Introducción a la Biología Celular -Capítulo 16- Comunicación Celular Comunicación celular 16 Las células individuales, al igual que los organismos pluricelulares, necesitan percibir su entorno y responder a él. Una célula típica de vida -incluso una bacteria primitiva- debe ser capaz de localizar los nutrientes, diferenciar entre la luz y la oscuridad y evitar sustancias tóxicas y predadores. Si la célula debe tener algún tipo de "vida social" tendrá que ser capaz de comunicarse con otras células. Por ejemplo, cuando la célula de la levadura está lista para aparearse secreta una pequeña proteína llamada factor de apareamiento. Las células de levadura del "sexo" opuesto detectan este llamado químico y responden deteniendo el progreso del ciclo celular y dirigiéndose hacia la célula que emitió la señal (fig.16-1). En un organismo pluricelular las cosas son mucho más complicadas. Las células deben interpretar la gran cantidad de señales que reciben de otras células para poder coordinar sus comportamientos. Durante el desarrollo animal, por ejemplo, las células del embrión intercambian señales para determinar el papel específico que adoptará cada una, la posición que ocupará en el animal y si sobrevivirá, se dividirá o morirá; más tarde se produce una gran variedad de señales que coordinan el crecimiento del animal y su fisiología y comportamiento diarios. También en las plantas las células están en constante comunicación. Sus interacciones permiten que respondan a las condiciones de luz, oscuridad y temperatura que guían sus ciclos de crecimiento, floración producción de frutos y coordine lo que ocurre en sus raíces, sus tallos y sus hojas. En este capítulo examinaremos algunos de los mecanismos más importantes que utilizan las células para comunicarse y explicaremos la forma en que envían señales e interpretan las señales que reciben. Si bien nos concentraremos en los Principios generales de la señalización celular Las señales pueden actuar a distancias largas o cortas Cada célula responde a un conjunto limitado de señales Los receptores transmiten las señales a través de vías de señalización intracelular El óxido nítrico atraviesa la membrana plasmática y activa directamente a las enzimas intracelulares Algunas hormonas atraviesan la membrana plasmática y se unen a receptores intracelulares Hay tres clases principales de receptores de superficie celular Los receptores asociados con canales iónicos transforman las señales químicas en señales eléctricas Muchas proteínas de señalización intracelular actúan como interruptores moleculares Editorial Médica Panamericana – 2ª. Edición 1 Receptores asociados con proteínas G La estimulación de los receptores asociados con proteínas G activa las subunidades de estas proteínas Algunas proteínas G regulan canales iónicos Algunas proteínas G activan enzimas asociadas con la membrana La vía del AMP cíclico puede activar enzimas e inducir la transcripción de genes La vía del fosfolípido inositol desencadena un aumento del Ca2+ intracelular Una señal de Ca2+ desencadena muchos procesos biológicos Las cascadas de señalización intracelular pueden alcanzar una velocidad, una sensibilidad y una adaptabilidad sorprendentes: una mirada a los fotorreceptores del ojo Receptores asociados con enzimas Los receptores tirosincinasa activados generan la formación de un complejo de proteínas de señalización intracelular Los receptores tirosincinasa activan a la proteína Ras, una proteína de unión al GTP Algunos receptores asociados con enzimas activan una vía rápida hacia el núcleo Las redes de proteincinasas integran información que controla comportamientos complejos de la célula La pluricelularidad y la comunicación celular evolucionaron en forma independiente en vegetales y animales. Introducción a la Biología Celular -Capítulo 16- Comunicación Celular mecanismos de recepción e interpretación de señales en la célula animal, también efectuaremos una reseña de lo que conocemos acerca de las vías de señalización en las células vegetales. Comenzaremos nuestro análisis con una descripción de los principios generales de señalización celular y luego consideraremos dos de los principales sistemas que utilizan las células animales para recibir e interpretar señales. Principios generales de la señalización celular La información puede transmitirse de diversas maneras y con frecuencia la comunicación implica la conversión de señales de información de una forma en otra. Cuando llamamos a un amigo por teléfono, por ejemplo, las ondas sonoras de nuestra voz se convierten en señales eléctricas que viajan por el cable del teléfono. Los puntos críticos de esta transmisión se producen cuando el mensaje se convierte de una forma en otra. Este proceso de conversión se denomina transducción de la señal (fig. 16-2) Fig. 16-1. Las células de las levaduras responden al factor de apareamiento. Las células de la levadura {Saccharomyces cerevisiae) normalmente son esféricas (A) pero cuando se exponen al factor de apareamiento producido por células de levadura vecinas emiten una protuberancia hacia la fuente del factor (B). Las células que adoptan esta forma en respuesta a la señal de apareamiento se denominan "shmoos", como el personaje de dibujos animados de Al Capp de la década de1940 (C). (A y B, cortesía de Michael Snyder; C, © Capp Enterprises, Inc., todos los derechos reservados.) Las señales que transmite una célula a otra son mucho más simples que los mensajes que intercambian los seres humanos. En una comunicación típica entre células la célula señalizadora produce un tipo especial de molécula señalizadora que es detectada por la célula diana. Las células diana poseen proteínas receptoras que reconocen y responden en forma específica a la molécula señalizadora. La transducción de la señal comienza cuando la proteína receptora de la célula diana recibe una señal extracelular y la convierte en señales intracelulares que alteran el comportamiento celular. En la mayor parte de este capítulo nos dedicaremos a analizar la recepción y la transducción de señales, que son los dos fenómenos a los que se refieren los biólogos celulares cuando hablan de señalización celular. Sin embargo, en primer lugar consideraremos brevemente los distintos tipos de señales que se envían las células entre sí. Editorial Médica Panamericana – 2ª. Edición 2 Introducción a la Biología Celular -Capítulo 16- Comunicación Celular Las señales pueden actuar a distancias largas o cortas En los organismos unicelulares y pluricelulares las células utilizan centenares de tipos de moléculas extracelulares para enviarse señales – proteínas, péptidos, aminoácidos, nucleótidos, esteroides, derivados de grasos e incluso gases disueltos- pero la transmisión de los mensajes ( pende solo de unos pocos estilos básicos de comunicación (fig.16-3). En los organismos pluricelulares, el modo de comunicación más usual consiste en la emisión de la señal a todo el cuerpo por medio de la secreción de moléculas señalizadoras en el torrente sanguíneo (en el caso del animales) o en la savia (en el caso de los vegetales). Las moléculas señalizadoras que se utilizan en este tipo de comunicación son las hormonas y en los animales las células que producen las hormonas se denominan células endocrinas (fig. 163A). Por ejemplo, parte del páncreas es una glándula endocrina que produce la hormona insulina, que regula la captación de glucosa en las células de todo el cuerpo. El proceso conocido como señalización paracrina es menos común. 1 este caso, en lugar de ingresar en el torrente sanguíneo las moléculas señalizadoras se difunden en forma local a través del medio extracelular y permanecen en las zonas cercanas a la célula que las secreta. Así actúan como mediadores locales sobre las células vecinas (fig. 16-3B). Muchas de las moléculas señalizadoras que regulan la inflamación en el sitio de una infección o que controlan la proliferación celular durante la cicatrización de las heridas actúan de esta manera. Fig. 16-2. La transducción de una señal es el proceso por el cual un tipo de señal se transforma en otro. (A) El receptor del teléfono convierte la señal eléctrica en una señal sonora. (B) Una célula diana convierte una señal extracelular (molécula A) en una señal intracelular (molécula B). Una tercera forma de comunicación celular es la señalización neuronal. Al igual que las células endocrinas, las neuronas pueden enviar mensajes a través de largas distancias. Sin embargo, en el caso de la señalización neuronal, el mensaje no se emite en forma amplia sino que se envía de manera rápida y específica a células diana individuales a través de líneas privadas (fig. 16-3C). Como se describe en el capítulo 12, el axón de una neurona termina en uniones especializadas (sinapsis) sobre células diana que den estar alejadas del cuerpo celular. Los axones que conectan la médula espinal con el dedo gordo del pie, por ejemplo, pueden tener más de 1 m de longitud. Al ser activada por señales del entorno o de otras células nerviosas la neurona envía impulsos eléctricos a lo largo de su axón a velocidades de hasta 100 m/seg. Al Editorial Médica Panamericana – 2ª. Edición 3 Introducción a la Biología Celular -Capítulo 16- Comunicación Celular llegar a la terminación del axón estas señales eléctricas se convierten en señales químicas: cada impulso eléctrico estimula a la terminación nerviosa que libera un pulso de una señal química extracelular llamada neurotransmisor. Luego estos neurotransmisores atraviesan el estrecho (< 100 mm) espacio existente entre la membrana de la terminación del axón y la membrana de la célula diana en menos de 1 mseg. Una cuarta forma de comunicación intercelular mediada por señales - la más íntima y la más cercana de todas- no requiere la liberación de una molécula secretada. En lugar de secretar moléculas las células entran en contacto directo a través de moléculas señalizadoras alojadas en sus membranas plasmáticas. El mensaje se envía cuando una molécula señalizadora anclada en la membrana plasmática de la célula emisora se une a una molécula receptora ubicada en la membrana plasmática de la célula diana (fig.16-3D). Durante el desarrollo embrionario, por ejemplo, esta señalización dependiente del contacto es importante en los tejidos en los cuales las células adyacentes, que al comienzo son similares, se especializan de diversas maneras (fig.16-4). Para relacionar estos distintos estilos de señalización, imaginemos que tratamos de publicitar una conferencia interesante -o un concierto o un partido de fútbol-. La señal endocrina será como la transmisión de la información en una estación de radio. Un volante colocado en un tablón de anuncios seleccionado será equivalente a una señal paracrina localizada. Las señales neuronales -a larga distancia pero personales- serán similares a una llamada telefónica o a un correo electrónico y la señalización por contacto será como una buena conversación cara a cara, al estilo antiguo. En el cuadro 16-1 se enumeran algunos ejemplos de hormonas, de me diadores locales, de neurotransmisores y de moléculas señalizadoras por contacto. Más adelante en este capítulo explicaremos con mayor detalle la acción de varios de ellos. Fig. 16-3. Las células animales pueden enviarse señales entre sí de diversas maneras. (A) Las glándulas endocrinas producen hormonas que se secretan en el torrente sanguíneo y se distribuyen por todo el cuerpo. (B) Las células liberan señales paracrinas en el líquido extracelular cercano que actúan en forma local. (C) Las señales neuronales se transmiten a lo largo de los axones hacia células diana remotas. Editorial Médica Panamericana – 2ª. Edición 4 Introducción a la Biología Celular -Capítulo 16- Comunicación Celular (D) La señalización dependiente del contacto se produce entre células que están en contacto íntimo a través de sus membranas. Para la señalización endocrina, paracrina y neuronal se utilizan muchas moléculas señalizadoras del mismo tipo. Las principales diferencias radican en la velocidad y en la selectividad con que se envían las señales a sus dianas. Fig. 16-4. Las señales que dependen del contacto controlan la producción de células nerviosas. El sistema nervioso se origina en el embrión a partir de una capa de células epiteliales. Algunas células aisladas de esta capa comienzan a especializarse