento, que se encuentran en el lado citoplásmico de la fosa. La clatrina, mostrada en el diagrama anterior, es la proteína de revestimiento más estudiadastart superscript, 2, end superscript.
Cuando los receptores se unen a su molécula objetivo, se desencadena la endocitosis, y los receptores, junto con las moléculas que tiene unidas, se absorben hacia la célula en una vesícula. Las proteínas de revestimiento participan en este proceso al darle a la vesícula su forma redondeada y ayudándola a desprenderse de la membrana. La endocitosis mediada por receptor permite a las células absorber grandes cantidades de moléculas que son relativamente escasas (presentes en bajas concentraciones) en el líquido extracelularstart superscript, 2, comma, 3, end superscript.
Aunque el propósito de la endocitosis mediada por receptores es llevar sustancias útiles a la célula, otras partículas menos amigables pueden entrar por el mismo camino. El virus de la gripe, la difteria y la toxina del cólera usan vías endocíticas mediadas por receptores para entrar en las células.
Supongamos que un determinado tipo de molécula fuera eliminada de la sangre por endocitosis mediada por receptor. ¿Qué sucedería si la proteína del receptor de esa molécula estuviera defectuosa o ausente?
La molécula blanco ya no se eliminaría de la sangre, por lo que comenzaría a acumularse hasta niveles anormalmente elevados. De hecho, esto es exactamente lo que sucede en la enfermedad conocida como hipercolesterolemia familiar.
En una persona normal, la forma de colesterol llamada lipoproteína de baja densidad o LDL (colesterol "malo") se elimina de la sangre mediante endocitosis mediada por receptores. En personas con hipercolesterolemia familiar, los receptores de LDL no funcionan bien o pueden estar completamente ausentes. Las personas con esta afección pueden tener niveles de colesterol en la sangre potencialmente mortales, porque sus células no pueden eliminar las partículas de LDL del torrente sanguíneo.

Exocitosis

Las células deben ingerir ciertas moléculas, como los nutrientes, pero también deben liberar otras, como proteínas señalizadoras y productos de desecho, al exterior. La exocitosis (exo = externo, citosis = mecanismo de transporte) es una forma de transporte en masa en la que los materiales son transportados del interior al exterior celular por medio de vesículas cubiertas de membrana que se fusionan con la membrana plasmática.
Diagrama que ilustra el proceso de exocitosis.
Imagen modificada de OpenStax, Biología (obra original de Mariana Ruiz Villareal)
Algunas de estas vesículas proceden del aparato de Golgi y contienen proteínas sintetizadas específicamente por la célula para su liberación en el exterior, como las moléculas de señalización. Otras vesículas contienen desechos que la célula debe eliminar, como lo que sobra después de que una partícula fagocitada ha sido digerida.
Estas vesículas son transportadas hasta el borde de la célula, donde se fusionan con la membrana plasmática y liberan su contenido en el espacio extracelular. Algunas vesículas se fusionan completamente con la membrana y se incorporan a ella, mientras que otras siguen el modelo de “besa y corre”, en el que se fusionan de tal forma que liberan su contenido (“besan” la membrana) antes de desprenderse y regresar al interior de la célulastart superscript, 4, end superscript.

Créditos:

Este artículo es un derivado modificado de “Bulk transport”, de OpenStax College, Biología (CC BY 3.0). Descarga gratis el artículo original en http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@9.85:26/Biology.
El artículo modificado está autorizado bajo una licencia CC BY-NC-SA 4.0.

Referencias citadas:

  1. Clarke, M., Engel, U., Giorgione, J., Müller-Taubenberger, A., Prassler, J., Veltman, D. y Gerisch, G. (2010). Curvature recognition and force generation in phagocytosis (Reconocimiento de la curvatura y generación de la fuerza en la fagocitosis). BMC Biol., 8, 154. http://doi.org/10,1186/1741-7007-8-154. El video asociado se tomó de: http://www.cellimagelibrary.org/images/12654.
  2. McPherson, Peter S., Ritter, Brigitte y Wendland, Beverly. (2013). Clathrin-mediated endocytosis (Endocitosis mediada por clatrina). En Madame Curie bioscience database (Base de datos de biociencia Madame Curie). Austin, TX: Landes Bioscience. Obtenido de http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK6479/.
  3. Kimball, J.W. (18 de julio de 2015). Endocytosis (Endocitosis). En Kimball’s biology pages (Páginas de biología de Kimball). Obtenido de http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/BiologyPages/E/Endocytosis.html.
  4. Kimball, John W. (15 de diciembre de 2013). Exocytosis (Exocitosis). En Kimball's biology pages (Páginas de biología de Kimball). http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/BiologyPages/E/Exocytosis.html.

Referencias complementarias:

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Exocytosis (Exocitosis). (21 de agosto, 2015). Tomado de Wikipedia el 21 de agosto, 2015: https://en.wikipedia.org/wiki/Exocytosis.
Kimball, John W. (18 de julio de 2015). Endocytosis (Endocitosis). En Kimball’s biology pages (Páginas de biología de Kimball). Obtenido de http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/BiologyPages/E/Endocytosis.html.
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