como neuronas mientras que sus vecinas siguen sin convertirse en neuronas y mantienen la estructura epitelial de la capa. Las señales que controlan este proceso se transmiten a través de contactos directos entre células: cada futura neurona envía una señal inhibidora a las células vecinas para evitar que se especialicen también como neuronas. Toda la molécula señalizadora (en este caso delta) como la molécula receptora (llamada Notch) son proteínas transmembrana. Este mismo mecanismo, mediado en esencia por las mismas moléculas, controla el detallado patrón de los tipos celulares diferenciados en otros tejidos, tanto en vertebrados como en invertebrados. En mutantes en los que falla este mecanismo se produce un exceso de algunos tipos celulares (como las neuronas) a expensas de otros. Pregunta 16-1 Si las moléculas señalizadotas Paradinas fueran arrastradas demasiado lejos de sus puntos de origen, dejarían de ser un estímulo local. Sugiera distintas maneras de evitar esta situación. Explique sus respuestas. Editorial Médica Panamericana – 2ª. Edición 5 Introducción a la Biología Celular -Capítulo 16- Comunicación Celular Cada célula responde a un conjunto limitado de señales Una célula típica de un organismo pluricelular está expuesta a centena res de moléculas señalizadoras diferentes de su entorno. Estas moléculas pueden encontrarse libres en el líquido extracelular, embebidas en Ia matriz extracelular en la que se encuentra la célula o unidas a las superficies de las células vecinas. Cada célula debe responder en forma selectiva esta mezcla de señales, ignorar algunas de ellas y reaccionar frente a otras de acuerdo con su función especializada. La respuesta de una célula a una molécula señalizadora depende en primer lugar de la existencia de un receptor para esa señal en la célula. Sin el receptor adecuado la célula no captará a la señal y no podrá reaccionar. Al producir solo un grupo limitado de los miles de receptores posibles, la célula restringe los tipos de señales que pueden afectarla. No obstante, este rango limitado de señales puede controlar el comportamiento de la célula de manera compleja. Esta complejidad es de dos tipos. En primer lugar, una señal que se une a un tipo de proteína receptora puede causar múltiples efectos en la célula diana: puede alterar la forma de la célula, sus movimientos, su metabolismo y la expresión génica. Como veremos, la señal proveniente de un receptor ubicado en la superficie celular se transporta hacia el interior de la célula a través de la interacción de un grupo de mediadores moleculares capaces de producir efectos generalizados en la célula. Este sistema de transmisión intracelular y los sitios intracelulares sobre los que actúa varían de una célula a otra según su especialización, de modo que distintos tipos celulares responden a la misma señal de diferentes maneras. Por ejemplo, si se expone el músculo cardíaco al neurotransmisor acetilcolina, la frecuencia y la fuerza de contracción disminuyen, pero si se expone una glándula salival a la misma señal, la glándula secreta componentes de la saliva (fig. 16-5). Estas respuestas se producen con rapidez -en segundos o minutos- porque la señal afecta la actividad de las proteínas y de otras moléculas que ya están presentes interior de la célula. El segundo tipo de complejidad se debe a la existencia de distintos receptores en una misma célula -de decenas a centenares de miles de receptores de unas pocas docenas de tipos-. Esta variedad determina que la célula sea sensible en forma simultánea a muchas señales extracelulares. Estas señales, al actuar en conjunto, pueden evocar respuestas mayores que la suma de los efectos que evocaría cada señal por sí misma. Los sistemas intracelulares de transmisión de las distintas señales interactúan de modo que la presencia de una señal puede modificar las respuestas a otras señales. Así, una combinación de señales podría posibilitar la supervivencia de la célula, otra podría conducir a una diferenciación especializada y otra podría inducir la división celular. En ausencia de señales la mayoría de las células animales están programadas para autodestruirse (fig.16-6). La ejecución de un programa tan complejo a menudo requiere la síntesis de nuevas proteínas y puede llevarle horas a la célula responder a las señales que recibe. La integración de las señales extracelulares permite que un relativamente pequeño de moléculas señalizadoras, utilizadas en distintas combinaciones, ejerzan un control sutil y complejo sobre el comportamiento celular. Editorial Médica Panamericana – 2ª. Edición 6 Introducción a la Biología Celular -Capítulo 16- Comunicación Celular Fig. 16-5. Una misma molécula señalizado puede inducir distintas respuestas en distintas células diana. Los distintos tipos celulares están configurados para responder al neurotransmisor acetilcolina de distintas maneras. La acetilcolina se une a proteínas receptoras similares en las células del músculo cardíaco (A) y en las glándulas salivales (B) pero evoca distintas respuestas en cada tipo celular. Las células del músculo esquelético (C) producen un tipo distinto de proteína receptora ante la misma señal. Como veremos, los distintos tipos de receptores generan distintas señales intracelulares y así permiten que los distintos tipos de células musculares reaccionen de manera distinta ante la acetilcolina. (D) Estructura química de la acetilcolina. A pesar de ser una molécula tan versátil, la acetilcolina tiene una estructura bastante simple. Editorial Médica Panamericana – 2ª. Edición 7 Introducción a la Biología Celular -Capítulo 16- Comunicación Celular Fig. 16-6. La célula animal depende de múltiples señales extracelulares. Cada tipo celular presenta un conjunto de proteínas receptoras que le permiten responder a un grupo específico de moléculas señalizadoras producidas por otras células. Estas moléculas señalizadoras trabajan juntas para regular el comportamiento de la célula. Como se muestra en la figura, las células pueden necesitar señales múltiples (flechas azules) para sobrevivir, señales adicionales (flechas rojas) para dividirse y otras señales (flechas verdes) para diferenciarse. Si se priva a las células de las señales de supervivencia la mayoría experimentan una forma de suicidio conocida como muerte celular programada o apoptosis (que se trata en el capítulo 18). Los receptores transmiten las señales a través de vías de señalización intracelular La recepción de la señal comienza cuando una señal originada exterior de la célula diana encuentra una molécula diana perteneciente a esa célula. En casi todos los casos la molécula diana es una proteína receptora (o un receptor) y cada receptor se activa por un solo tipo de señal. La proteína receptora realiza el primer paso de la transducción: recibe una señal externa y genera como respuesta una nueva señal intracelular (veáse figura 16-2B). Como regla éste es solo el primer paso de una cadena de procesos intracelulares de transducción de la señal. En este juego de marcación molecular el mensaje pasa de una molécula señalizadora intracelular a otra y cada una de ellas activa o genera la siguiente molécula señalizadora de la cadena hasta que, por ejemplo, se Fig. 16-7. Las señales extracelulares alteran la actividad de una variedad de proteínas celulares que modifican el comportamiento de la célula. En este caso la molécula señalizadora se une a una proteína receptora de superficie. La proteína receptora activa una vía de señalización intracelular mediada por una serie de proteínas de señalización intracelular. Algunas de estas proteínas señalizadoras interactúan con proteínas diana y las modifican. Esto genera un cambio en el comportamiento de la célula. Editorial Médica Panamericana – 2ª. Edición 8 Introducción a la Biología Celular -Capítulo 16- Comunicación Celular activa una enzima metabólica, se inicia la expresión de un gen o se modifica la configuración del citoesqueleto. Este resultado final se denomina respuesta celular (fig. 16-7). Estas cadenas de transmisión, o cascadas de señalización, de las moléculas de señalización intracelular tienen varias funciones cruciales (fig. 168). 1. Transforman (o transducen), la señal en una forma molecular más adecuada para transmitir la señal o estimular una respuesta. 2. Transmiten la señal desde el punto en el que la célula la recibe hacia el punto en el que se produce la respuesta. Pregunta 16-2 Cuando un fotorreceptor rodopsina absorbe un solo fotón de luz, activa unas 500 moléculas individuales de una proteína de señalización intracelular llamada transducina. A su vez, cada molécula de transducina se une a una enzima, la fosfodiesterasa y la activa, después de lo cual la enzima hidroliza cerca de 4 000 moléculas de GMP cíclico por secundo. El GMP cíclico es una molécula pequeña similar al AMP cíclico que se une a los canales de Na+ de la membrana plasmática en el citosol de los bastones fotorreceptores y los mantiene abiertos, como veremos luego (véase fig. 1628). Si se considera solo la disminución del GMP cíclico, ¿cuál sería el grado de amplificación de la señal si cada molécula de transducina permaneciera activa durante 100 milisegundos? Fig. 16-8. Las cascadas de señalización celular pueden seguir una vía compleja. Una proteína receptora ubicada en la superficie celular transduce una señal extracelular en una señal intracelular y así inicia una cascada de señalización que transfiere la señal hacia el interior de la célula, la amplifica y la distribuye. Muchos de los pasos de la cascada pueden ser modulados por otras moléculas o eventos celulares. 3. En muchos casos, las cascadas de señalización también amplifican Ia señal recibida, lo que la torna más intensa, de modo que algunas moléculas señalizadoras extracelulares son suficientes para evocar un gran respuesta intracelular. 4. Las cascadas de señalización también pueden distribuir la señal y esta puede afectar varios procesos en forma paralela: en cualquier paso de la vía la Editorial Médica Panamericana – 2ª. Edición 9 Introducción a la Biología Celular -Capítulo 16- Comunicación Celular señal puede divergir y transmitirse a otros destinos intracelulares diferentes, lo que creará ramificaciones en el diagrama de flujo de la información y evocará una respuesta compleja. 5. Cada paso en esta cascada de señalización está abierto a la modulación por otros factores, entre ellos otras señales externas, de modo que los efectos de la señal pueden modificarse de acuerdo con las condicione! que prevalecen en el interior o en el exterior de la célula. La mayor parte de las vías de señalización son extensas y ramificadas y cuentan con la ayuda de muchos componentes moleculares, porque deben transmitir la información desde los receptores ubicados sobre la superficie celular hacia la maquinaria apropiada en el interior de la célula. Sin embargo, existen algunas vías de señalización más simples y más directas que analizaremos en las dos secciones que siguen. Fig. 16-9. Las moléculas de señalización extracelular se unen a receptores de superficie o bien a enzimas o receptores intracelulares. (A) La mayoría de las moléculas de señalización son grandes e hidrófilas y por ende no pueden atravesar la membrana plasmática directamente; en lugar de ello se unen a receptores de superficie, los que a su vez generan una o más señales dentro de la célula diana (como se muestra en la figura 16-7). (B) Algunas moléculas señalizadoras hidrófobas pequeñas, en cambio, se difunden a través de la membrana plasmática de la célula diana y activan enzimas o se unen a receptores intracelulares: en el citosol o en el núcleo (como se muestra en la figura). El óxido nítrico atraviesa la membrana plasmática y activa directamente a las enzimas intracelulares Las moléculas de señalización extracelular se dividen en dos grupos. El primer grupo, y el más extenso, consiste en moléculas que no pueden atravesar la membrana plasmática de la célula diana porque son demasiado grandes o demasiado hidrófilas. Estas moléculas dependen de receptores ubicados sobre la superficie de la célula diana para transmitir su mensaje a través de la membrana (fig.16-9A). El segundo grupo más pequeño, consiste Editorial Médica Panamericana – 2ª. Edición 10 Introducción a la Biología Celular -Capítulo 16- Comunicación Celular en moléculas de menor tamaño o hidrófobas que pueden atravesar la membrana plasmática con facilidad (fig.16-9 B). Una vez dentro de la célula, estas moléculas señalizadoras activan enzimas intracelulares o se unen a proteínas receptoras presentes en el interior de la célula que regulan expresión de los genes. La activación directa de una enzima es una estrategia eficaz que permite que una señal extracelular pueda provocar alteraciones en una célula en un lapso de segundos o minutos. El óxido nítrico (NO) actúa de esta manera. Este gas disuelto se difunde con rapidez hacia afuera de la célula que lo genera y penetra en las células vecinas. El NO se forma a partir del aminoácido arginina y actúa como mediador local en muchos tejidos. El gas actúa solo en forma local porque se convierte rápidamente en nitratos y nitritos (con una vida media de alrededor de 5 a 10 segundos) al reaccionar con el oxígeno y el agua fuera de la célula. Las células endoteliales -células planas que revisten los vasos sanguíneos- liberan NO en respuesta a la estimulación que reciben de Fig. 16-10. El óxido nítrico (NO) desencadena la relajación del músculo liso en las paredes de los vasos sanguíneos. (A) En el dibujo se muestra un nervio en contacto con un vaso sanguíneo. (B) Secuencia de eventos que llevan a la dilatación de los vasos sanguíneos. Las terminaciones nerviosas de las paredes de los vasos sanguíneos liberan acetilcolina, la que estimula la producción y la liberación de NO en las células endoteliales que revisten las paredes de los vasos. El NO difunde hacia el exterior de las células endoteliales y penetra en las células del músculo liso adyacentes, lo que produce la relajación de las células musculares. Nótese que el NO gaseoso es muy tóxico cuando se inhala y no debe confundirse con el óxido nitroso (N2O), conocido también como el gas de la risa. las terminaciones nerviosas. Esta señal de NO relaja las células del músculo liso de las paredes de los vasos, que se dilatan y esto permite que la sangre Editorial Médica Panamericana – 2ª. Edición 11 Introducción a la Biología Celular -Capítulo 16- Comunicación Celular fluya con mayor libertad (fig.16-10). El efecto del NO sobre los vasos sanguíneos es responsable de la acción de la nitroglicerina, que se utiliza hace casi 100 años para el tratamiento de los pacientes con angina (dolor causado por el flujo inadecuado de la sangre hacia el músculo cardíaco). En el cuerpo la nitroglicerina se convierte en NO que relaja rápidamente las arterias coronarias y aumenta el flujo de sangre al corazón. Muchas células nerviosas también utilizan NO para enviar señales a células vecinas: el NO liberado por las terminaciones nerviosas del pene, por ejemplo, produce vaso dilatación local, lo que permite la erección. En el interior de muchas de las células diana el NO se une a la enzima guanilil ciclasa y estimula la formación de GMP cíclico a partir del nucleótido GTP. E1 GMP cíclico es una molécula de señalización intracelular que forma el siguiente eslabón en la cadena de señalización que lleva a la respuesta final de la célula. La droga Viagra®, contra la impotencia, mejora la erección del pene por bloqueo de la degradación del GMP cíclico, lo que prolonga la señal del NO. El GMP cíclico tiene una estructura y un mecanismo de acción muy similares a los del AMP cíclico, un mensajero intracelular que utilizan con mucho mayor frecuencia las células al que nos referimos después. Algunas hormonas atraviesan la membrana plasmática y se unen a receptores intracelulares No solo los gases como el NO pueden atravesar la membrana plasmática. Las moléculas señalizadoras hidrófobas como las hormonas esteroides -entre ellas el cortisol, el estradiol y la testosterona- y las hormonas tiroideas como la tiroxina (fig. 16-11) pueden atravesar la membrana plasmática de la célula diana. Sin embargo, en lugar de activar enzimas intracelulares estas moléculas se unen a proteínas receptoras ubicadas en el citosol o en el núcleo. Estos receptores de hormonas son proteínas capaces de regular la transcripción de los genes pero típicamente están presentes en forma inactiva cuando la célula no es estimulada. Si se une una hormona la proteína receptora sufre una importante modificación en su conformación que activa a la proteína y le permite promover o inhibir la transcripción de un conjunto determinado de genes (fig. 16-12). Cada hormona se une a una proteína receptora distinta y cada receptor actúa sobre un conjunto distinto de sitios de regulación en el DNA (véase cap. 8). Como las hormonas regulan distintos grupos de genes, evocan diversas respuestas fisiológicas (véase también cuadro 16-1, p. 537). Los receptores de hormonas esteroides desempeñan un papel esencial en la fisiología humana, como lo ilustran las notables consecuencias de la falta de receptores de testosterona en los seres humanos. La hormona sexual masculina testosterona, que ayuda a la formación de los genitales externos e influye en el desarrollo del cerebro en el feto, en la pubertad desencadena el desarrollo de los caracteres sexuales secundarios masculinos. Existen casos muy raros de sujetos que son genéticamente masculinos (es decir, tienen un cromosoma X y un cromosoma Y) pero carecen de receptores de testosterona Editorial Médica Panamericana – 2ª. Edición 12 Introducción a la Biología Celular -Capítulo 16- Comunicación Celular Fig. 16-11. Algunas hormonas hidrófobas pequeñas se unen a receptores intracelulares que actúan como proteínas reguladoras de la expresión génica. Si bien estas moléculas señalizadoras difieren en su estructura química y su función, todas ellas actúan por unión a proteínas receptoras intracelulares. Sus receptores no son idénticos pero están desde el punto de vista evolutivo relacionados entre sí, y pertenecen a la superfamilia de receptores nucleares de proteínas reguladoras de la expresión génica. En el cuadro 16-1 (p. 537) se presentan los sitios de origen y las funciones de estas hormonas. Pregunta 16-3 Consideremos la estructura del colesterol (fig. P163), una molécula hidrófoba pequeña que tiene un esqueleto esterol similar al de tres de las hormonas que se muestran en la figura 16-11 pero poseo menos grupos polares como -OH, =0, y -C00- Si el colesterol no formara parte de la membrana celular, ¿podría actuar en forma eficaz como una hormona en caso de que existiera un receptor intracelular apropiado? como consecuencia de una mutación en el gen correspondiente de manera de sintetizan la hormona pero sus células no pueden responder a ella. Como resultado estos individuos se desarrolla como mujeres, la vía del desarrollo sexual y cerebral que se produciría en ausencia de hormonas femeninas y masculinas. Esto demuestra el papel clave de los receptores de testosterona en el desarrollo sexual y además demuestra que el receptor no es necesario solamente en un tipo celular para mediar uno de los efectos de la testosterona Editorial Médica Panamericana – 2ª. Edición 13 Introducción a la Biología Celular -Capítulo 16- Comunicación Celular sino también en muchos tipos celulares para producir todas las características que distinguen al hombre de la mujer. Fig. 16-12. La hormona esteroide cortisol activa una proteína reguladora de la expresión génica. El cortisol difunde en forma directa a través de la membrana plasmática y se une a su proteína receptora, que está ubicada en el citosol. Luego el complejo hormona-receptor es transportado hacia el núcleo a través de los poros nucleares. La unión al cortisol activa a la proteína receptora, que entonces se puede unir a secuencias reguladoras específicas en el DNA y activar (o reprimir, no se muestra en el dibujo) la transcripción génica. Los receptores de cortisol y de algunas otras hormonas esteroides se ubican en el citosol; los receptores de otras moléculas señalizadoras de esta familia ya están unidos al DNA del núcleo. Hay tres clases principales de receptores de superficie celular A diferencia del NO y de las hormonas esteroides y tiroideas, la gran mayoría de las moléculas señalizadoras no pueden atravesar la membrana plasmática de la célula diana porque son muy grandes o porque son hidrófilas. Estas proteínas, péptidos y otras moléculas grandes e hidrosolubles se unen a proteínas receptoras que atraviesan la membrana plasmática (fig.16-13). Los receptores transmembrana detectan la señal en el exterior y transmiten el mensaje, de otra manera, a través de la membrana hacia el interior de la célula. La mayor parte de las proteínas receptoras de la superficie celular pertenecen a una de tres grandes familias: receptores asociados con canales iónicos, receptores asociados con proteínas G, y receptores asociados con enzimas. Editorial Médica Panamericana – 2ª. Edición 14 Introducción a la Biología Celular -Capítulo 16- Comunicación Celular Fig. 16-13. La mayoría de las moléculas señalizadoras se unen a proteínas receptoras sobre la superficie de la célula diana. Aquí se muestra la estructura tridimensional de la hormona de crecimiento humana (en rojo) unida a su receptor. Al unirse la hormona se unen dos proteínas receptoras idénticas (una se representa en verde y la otra en azul). Las estructuras representadas se determinaron por estudios de cristalografía con rayos X de complejos formados entre la hormona y los dominios extracelulares del receptor producidos por tecnología de DNA recombinante. La unión de la hormona activa enzimas citoplasmáticas que están estrechamente unidas a las colas citosólicas de los receptores transmembrana (no se muestran). (De A. M. deVos, M. Ultsch y A. A. Kossiakoff, Science 255:306312,1992. © AAAS.) Estas familias difieren entre sí en la naturaleza de la señal intracelular que generan cuando la molécula señalizadora extracelular se une a ellas. En el caso de los receptores asociados con canales iónicos, la señal resultante es flujo de iones a través de la membrana, que produce una corriente eléctrica (fig. 16-14 A). Los receptores asociados a proteínas G activan un tipo de proteína unida a la membrana (una proteína ligadora de GTP trimérica o proteína G), que luego es liberada y migra en el plano de la membrana plasmática, lo que desencadena una cascada de efectos (fig. 16-14B). En cuanto a los receptores asociados con enzimas, al activarse actúan como enzimas o se asocian con enzimas en el interior de la célula (fig. 16-14C). Esta activación enzimática genera una multitud de señales adicionales que incluyen la liberación de moléculas pequeñas en el citosol. El número de tipos de receptores diferentes incluidos en estas tres clases es aun mayor que el número de señales extracelulares que actúan sobre ellos porque muchas moléculas señalizadoras extracelulares tienen mas de un tipo de receptor. El neurotransmisor acetilcolina, por ejemplo, actúa sobre las células del músculo esquelético a través de un receptor asociado con un canal iónico, mientras que en las células del músculo cardíaco actúa a través de un receptor asociado con una proteína G (véase fig. 16-5A y C). Estos dos tipos de receptores generan distintas señales intracelulares y de esta manera cada tipo de célula muscular reacciona ante la acetilcolina de manera diferente: en el músculo esquelético aumenta la contracción y en el corazón disminuye la frecuencia de las contracciones. Editorial Médica Panamericana – 2ª. Edición 15 Introducción a la Biología Celular -Capítulo 16- Comunicación Celular Fig. 16-14. Existen tres tipos básicos de receptores de superficie. (A) El receptor asociado con canales iónicos se abre (o se cierra, no se muestra en la figura) en respuesta a la unión de su molécula señalizadora. (B) Cuando un receptor asociado con una proteína G se une a su molécula señalizadora extracelular, la señal se transmite en primer lugar a una proteína de unión al GTP (una proteína G) asociada con el receptor. La proteína G activada abandona el receptor y activa una enzima diana (o canal iónico, que no se muestra en la figura) en la membrana plasmática. Para simplificar, la proteína G se muestra aquí como una molécula única; como veremos luego, en realidad es un complejo de tres subunidades que se pueden disociar. (C) Un receptor asociado con una enzima se une a su molécula señalizadora extracelular y activa a la enzima en el otro extremo del receptor, dentro de la célula. Si bien muchos receptores asociados con enzimas tienen actividad enzimática propia (izquierda), otros se basan en enzimas asociadas (derecha). Pregunta 16-4 Los mecanismos de señalizacion utilizados por los receptores de hormonas esteroides y por los receptores asociados con canales iónicos son relativamente simples y constan de pocos componentes, ¿Estos mecanismos pueden amplificar la señal inicial? Si su respuesta es afirmativa, explique de qué manera lo hacen. Editorial Médica Panamericana – 2ª. Edición 16 Introducción a la Biología Celular -Capítulo 16- Comunicación Celular Los numerosísimos receptores de superficie celular diferentes que requiere el cuerpo para la señalización también son dianas de muchas sustancias extrañas que interfieren en nuestra fisiología y en nuestras sensaciones. Estas sustancias, que incluyen desde la heroína y la nicotina hasta los tranquilizantes y los chiles (tipo de ají picante), imitan al ligando natural que se une al receptor y ocupan el sitio de unión del ligando normal o se unen al receptor en algún otro sitio y bloquean o hiperestimulan la actividad natural del receptor. Muchas drogas y venenos actúan de esta manera (cuadro 16-2) y gran parte de la industria farmacéutica se dedica a la búsqueda de sustancias que puedan ejercer un efecto preciso y bien definido al unirse a un tipo específico de receptor de membrana. Los receptores asociados con canales iónicos transforman las señales químicas en señales eléctricas Entre todos los tipos de receptores de la superficie celular, los asociados con canales iónicos (conocidos también como canales iónicos regulados por un transmisor) actúan de la manera más sencilla y más directa. Estos receptores son responsables de la transmisión rápida de las señales a través de las sinapsis en el sistema nervioso. Transducen directamente una señal química con la forma de un pulso de neurotransmisor enviado hacia el exterior de la célula diana en una señal eléctrica con la forma de un cambio de voltaje a través de la membrana plasmática de la célula diana. Cuando el neurotransmisor se une este tipo de receptor altera su conformación y abre o cierra un canal para permitir el flujo de un tipo específico de iones -como Na+, K+, Ca2+ o Cl- a través de la membrana plasmática (véase fig. 16-14A). Impulsados por un gradiente electroquímico, los iones se precipitan hacia adentro o hacia afuera de la célula, lo que genera un cambio en el potencial de membrana en el término de milisegundos. Este cambio en el potencial puede desencadenar un impulso nervioso o alterar la capacidad de otras señales para hacerlo. Como veremos luego en este capítulo, la apertura de los canales de Ca2+ tiene efectos especiales porque los cambios en la concentración intracelular de Ca2+ pueden alterar profundamente las actividades de muchas Editorial Médica Panamericana – 2ª. Edición 17 Introducción a la Biología Celular -Capítulo 16- Comunicación Celular proteínas. La función de los receptores asociados con canales iónicos se explica con mayor detalle en el capítulo 12. Mientras que los receptores asociados con canales iónicos son específicos del sistema nervioso y de otras células con excitabilidad eléctrica como las células musculares, los asociados con proteínas G y con enzimas se utilizan en casi todos los tipos celulares del cuerpo. En el resto de este capìtulo nos referiremos a estas familias de receptores y a los procesos de transducción de señales que inician. Muchas proteínas de señalización intracelular actúan como interruptores moleculares Las señales que llegan a través de receptores asociados con proteínas G o con enzimas se transfieren a sistemas de transmisión elaborados formados por cascadas de moléculas de señalización intracelular. Salvo algunas moléculas pequeñas (como el GMP cíclico, el AMP cíclico y el Ca2+), estas moléculas de señalización intracelular son proteínas. Algunas sirven como transductores químicos: generan una señal química en respuesta a otra. Otras sirven como mensajeros que reciben una señal en un sitio de t célula y se trasladan a otro sitio para ejercer su efecto, y así sucesivamente (véase fig. 168). La mayor parte de las proteínas clave en la señalización intracelular se comportan como interruptores moleculares: la recepción de una señal las hace pasar de un estado inactivo a un estado activo. Una vez activadas estas proteínas pueden activar a su vez a otras proteínas en la vía. Luego persisten en estado activo hasta que otro proceso las devuelve al estado activo. A menudo se menosprecia la importancia del proceso de inactivación. Si después de transmitir una señal la vía de señalización debe recuperarse y estar lista para transmitir una señal nueva cada interruptor molecular debe ser devuelto a su estado original, desactivado. Por ende, en cada paso, para cada mecanismo de activación debe haber un mecanismo de inactivación. Ambos mecanismos son igualmente importantes para el funcionamiento del sistema. Las proteínas que actúan como interruptores moleculares casi siempre pertenecen a una de dos clases principales. La primera y la más abundante de estas dos clases está compuesta por proteínas cuya actividad se desencadena o reprime por fosforilación, como se explica en el capítulo 4 (véase fig. 4-41). En el caso de estas proteínas una proteincinasa desplaza al interruptor en una dirección al agregarle un grupo fosfato y una proteína fosfatasa lo desplaza en la dirección opuesta al quitarle el fosfato (fig. 16-Í15A). Muchas de las proteínas que actúan como interruptores, controlados por fosforilación son proteincinasas que a menudo están organizadas en cascadas de fosforilación: una proteincinasa activada por fosforilación fosforila a la proteincinasa que le sigue en la secuencia, y así sucesivamente, de modo que la señal se transmite hacia adelante y, durante el proceso, se amplifica, se distribuye y se modula. La otra clase importante de proteínas "interruptoras" que participan en la señalización está formada por las proteínas asociadas con el GTP. Estas Editorial Médica Panamericana – 2ª. Edición 18 Introducción a la Biología Celular -Capítulo 16- Comunicación Celular Fig, 16-15. Muchas proteínas de señalización 'intracelular actúan como interruptores moleculares. Las proteínas de señalización intracelular se activan por adición de un grupo fosfato y se desactivan cuando se elimina el grupo fosfato. En algunos casos el fosfato se une en forma covalente a la proteína por acción de una proteincinasa que transfiere el grupo fosfato terminal del ATP a la proteína señalizadora; luego una proteína fosfatasa elimina el fosfato (A). En otros casos se induce a una proteína señalizadora de unión al GTP a intercambiar su GDP por GTP, que activa a la proteína; luego la hidrólisis del GTP a GDP inactiva la proteína (B). Fjg. 16-16. Todos los receptores asociados con proteínas G tienen una estructura similar. Las porciones citoplasmáticas del receptor son responsables de la unión a la proteína G dentro de la célula. Los receptores que se unen a moléculas de señalización proteicas por lo general tienen un gran dominio extracelular de unión al ligando (verde claro). Este dominio, junto con algunos de los segmentos transmembrana, se une al ligando de la proteína. En cambio, los receptores que reconocen moléculas señalizadoras pequeñas como la adrenalina tienen dominios extracelulares pequeños y el ligando por lo común se une en profundidad en el plano de la membrana a un sitio formado por aminoácidos aminoácidos de varios segmentos transmembrana (no se muestra en la ilustración). proteínas pasan de un estado activo a un estado inactivo según que estén unidas a GTP o a GDP (fig. 16-15B). Los mecanismos que controlan la activación y la desactivación se describirán en la próxima sección. Las proteínas asociadas con GTP son importantes en varias vías de señalización. Una clase de proteínas asociadas con GTP, las proteínas G, desempeña un papel central en la señalización a través de receptores asociados a proteína I a los que nos referiremos a continuación. Editorial Médica Panamericana – 2ª. Edición 19 Introducción a la Biología Celular -Capítulo 16- Comunicación Celular Receptores asociados con proteínas G Los receptores asociados con proteínas G constituyen la familia mas extensa de receptores de membrana y se identificaron centenares de miembros de esa familia en células de mamífero. Estos receptores median las respuestas a una enorme diversidad de moléculas señalizadotas extracelulares entre ellas hormonas, mediadores locales y neurotransmisores. Las moléculas señalizadoras tienen estructuras y funciones variadas: pueden ser proteínas, péptidos pequeños o derivados de aminoácidos o ácidos grasos y par cada una de ellas existe un receptor o grupo de receptores diferente. A pesar de la diversidad de moléculas señalizadoras que pueden unirse a ellos, todos los receptores asociados con proteínas G analizados tienen una estructura similar: cada uno de ellos está compuesto por una cadena única de polipéptidos que atraviesa siete veces la bicapa lipídica en una y otra dirección (fig. 16-16). Esta superfamilia de proteínas transmembrana receptoras de siete segmentos incluye la rodopsina (la proteína fotorreceptora del ojo de los vertebrados que se activa por la luz), los receptores olfativos presentes en la nariz de los vertebrados y los receptores que participan en los rituales de copulación de las levaduras unicelulares. Desde é punto de vista evolutivo los receptores asociados con proteínas G son antiguos: hasta las bacterias poseen proteínas de membrana de estructura similar; como la bacteriorrodopsina que funciona como bomba de H+ impulsada por la luz (véase cap. 11). Si bien se asemejan a los receptores asociados con proteínas G de las células eucariotas, estos receptores bacterianos no actúan a través de proteínas G sino que se acoplan a sistemas de transducción de señales diferentes. La estimulación de los receptores asociados con proteínas G activa las subunidades de estas proteínas Cuando una molécula de señalización extracelular se une a un receptor transmembrana de siete segmentos la proteína receptora sufre un cambio en su conformación que le permite activar a una proteína G ubicada debajo de la membrana plasmática. Para explicar cómo se transmite la señal a partir de esta activación, debemos considerar primero cómo se conforman las proteínas G y cómo funcionan. Existen distintas variedades de proteínas G. Cada una de ellas es específica de un grupo determinado de receptores y de un grupo determinado de proteínas diana de la cadena, como se verá enseguida. Sin embargo, la estructura general de todas estas proteínas G es similar y todas ellas funcionan de manera semejante. Están compuestas por tres subunidades de proteínas – α, β y ψ -, dos de las cuales se unen a la membrana plasmática por medio de colas lipídicas cortas. En el estado no estimulado la subunidad α tiene unido un GDP y la proteína G es inactiva (fig. 16-17A). Cuando un ligando extracelular se une a su receptor, el receptor alterado activa a la proteína G y determina que la subunidad α pierda parte de su afinidad por el GDP, que se reemplaza por una molécula de GTP. Esta activación provoca la escisión de las subunidades de proteína G: la subunidad α "activada", unida al GTP, se separa del complejo βψ y forman dos moléculas separadas que se desplazan de manera independiente a lo largo de la membrana plasmática (fig. 16-17 B y C). Editorial Médica Panamericana – 2ª. Edición 20 Introducción a la Biología Celular -Capítulo 16- Comunicación Celular Las dos partes activadas de la proteína G -la subunidad α y el complejo βψpueden interactuar en forma directa con proteínas diana ubicadas en la membrana plasmática, las que a su vez pueden transmitir la señal a otros destinos. Cuanto más tiempo estén unidas la subunidad α o la subunidad βψ a las proteínas diana, más fuerte y más prolongada será la transmisión de la señal. El comportamiento de la subunidad α limita el tiempo durante el cual subunidades α y βψ pueden estar disociadas -y disponibles para transmitir señales-. La subunidad α tiene una actividad intrínseca de hidrólisis de GTP (GTPasa) y es capaz de hidrolizar el GTP al que está unido y convertirlo en GDP; luego la subunidad α vuelve a asociarse con el complejo βyψ la señal se desactiva (fig. 16-18). Esta nueva asociación en general se produce pocos segundos después de activarse la proteína G. La proteína G constituida está lista para reactivarse por otro receptor activado. Este sistema demuestra una vez más un principio general de la señalización celular: los mecanismos que desactivan una señal son tan importantes como los que la activan (véase fig. 16-15B). Ofrecen las mismas oportunidades de control y los mismos riesgos de error. Consideremos el ejemplo del cólera. Esta enfermedad es causada por una bacteria que se multiplica en el intestino, en donde produce una proteína llamada toxina del cólera. Esta proteína penetra en las células que revisten el intestino y modifica la subunidad α una proteína G (denominada Gs porque estimula la enzima adenililciclasa, a la que nos referiremos más adelante) de manera que ésta ya no pueda hidrolizar al GTP. La subunidad α alterada permanece así en estado activo en forma indefinida y continúa transmitiendo una señal a sus proteínas diana. En las células intestinales esto provoca un flujo prolongado y excesivo de CI y agua hacia el intestino, lo que genera una diarrea y una deshidratación catastróficas que a menudo conducen a la muerte a menos que se tomen medidas l urgentes para reponer el agua y los iones perdidos. La situación es similar en el caso de la tos fesina (pertussis), una infección respiratoria común contra la cual en la actualidad se vacuna sistemá-nente a los niños. En este caso la bacteria causal coloniza los pulmones, en los que produce una proteína llamada toxina pertussis. Esta proteína altera la subunidad α de un tipo distinto de proteína G (denominada G.1 porque inhibe a la adenilfilciclasa). Sin embargo, en este caso la toxina pro- duce una modificación que desactiva a la proteína G al bloquearla en su estado inactivo unido al GDP. La inactivación de G.1, al igual que la activación de Gs, genera una señal prolongada e inadecuada. Curiosamente, aunque los efectos bioquímicos de las toxinas del cólera y pertussis se conocen en detalle, no se sabe cómo se beneficia la bacteria con su acción. De todos modos, lo que nos demuestran las toxinas del cólera y pertussis es que las vías de señalización intracelular pueden sobreactivarse de manera peligrosa, al igual que un automóvil acelerado sin control, sea porque se trabe el acelerador o porque se corten los frenos moleculares. Editorial Médica Panamericana – 2ª. Edición 21 Introducción a la Biología Celular -Capítulo 16- Comunicación Celular Fig. 16-17. Las proteínas G se disocian en dos proteínas señalizadoras al activarse. (A) En el estado no estimulado el receptor y la proteína G están inactivos. A pesar de que aquí se muestran como entidades separadas en la membrana plasmática, en algunos casos, por lo menos, están asociados en un complejo preformado. (B) La unión de una señal extracelular modifica la conformación del receptor, lo que a su vez altera la conformación de la proteína G unida a él. (C) La alteración de la subunidad a de la proteína G le permite intercambiar su GDP por GTP. Esto determina que la proteína G se degrade en dos componentes activos (una subunidad a y un complejo (fy), ambos con capacidad de regular la actividad de proteínas diana de la membrana plasmática. El receptor permanece activo mientras se le une la molécula de señalización externa y por ende puede catalizar la activación de muchas moléculas de proteína G. Nótese que las subunidades a y y de la proteína G están unidas en forma covalente a moléculas lipídicas (rojo) que las ayudan a anclarse en la membrana plasmática. Actualización, las subunidades de la proteína G no se separan completamente. Clic aquí Editorial Médica Panamericana – 2ª. Edición 22 Introducción a la Biología Celular -Capítulo 16- Comunicación Celular Fig. 16-18. La subunidad α de la proteína G se inactiva por hidrolización del GTP unido a ella. Cuando una subunidad a activada se encuentra y se une con su diana activa a su proteína (o en algunos casos la desactiva, no se muestra en la figura) durante el tiempo en que están en contacto. En pocos segundos el GTP de la subunidad α se hidroliza a GDP por la actividad GTPasa intrínseca de la subunidad α. Esta pérdida de GTP inactiva a la subunidad α, que se disocia de su proteína diana y se reasocia con el complejo βψ para volver a formar una proteína G inactiva. En ese momento la proteína G está lista para acoplarse con otro receptor, como se ve en la figura 16-17B. Tanto la subunidad α activada como el complejo βψ libre pueden regular proteínas diana. Pregunta 16-5 Los receptores asociados con proteínas G activan a estas proteínas al disminuir la fuerza de su enlace al GDP, que como resultado se disocia rápidamente y se reemplaza por GTP, cuya concentración en el citosol es mucho mayor que la del GDP. ¿Qué consecuencias podría tener una mutación en la subunidad de una proteína G que Editorial Médica Panamericana – 2ª. Edición 23 Introducción a la Biología Celular -Capítulo 16- Comunicación Celular redujera su afinidad por el GDP sin alterar demasiado su afinidad por el GTP? Compare los electos de esta mutación con los efectos de la toxina del cólera. Fig. 16-19. Las proteínas G acoplan la activación del receptor con la apertura de los canales de K+ de la membrana plasmática de las células del músculo cardíaco. (A) La unión del neurotransmisor acetilcolina a su receptor asociado con proteínas G en las células del músculo cardíaco produce la disociación de la proteína G en un complejo ΒΨ activado y una subunidad α activada. (B) El complejo (fy activado se une y abre un canal de K+ en la membrana plasmática de la célula cardíaca. (C) La subunidad α se inactiva por hidrólisis del GTP unido a ella, se reasocia con el complejo ΒΨ y forma una proteína G + inactiva, lo que permite el cierre del canal de K . Algunas proteínas G regulan canales iónicos Las proteínas diana de las subunidades de las proteínas G son canales iónicos o enzimas unidas a la membrana. Hasta el momento se descubrieron ron unos 20 tipos de proteínas G en los mamíferos. Cada tipo afecta a diferentes proteínas diana y se activa por distintos tipos de receptores de superficie. De esta manera, la unión de una molécula de señalización extracelular a un receptor asociado con una proteína G produce efectos sobre un subgrupo particular de las posibles proteínas diana, lo que provoca una respuesta apropiada para esa señal y ese tipo celular. En primer lugar vamos a considerar un ejemplo de regulación de canales iónicos por medio de las proteínas G. En los animales los latidos cardíacos son controlados por dos grupos de fibras nerviosas: un grupo acelera eI ritmo cardíaco y el otro lo enlentece. Los nervios que emiten la señal de disminución del ritmo cardíaco liberan acetilcolina, la que se une a un receptor asociado con una proteína G ubicado en la superficie de las células del músculo cardíaco. Editorial Médica Panamericana – 2ª. Edición 24 Introducción a la Biología Celular -Capítulo 16- Comunicación Celular Cuando la acetilcolina se une a este receptor se activa una proteína G (G.1), que se disocia en una subunidad α y un complejo Βψ (fig. 16-19A). En este ejemplo el complejo Βψ es el componente activo de Ia señalización: se une a la cara intracelular de un canal de K+ en la membrana plasmática de la célula del músculo cardíaco y al hacerlo fuerza al canal iónico a mantener una conformación abierta que permite el flujo de K+ hacia el exterior de la célula (fig. 16-19B). Esto altera las propiedades eléctricas de la célula e inhibe su actividad. La señal se interrumpe -y los canales de K+ se cierran nuevamente cuando la subunidad α se desactiva hidrolizar al GTP unido a ella y se vuelve a asociar con el complejo Pypa-l formar nuevamente una proteína G inactiva (fig.16-19C). Algunas proteínas G activan enzimas asociadas con la membrana Cuando las proteínas G interactúan con canales iónicos producen un cambio inmediato en el estado y el comportamiento de la célula. Sus interacciones con enzimas diana tienen consecuencias más complejas que llevan a la producción de moléculas señalizadoras intracelulares adicionales. Las enzimas diana más frecuentes de las proteínas G son la adenililciclasa, la enzima responsable de la producción de AMP cíclico, una pequeña molécula señalizadora intracelular, y lafosfolipasa C, la enzima responsable de la producción de inositol trifosfato y diacilglicerol, dos pequeñas moléculas señalizadoras intracelulares. Estas dos enzimas se activan por distintos tipos de proteínas G de modo que las células son capaces de acoplar la producción de las pequeñas moléculas señalizadoras intracelulares con distintas señales extracelulares. Como ya hemos visto, el acoplamiento puede ser estimulador o inhibidor. Aquí nos concentraremos en las proteínas G que estimulan la actividad enzimática. Las pequeñas moléculas señalizadoras intracelulares que se generan en estas cascadas se denominan mensajeros secundarios (los "mensajeros primarios" son las señales extracelulares); los mensajeros secundarios se producen en grandes cantidades cuando se activa una enzima asociada con la membrana -como la adenililciclasa o la fosfolipasa C - y se difunden con rapidez para propagar la señal por toda la célula (fig. 16-20). Fig. 16-20. Las enzimas activadas por proteínas G catalizan la síntesis de mensajeros intracelulares secundarios. Dado que cada enzima activada genera muchas moléculas mensajeras secundarias, la señal se amplifica en gran medida en este punto de la vía. La señal se transmite por la unión de moléculas mensajeras que se unen a las proteínas diana y a otras proteínas Editorial Médica Panamericana – 2ª. Edición 25 Introducción a la Biología Celular -Capítulo 16- Comunicación Celular señalizadoras de la célula y modifican su actividad. Obviamente, las distintas moléculas que funcionan como mensajeros secunadrios producen distintas respuestas celulares. En primer lugar examinaremos las consecuencias de un aumento de la concentración intracelular de AMP cíclico. Esto nos llevará a uno de los principales tipos de vías de señalización que parten de la activación de receptores asociados con proteínas G. Luego explicaremos la acción del inositol trifosfato y del diacilglicerol, que son moléculas mensajeras secundarias que nos llevarán a otra vía molecular. La vía del AMP cíclico puede activar enzimas e inducir la transcripción de genes Muchas señales extracelulares que actúan a través de receptores asociados dos con proteínas G afectan la actividad de la adenililciclasa y por ende alteran la concentración de la molécula mensajera AMP cíclico dentro de la célula. Lo más frecuente es que la subunidad α de la proteína G activada active a la adenililciclasa y produzca un aumento brusco y espectacular de la síntesis de AMP cíclico a partir del ATP (que siempre está presente en la c lula). Esta proteína G se denomina Gs porque estimula a la ciclasa. Para ayudar a eliminar la señal una segunda enzima, llamada fosfodiesterasa del AMP cíclico, convierte con rapidez el AMP cíclico en AMP común (fig. 16-21). Una de las acciones estimulantes de la cafeína consiste en inhibir a estafosfodie terasa en el sistema nervioso para bloquear la degradación del AMP cíclio y mantener elevada la concentración de este mensajero secundario. La fosfodiesterasa del AMP cíclico está en continua actividad dentro de la célula. Dado que descompone el AMP cíclico tan rápidamente, las concentraciones de este mensajero secundario pueden variar con rapidez en respuesta a señales extracelulares, es decir que pueden aumentar o disminuir hasta diez veces en cuestión de segundos (fig.16-22). El AMP cíclico es una molécula soluble en agua de modo que y puede transportar su señal a través de toda la célula al trasladarse desde el sitio de la membrana en el que se sintetiza para interactuar con otras proteínas del citosol, el núcleo y otros orgánulos. Fig. 16-21. El AMP cíclico es sintetizado por la adenililciclasa y se degrada por acción de la Editorial Médica Panamericana – 2ª. Edición 26 Introducción a la Biología Celular -Capítulo 16- Comunicación Celular fosfodiesterasa del AMP cíclico. El AMP cíclico se forma a partir de ATP mediante una reacción de ciclización que elimina dos grupos fosfato del ATP y une el extremo "libre" del fosfato restante al azúcar de la molécula de ATP. La reacción de degradación rompe este segundo enlace y forma AMP. Fig. 16-22. La concentración de AMP cíclico aumenta rápidamente en respuesta a una señal extracelular. Una célula nerviosa en cultivo responde a la unión del neurotransmisor serotonlna a un receptor asociado con proteína G sintetizando AMP cíclico. Para controlar la concentración de AMP cíclico intracelular se inyectó en la célula una proteína fluorescente que cambia su fluorescencia al unirse al AMP cíclico. El color azul indica un nivel bajo de AMP cíclico, el color amarillo un nivel intermedio y el color rojo un nivel alto. (A) En la célula en reposo la concentración de AMP cíclico es de alrededor de 5x 10~8 M. (B) Veinte segundos después de agregar serotonina al medio de cultivo la concentración 6 intracelular de AMP cíclico aumentó a más de 10" M, un aumento de más de veinte veces. (Cortesía de Roger Tsien.) Muchas respuestas celulares son mediadas por el AMP cíclico y en el cuadro 16-3 se enumeran algunas de ellas. Como se muestra en el cuadro mencionado, distintas células diana responden de maneras muy diferentes las señales extracelulares que modifican las concentraciones de AMP cíclico dentro de la célula. En muchos tipos de células animales la estimulación de la producción de AMP cíclico aumenta la velocidad de consumo del combustible metabólico. Cuando estamos asustados o excitados, por ejemplo, la glándula suprarrenal libera la hormona adrenalina, que circula por el torrente sanguíneo y se une a un tipo de receptores asociados con propinas G (receptores adrenérgicos) presentes en muchos tipos celulares. Las consecuencias varían entre los diferentes tipos celulares, pero todas las respuestas ayudan a que el cuerpo se prepare para una acción rápida. En el músculo esquelético, por ejemplo, la adrenalina desencadena un aumento de la concentración de AMP cíclico dentro de la célula con la consiguiente degradación del glucógeno (el polímero que almacena la glucosa). Esto permite que haya mayor cantidad de Editorial Médica Panamericana – 2ª. Edición 27 Introducción a la Biología Celular -Capítulo 16- Comunicación Celular glucosa disponible como combustible para la actividad muscular que se anticipa. La adrenalina también actúa sobre las células adiposas y estimula la degradación de los triglicéridos (que almacenan grasas) en ácidos grasos, una forma de combustible celular que puede utilizarse en forma inmediata (véase cap. 13) y que también puede exportarse a otras células. El AMP cíclico ejerce sus distintos efectos sobre todo por activación de la enzima proteinacinasa dependiente del AMP cíclico (PKA). Esta enzima normalmente se mantiene inactiva en un complejo que forma con otra proteína. La unión del AMP cíclico produce un cambio en su conformación que libera la cinasa activa. La PKA activada cataliza la fosforilación de serinas o treoninas particulares en ciertas proteínas intracelulares y así altera su actividad. En distintos tipos celulares hay diferentes grupos de proteínas diana que pueden ser fosforilados, y esto explica por qué los efectos del AMP cíclico varían en las distintas células diana. Fig. 16-23. Las señales extracelulares pueden actuar en forma lenta o rápida. Algunas alteraciones del comportamiento de las células, como el aumento del crecimiento y de la división, implican cambios en la expresión génica y en la síntesis de nuevas proteínas; estos cambios se producen en forma relativamente lenta. Otras respuestas -como los cambios en el movimiento, en la secreción o en el metabolismo- no necesitan la participación de la maquinaria nuclear y por ende se producen con mayor rapidez; entre otras cosas estos cambios pueden implicar la fosforilación rápida de proteínas diana en el citoplasma. Pregunta 16-6 Explique por qué el AMP cíclico debe degradarse rápidamente en la célula para permitir una rápida señalización. Editorial Médica Panamericana – 2ª. Edición 28 Introducción a la Biología Celular -Capítulo 16- Comunicación Celular En algunos casos los efectos de una activación de la cascada del AMP cíclico son rápidos; en otros estos efectos son lentos (fig. 16-23). En las células del músculo esquelético, por ejemplo, la PKA activada fosforila enzimas que participan en el metabolismo del glucógeno y desencadena el mecanismo que degrada el glucógeno en glucosa. Esta respuesta se produce en segundos. En el otro extremo, algunas respuestas del AMP cíclico pueden llevar minutos a horas. Entre las respuestas lentas se encuentran las que implican cambios en la expresión de los genes, una forma importante de regulación del comportamiento celular. En algunas células la PKA fosforila proteínas reguladoras de genes que luego activan la transcripción de genes seleccionados, un proceso que requiere entre minutos y horas. En las células endócrinas del hipotálamo, por ejemplo, un aumento de la cantidad de AMP cíclico intracelular estimula la producción y la secreción de una hormona peptídica llamada somatostatina. El aumento de la concentración de AMP cíclico en las neuronas, en cambio, controla la producción de proteínas que participan en la memoria a largo plazo. En la figura 16-24 se muestra la extensa cadena de transmisión de esta vía desde la membrana plasmática hasta el núcleo. Ahora nos referiremos a la otra cascada de señalización mediada por enzimas que parte de los receptores asociados con proteínas G -la vía que comienza con la activación de la fosfolipasa C, una enzima asociada con la membrana, y genera los mensajeros secundarios inositol trifosfato y diacil glicerol-. La vía del fosfolípido inositol desencadena un aumento del Ca2+ intracelular Algunas moléculas de señalización extracelular ejercen sus efectos a través de un tipo de proteína G que activa a la enzima fosfolipasa C asociada con la membrana en lugar de activar a la adenililciclasa. En el cuadro 16-4 se muestran algunos ejemplos. Una vez activada la fosfolipasa C propaga su señal por medio de la división de una molécula lipídica que forma parte de la membrana celular. Esta molécula es un fosfolípido inositol (un fosfolípido que tiene adosado a su cabeza el azúcar inositol) que se encuentra en cantidades pequeñas en la parte interna de la bicapa lipídica de la membrana plasmática (véase fig. 1117). Debido a la participación de este fosfolípido, la vía de señalización que comienza con la activación de la fosfolipasa C se conoce como la vía del fosfolípido inositol. Esta cascada de señalización se produce en casi todas las células eucariontes y afecta a una gran cantidad de proteínas diana distintas. La cascada funciona de la siguiente manera. La fosfolipasa C separa la cabeza formada por el azúcar y el fosfato del fosfolípido inositol y genera dos moléculas mensajeras pequeñas -inositol 1,4,5-trifosfato (IP3) y diacilglicerol (DAG)-. El IP3, un azúcar fosfato hidrófilo, difunde en el citosol, y el lípido DAG queda embebido en la membrana plasmática. Ambas moléculas desempeñan un papel clave en la señalización intracelular y más adelante nos referiremos a ellas. EL IP3 liberado en el citosol llega finalmente al retículo endoplasmático, donde se une a los canales de Ca+2 embebidos en la membrana y los abre. El Ca2+ almacenado en el retículo endoplasmático se precipita hacia el citosol a través de estos canales abiertos (fig. 16-25) y se produce un aumento brusco Editorial Médica Panamericana – 2ª. Edición 29 Introducción a la Biología Celular -Capítulo 16- Comunicación Celular de la concentración citosólica de Ca2+ libre, que en condiciones normales es muy baja. Fig. 16-24. Un aumento del AMP cíclico intracelular puede activar la transcripción génica. La unión de una molécula señalizadora a su receptor asociado con proteína G puede activar la adenililciclasa y elevar la concentración de AMP cíclico ¡ntracelular. En el citosol el AMP cíclico activa la PKA, que se traslada al núcleo y fosforila proteínas reguladoras de la expresión génica específicas. Una vez fosforiladas estas proteínas estimulan la transcripción de un grupo completo de genes diana. Este tipo de vía de señalización controla muchos procesos celulares, desde la síntesis de hormonas en las células endocrinas hasta la producción de proteínas relacionadas con la memoria de largo plazo en el cerebro. La PKA activada también puede fosforilar y por ende regular otras proteínas y enzimas del citosol (no se muestra en la figura). Editorial Médica Panamericana – 2ª. Edición 30 Introducción a la Biología Celular -Capítulo 16- Comunicación Celular Fig. 16-25. La fosfolipasa C activa dos vías de señalización. Al hidrolizarse un fosfolípido inositol de la membrana por acción de la fosfolipasa C activada se producen dos moléculas mensajeras intracelulares. El inositol 1,4,5-trifosfato (IP3) difunde a través del citosol y desencadena la liberación de Ca2+ del retículo 2+ endoplasmático al unirse a canales de Ca especiales en la membrana del retículo y abrirlos. El importante gradiente electroquímico de Ca2+ determina que el Ca2+ se precipite hacia el citosol. El 2+ diacilglicerol queda dentro de la membrana plasmática y, junto con el Ca , ayuda a activar la enzima proteincinasa C (PKC), que se recluta desde el citosol hacia la cara interna de la membrana plasmática. La PKC fosforila sus propias proteínas diana intracelulares y de esta manera se propaga la señal. El DAG, junto con el Ca2+, ayuda a reclutar y activar una proteincinasa, que se transloca desde el citosol hacia la membrana plasmática. Esta enzima se denomina proteincinasa C (PKC) porque también debe unirse al Ca2+ para activarse (véase fig.16-25). Una vez activada la PKC fosforila un grupo de proteínas intracelulares que varía de acuerdo con el tipo celular. I La PKC funciona con el mismo principio que la PKA, aunque la mayor parte de sus proteínas diana son diferentes. Una señal de Ca2+ desencadena muchos procesos biológicos El papel del Ca2+ como mensajero intracelular es tan importante y amplio que merece que nos detengamos a considerar sus funciones en forma más general. Existen muchas señales que producen un aumento de la concentración de Ca2+ libre en el citosol, además de las que actúan a través de los receptores asociados con proteínas G. Cuando el espermatozoide fecunda el óvulo, por ejemplo, los canales de Ca2+ se abren y el aumento de la concentración citosólica de Ca2+ da lugar al comienzo del desarrollo embrionario (fig. 16-26); en las células del músculo esquelético, una señal proveniente de un nervio produce un aumento de la concentración de Ca2+ en el citosol que i inicia la contracción; por último en muchas células secretoras, incluidas las células nerviosas, el Ca2+ inicia la secreción. El Ca2+ estimula todas estas respuestas al unirse a proteínas sensibles a él e influir sobre su actividad. Editorial Médica Panamericana – 2ª. Edición 31 Introducción a la Biología Celular -Capítulo 16- Comunicación Celular La concentración de Ca2+ libre en el citosol de una célula no estimulada es extremadamente baja (10-7 M) comparada con su concentración en el liquido extracelular y en el retículo endoplasmático. Estas diferencias se mantienen gracias a la acción de las bombas de membrana que expulsan al Ca2+ citosol -hacia el retículo endoplasmático o a través de la membrana plasmática hacia afuera de la célula-. Como resultado de ello, existe un marcado gradiente electroquímico de Ca2+ a través del retículo endoplasmático y a través de la membrana plasmática (tema que se analiza en el capítulo 12). Cuando una señal abre en forma transitoria los canales de Ca2+ una de estas membranas el Ca2+ se precipita hacia el citosol a favor del gradiente electroquímico y se desencadenan cambios en las proteínas sensibles al Ca2+ citosólico. Fig. 16-26. La fecundación de un óvulo por un espermatozoide provoca un aumento de Ca2+ citosólico del óvulo. En este óvulo de estrella de mar se inyectó colorante fluorescente sensible al Ca2+ antes de la fecundación. Al penetrar el espermatozoide se observa una ola de Ca2+ citosólico (rojo) liberado del retículo endoplasmático- que recorre el óvulo desde el sitio de entrada del espermatozoide (flecha). Esta ola de Ca2+ provoca un cambio en la superficie del óvulo, que evita la entrada de otro espermatozoide, e inicia el desarrollo embrionario. (Cortesía de Stephen A. Stricker.) Los efectos del Ca2+ en el citosol son muy indirectos; se trata de efectos inmediatos por su interacción con diversas proteínas transductoras, conocidas en forma colectiva como proteínas de unión al Ca2+. La más conocida de estas proteínas es la calmodulina, una proteína sensible al ion. Se observó la presencia de calmodulina en el citosol de todas las células eucariontes estudiadas, incluidas las células vegetales, los hongos y los protozoos. Cuando la calmodulina se une al Ca2+ sufre un cambio en su conformación que le permite envolver un amplio rango de proteínas diana de la célula y alterar suactividad (fig.16-27). Las proteincinasas dependientes del Ca2+ y la calmodulina (cinasas CaM) constituyen un tipo particularmente importante de dianas de la calmodulina. Cuando estas cinasas se activan al unirse al complejo calmodulina-Ca2+ fosforilan determinadas proteínas y así influyen sobre otros procesos celulares. En el cerebro de los mamíferos, por ejemplo, abunda una cinasa CaM específica de las neuronas en las sinapsis que se cree que desempeña un papel en el aprendizaje y la memoria. Según parece, algunos recuerdos dependen de esta cinasa CaM y de los pulsos de las señales de Ca2+ que se producen durante la actividad nerviosa: los ratones mutantes que carecen de esta cinasa incapaces de recordar la ubicación de los objetos. Editorial Médica Panamericana – 2ª. Edición 32 Introducción a la Biología Celular -Capítulo 16- Comunicación Celular Pregunta 16-7 ¿Sabe usted por qué las células desarrollaron depósitos de Ca2+ en su interior para la señalización a pesar de la abundancia del Ca2+ extracelular? Las cascadas de señalización intracelular Pueden alcanzar una velocidad, una sensibilidad y una adaptabilidad sorprendentes: una mirada a los fotorreceptores del ojo La descripción de los pasos de las cascadas de señalización asociadas con receptores unidos a proteínas G lleva mucho tiempo pero su ejecución se produce en cuestión de segundos. Consideremos la rapidez con la que una emoción puede acelerar los latidos del corazón (por acción de la adrenalina que estimula los receptores asociados a proteínas G en las células deI músculo cardíaco) o la rapidez con la que el olor a comida provoca la salvación (a través de los receptores olfativos asociados con proteínas G ubicados en la Fig. 16-27. Los estudios de difracción de rayos X y de resonancia magnética revelan la estructura de la Ca2+/calmodulina. (A) La molécula de calmodulina tiene forma de mancuerna, con dos extremos globulares conectados entre sí por hélice a flexible. Cada extremo posee dos dominios de unión al Ca2+. (B) Representación simplificada de la estructura, que muestra los cambios de conformación de la Ca2+/calmodulina al unirse a una proteína diana. Nótese que la hélice a se ha doblado sobre sí misma y rodea a la proteína diana. (A, basada en datos de cristalografía de rayos X de Y. S. Babu y col., A/ature 315:37-40, 1985. © Macmillan Magazines Ltd.; B, basada en datos cristalográficos de rayos X de W. E. Meador, A. R. Meansy F. A. Quiocho, Science 257:1251-1255, 1992, y en datos de resonancia magnética de M. Ikura y col., Science 256:632-638, 1992.© AAAS.) Editorial Médica Panamericana – 2ª. Edición 33 Introducción a la Biología Celular -Capítulo 16- Comunicación Celular Fig. 16-28. Las células fotorreceptoras de tipo bastón de la retina son exquisitamente sensibles a la luz. Dibujo de un fotorreceptor de tipo bastón. Las moléculas de rodopsina que absorben la luz están inmersas en una gran cantidad de vesículas de membrana {discos) dentro del segmento externo de la célula. En el otro extremo de la célula se libera un neurotransmisor que controla los impulsos de las células nerviosas de la retina que transmiten la señal hacia el cerebro. Cuando la luz estimula los bastones las moléculas de rodopsina de los discos emiten una señal, a través del citosol que se dirige + a los canales de Na de la membrana plasmática del segmento + externo. En respuesta a esta señal los canales de Na se cierran y se produce un cambio en el potencial de membrana de la célula bastón. A través de mecanismos similares a los que controlan la liberación de neurotransmisores en las neuronas comunes los cambios en el potencial de membrana alteran la velocidad de liberación del neurotransmisor en la región sináptica de la célula. (Adaptada de T. L. Leutz, Cell Fine Structure. Philadelphia: Saunders, 1971.) nariz y los receptores de actilcolina asociados con proteínas G de las células salivares, que estimulan la secreción). Una de las respuestas más rápidas mediadas por receptores asociados con proteínas G es |a respuesta del ojo a la luz brillante: las células fotorreceptoras de la retina (los conos) producen una respuesta eléctrica a un destello repentino de luz en tan solo 20 milisegundos. Esta velocidad se alcanza a pesar de que la señal se transmite en varios pasos a través de una cascada de señalización intracelular. Sin embargo los fotorreceptores también ilustran las ventajas de las cascadas de señalización: estas cascadas permiten una amplificación espectacular de la señal recibida y posibilitan que las células se adapten y sean capaces de detectar señales de intensidades muy variables. En el caso de los bastones fotorreceptores del ojo se han estudiado más a fondo los detalles cuantitativos (fig. 16-28). En estas células, la luz es captada por la rodopsina, un receptor de luz asociado con una proteína G. Al activarse por la luz la rodopsina activa a su vez a una proteína G llamada transducina. La subunidad α de transducina activada inicia una cascada de señalización intracelular que produce el cierre de los canales de Na+ de la membrana plasmática de j célula fotorreceptora. Esto provoca un cambio de voltaje a través de la r brana celular, y como consecuencia de ello se envía un impulso nervio cerebro. La señal se amplifica varias veces al transmitirse por esta vía (fig. 16 29). Cuando la iluminación es débil (como en el caso de una noche sin luna), la amplificación es enorme y apenas una docena de fotones absorbidos en toda la retina alcanzan para producir una señal perceptible que pueda transmitirse al cerebro. A plena luz del sol, cuando los fotones inundan cada célula fotorreceptora a una velocidad de miles de millones por segundo, la cascada de Editorial Médica Panamericana – 2ª. Edición 34 Introducción a la Biología Celular -Capítulo 16- Comunicación Celular señalización se adapta y la amplificación disminuye más de 10 000 veces de modo que las células fotorreceptoras no se sobrecargan y pueden registrar un aumento o una disminución de la luz intensa. La adaptación depende de una retroalimentación negativa: una respuesta intensa en la célula fotorreceptora genera una señal intracelular (un cambio en la concentración de Ca2+) que inhibe a las enzimas responsables de amplificar la señal. La adaptación también ocurre en vías de señalización que responden a señales químicas; una vez más, permite que la célula capte los cambios de intensidad de la señal en un amplio rango de niveles de estimulación. En otras palabras, la adaptación permite que la célula responda a mensajes que son como "susurros" y a mensajes que son como "gritos". Además de la visión, el gusto y el olfato también dependen de receptores asociados con proteínas G. Es probable que este mecanismo de recepción de señales, surgido en los comienzos de la evolución de los eucariontes, se haya originado en la necesidad básica y universal de las células de percibir su entorno y responder a él. Obviamente los receptores asociados con proteínas G no son los únicos receptores que activan las cascadas de Fig. 16-29. La cascada de señalización inducida por la luz en los fotorreceptores de tipo bastón produce una gran amplificación de la señal lumínica. Cuando los bastones fotorreceptores están adaptados a la luz tenue, la amplificación de la señal es enorme. La vía de señalización intracelular a partir de la proteína G transducina utiliza componentes distintos de los que hemos descrito. La cascada funciona de la siguiente manera. En ausencia de señal lumínica la célula fotorreceptora produce la molécula mensajera GMP cíclico en forma continua. Esta molécula se une a los canales de Na+ de la membrana plasmática celular y los mantiene abiertos. Al activarse la rodopsina por acción de la luz se forman subunidades a de transducina activadas. Esto a su vez activa la enzima fosfodiesterasa del GMP cíclico, que degrada a este último a GMP. La disminución brusca de la concentración intracelular de GMP cíclico determina la disociación del GMP cíclico asociado con los canales de Na+, que se cierran. Las flechas rojas indican los pasos que sigue la amplificación. señalización intracelular y a continuación nos ocuparemos de otra clase de receptores de membrana que desempeñan un papel clave en el control del número de células, de la diferenciación celular y del movimiento celular en los animales pluricelulares. Receptores asociados con enzimas Al igual que los receptores asociados con proteínas G, los que se asocian con enzimas son proteínas transmembrana que presentan sus dominios de unión al ligando en la superficie externa de la membrana plasmática. Sin embargo, en lugar de asociarse con una proteína G el dominio citoplasmático del receptor actúa como una enzima -o forma un complejo con Editorial Médica Panamericana – 2ª. Edición 35 Introducción a la Biología Celular -Capítulo 16- Comunicación Celular otra proteína que actúa como una enzima-. Los receptores asociados con enzimas (véase fig. 16-14C) se conocieron por su papel en las respuestas a las proteínas de señalización extracelular que regulan el crecimiento, la proliferación, la diferenciación y la supervivencia de las células en los tejidos animales (véanse algunos ejemplos en el cuadro 16-1, pág. 537). La mayor parte de estas proteínas señalizadoras funcionan como mediadores locales y pueden actuar en concentraciones muy bajas (alrededor de 109 a 10-11 M). Las respuestas a ellas son lentas (del orden de horas) y requieren muchos pasos de transducción intracelular que llevan a cambios en la expresión de los genes. Los receptores asociados con enzimas también median reconfiguraciones rápidas y directas del citoesqueleto y controlan el modo en que la célula mueve y cambia de forma. A menudo en estas alteraciones de la arquitectura celular las señales extracelulares no son proteínas señalizadotas lbres sino que están unidas a las superficies sobre las que se desplaza la célula. Las alteraciones del crecimiento, la proliferación, la diferenciación la supervivencia y la migración celular constituyen la base del cáncer normalidades de la señalización a través de receptores asociados con enzimas desempeñan un papel importante en la iniciación de esta enfermedad. El mayor grupo de receptores asociados con enzimas está compuesto por los receptores cuyo dominio citoplasmático funciona como una proteincinasa de tirosina, que fosforila las cadenas laterales de tirosina en proteínas intracelulares seleccionadas. Estos receptores se denominan receptores tirosincinasa y a ellos nos referiremos a continuación. Pregunta 16-8 Una característica importante de cualquier cascada de señalización es su capacidad para desactivarse. Conlideremos la cascada de la figura 16-29. ¿Donde serían necesarios los interruptores? ¿Cuáles cree usted que son los mas importantes? Los receptores tirosinacinasa activados generan la formación de un complejo de proteínas de señalización intracelular El receptor asociado con enzimas funciona como transductor de señales de la siguiente manera: al unirse una molécula señalizadora a su dominio extracelular el receptor inicia la actividad enzimática de su dominio intracelular (o activa una enzima asociada). A diferencia de los receptores asociados con proteínas G de siete segmentos, los que se asocian con enzimas por lo general tienen un solo segmento transmembrana que se cree que atraviesa la bicapa lipídica en forma de hélice α simple. Según parece, no hay manera de Editorial Médica Panamericana – 2ª. Edición 36 Introducción a la Biología Celular -Capítulo 16- Comunicación Celular transmitir un cambio de conformación a través de una hélice α simple de modo que los receptores asociados con enzimas deben tener una estrategia distinta para la transducción de la señal extracelular. En muchos casos la unión de la molécula señalizadora determina que dos moléculas receptoras se aproximen entre sí en la membrana y formen un dímero. El contacto entre las colas intracelulares de los dos receptores adyacentes activa su función de cinasa y como resultado una fosforila a la otra. En el caso de los receptores tirosincinasa la fosforilación se produce sobre tirosinas específicas ubicadas en las colas citosólicas del receptores. Esta fosforilación provoca el ensamblaje de un elaborado complejo de señalización intracelular sobre la cola del receptor. Las tirosinas fosforiladas actúan como sitios de unión para una variedad de proteínas señalizadoras intracelulares -tal vez unas 10 o 20 moléculas diferentes- que a su vez pueden activarse al unirse (fig. 16-30). Este complejo de proteínas transmite su señal a través de varias vías en forma simultánea a muchos destinos dentro de la célula y así activa y coordina los numerosos cambios bioquímicos necesarios para desencadenar una respuesta compleja, como la proliferación celular. Para finalizar con la activación del receptor la célula contiene tirosinfosfatasas que eliminan los fosfatos que se habían agregado en respuesta a la señal extracelular. En algunos casos los receptores activados se eliminan en forma más brusca: son arrastrados hacia el interior de la célula por endocitosis y luego son destruidos por digestión en los lisosomas. Si bien los distintos receptores tirosincinasa recluían distintos grupos de proteínas de señalización intracelular y producen distintos efectos, hay cierto tipo de componentes que se utiliza en forma más general. Estos componentes incluyen, por ejemplo, una fosfolipasa que funciona del mismo modo que la fosfolipasa C para activar la vía de señalización del fosfolípido inositol (véase fig. 16-25). Los receptores tirosincinasa también pueden activar una importante enzima señalizadora llamada fosfatidil inositol 3 cinasa (PI3-cinasa), que fosforila fosfolípidos inositol de la membrana plasmática. Estos se convierten en sitios de acoplamiento para otras proteínas de señalización intracelular. Una de estas proteínas señalizadoras es la proteincinasa B (PKB), que fosforila serinas y treoninas en proteínas diana y es especialmente importante para la supervivencia y el crecimiento de las células señalizadoras. Fig. 16-30. La activación de un receptor tirosincinasa estimula la formación de un complejo de señalización intracelular. La unión de una molécula señalizadora al dominio extracelular de un receptor tirosincinasa produce la asociación de dos moléculas receptoras en un dímero. La molécula señalizadora que se muestra en la figura es un dímero y por ende puede entrecruzar dos moléculas receptoras. En Editorial Médica Panamericana – 2ª. Edición 37 Introducción a la Biología Celular -Capítulo 16- Comunicación Celular otros casos la unión de la molécula señalizadora produce un cambio de conformación en las moléculas receptoras y las dimeriza. La formación del dímero determina que los dominios con actividad cinasa de las colas intracelulares de los receptores entren en contacto mutuo; esto activa las cinasas y les permite fosforilarse una a otra en varias cadenas laterales de tirosina. Cada tirosina fosforilada sirve como sitio específico de unión para una proteína de señalización ¡ntracelular distinta, que luego transmite la señal al interior de la célula. Sin embargo, la principal vía de señalización desde el receptor tirosincinasa hasta el núcleo sigue otro camino. Esta vía ha llegado a ser muy conocida por razones siniestras: las mutaciones que activan esta cascada de señalización -y por ende una división celular inadecuada- contribuyen a la iniciación de muchos tipos de cáncer. Concluiremos nuestro análisis de los receptores tirosincinasas con una descripción de la vía que va desde el receptor hasta el núcleo. Los receptores tirosincinasa activan a la proteína Ras, una proteína de unión al GTP Como ya explicamos, los receptores tirosincinasa activados reclutan muchos tipos de proteínas de señalización intracelular. Algunas de estas proteínas funcionan solo como adaptadores físicos; ayudan a construir un gran complejo señalizador mediante la unión del receptor a otras proteínas, las que a su vez pueden unirse y activar a otras que continúan la transmisión del mensaje. Uno de los factores clave en estos complejos de señalización acoplados a un adaptador es Ras, una proteína pequeña unida por medio de una cola lipídica a la cara citoplasmática de la membrana plasmática (fig. 1631). Casi todos los receptores tirosincinasa activan a Ras, desde los receptores del factor de crecimiento derivado de las plaquetas (PDGF) que median de la proliferación celular en la cicatrización de las heridas hasta los receptores del factor de crecimiento nervioso (NGF) que evitan la muerte de ciertas neuronas durante el desarrollo del sistema nervioso. La proteína Ras es miembro de una gran familia de proteínas pequeñas de unión al GTP que poseen una sola subunidad y que se denominan proteínas de unión al GTP monoméricas para distinguirlas de las proteínas G triméricas que ya mencionamos en este capítulo. La proteína Ras, que es similar a la subunidad α de una proteína G y actúa del mismo modo (como ruptor molecular), varía entre dos conformaciones distintas -es activa cuando está unida al GTP e inactiva cuando está unida al GDP (véase 16-15B)-. La interacción con una proteína activadora estimula el cambio del GDP por GTP y activa a Ras. Después de un corto lapso Ras se desactiva nuevamente por hidrolización del GTP a GDP. En su estado activo Ras promueve la activación de una cascada de fosforilación en la que una serie de proteincinasas se fosforilan y se activan entre sí en secuencia, como un juego de dominó intracelular (fig. 16-32). Este sistema de transmisión de información, que transporta la señal desde la membrana plasmática hacia el núcleo, se denomina cascada de MAP cinasa, en honor a la cinasa final de la cadena MAP-cinasa (proteincinasa activada por mitógeno). Esta cascada comienza cuando la proteína Ras activa a una MAP-cinasa-cinasa-cinasa, que a su vez activa a la enzima MAP -cinasacinasa. Esta enzima fosforila y activa a la MAP-cinasa. Al final de la cascada de señalización la MAP-cinasa fosforila serinas y treoninas en ciertas proteínas reguladoras de genes, lo que altera su capacidad para controlar la transcripción de los genes y produce un cambio en el patrón expresión génica. Este cambio Editorial Médica Panamericana – 2ª. Edición 38 Introducción a la Biología Celular -Capítulo 16- Comunicación Celular puede estimular la proliferación celular, promover la supervivencia de la célula o inducir su diferenciación: el resultado preciso dependerá de qué otros genes estén activos en la célula y de Fig. 16-31. Los receptores tirosincinasa activan a Ras. Una proteína adaptadora se liga a una fosfotirosina particular en el receptor activado (para simplificar el esquema se omitieron las otras proteínas señalizadoras que se muestran unidas al receptor en la figura 16-30). La proteína adaptadora recluta y estimula a una proteína cómplice que activa a Ras. Esta proteína a su vez estimula el intercambio de GDP por GTP en Ras. Luego la proteína Ras activada estimula los pasos posteriores de la vía de señalización, uno de los cuales se muestra en la figura 16-32. Nótese que la proteína Ras contiene un grupo lipídico unido por enlace covalente (en rojo) que ayuda a anclar a la proteína a la membrana plasmática. Fig. 16-32. Ras activa una cascada de fosforilación MAP-cinasa. La proteína Ras activada por el proceso que se muestra en la figura 16-31 desencadena una cascada de fosforilación de tres proteincinasas que transmiten y distribuyen la señal. La cinasa final de la cascada, MAP-cinasa, fosforila diversas proteínas diana ubicadas corriente abajo. Entre la proteínas diana figuran otras proteincinasas y, lo que es más importante aún, proteínas reguladoras que controlan la expresión génica. Los cambios en la expresión génica y en la actividad de las proteínas producen modificaciones complejas en comportamientos celulares como la proliferación y la diferenciación (que son resultado de la vía de señalización de Ras/MAP-cinasa). Editorial Médica Panamericana – 2ª. Edición 39 Introducción a la Biología Celular -Capítulo 16- Comunicación Celular Pregunta 16-9 ¿Cree usted que los receptores asociados con proteínas G y los receptores tirosincinasas se activarían si la célula se expusiera a anticuerpos que se unieran a las proteínas respectivas? [Pista: repase en el panel 4-6 (pp. 164-165), las propiedades de las moléculas de anticuerpos.] qué otras señales reciba ésta. En la sección Biología experimental (pp. 561563) se explica el modo en que los investigadores logran descifrar estas complejas cascadas de señalización. La importancia de Ras se demostró de diversas maneras. Por ejemplo si se inhibe esta proteína por medio de una inyección intracelular de anticuerpos cuerpos inactivadores de Ras, la célula dejará de responder a algunas de las señales intracelulares que normalmente reconoce. Por el contrario, si Ras está en constante actividad la célula actuará como si estuviera siendo bombardeada en forma continua por señales extracelulares que estimulan la proliferación (mitógenos). Antes de ser descubierta en las células normales se halló esta proteína en células cancerosas humanas, en las que una mutación del gen correspondiente producía una forma hiperactiva de Ras. Esta proteína Ras mutante ayuda a estimular la división celular incluso en ausencia de mitógenos. La proliferación descontrolada resultante contribuye al desarrollo del cáncer. Cerca del 30% de los cánceres humanos contienen este tipo de mutaciones activadoras en los genes ras y muchos otros tipos de cáncer presentan mutaciones en genes cuyos productos pertenecen a la misma vía de señalización que Ras. En la búsqueda de oncogenes promotores del cáncer se logró identificar muchos de los genes que codifican estas proteínas de señalización intracelular y a ellos nos referiremos en el capítulo 21. Las versiones normales de los genes -que codifican las proteínas señalizadoras esencia para el correcto funcionamiento de la célula- se conocen como protooncogenes, porque son capaces de convertirse en oncogenes por mutación. El cáncer es una enfermedad en la que las células del cuerpo se comportan de manera egoísta y antisocial porque destruyen la armonía del organismo pluricelular al proliferar cuando no deberían hacerlo e invadir tejidos en los que no deberían penetrar. Las alteraciones moleculares responsables de esta conducta descontrolada se explican con mayor detalle en el capítulo 2, pero nos parece apropiado mencionar aquí que en el cáncer la existencia frecuente de mutaciones en genes que codifican componentes de señalización celular refleja una realidad familiar: el mantenimiento del orden en una comunidad compleja e integrada depende sobre todo de i buena comunicación. Editorial Médica Panamericana – 2ª. Edición 40 Introducción a la Biología Celular -Capítulo 16- Comunicación Celular Biología experimental: dilucidación de las vías de señalización de la célula No es posible dilucidar las vías de señalización intracelulares en único experimento. En lugar de ello los investigadores descifran pieza por pieza los eslabones de la cadena -y su contrición a la respuesta de la célula a una señal extracelular como la hormona insulina-. Este proceso implica descomponer las grandes preguntas acerca de la forma en que responde una célula a la señal en preguntas más pequeñas y más fáciles de manejar: ¿Qué proteína es el receptor de insulina? ¿Qué proteínas intracelulares se activan en presencia de la insulina? ¿Con qué proteínas interactúan estas proteínas activadas? ¿Cómo activa una proteína a las otras? Aquí nos referiremos a los tipos de experimentos que dan respuestas a estos misterios. Fosforilación estimulada Cuando las células se exponen a una molécula de señalización extracelular, uno de los resultados es la fosforilación de numerosas proteínas. Algunas de ellas serán las proteínas de señalización intracelular responsables de propagar el mensaje por toda la célula; otras serán las proteínas diana responsables de Ia respuesta celular. Para determinar cuáles son las moléculas activadas por fosforilación los investigadores abren la célula la fuerza, separan las proteínas según su tamaño sobre un geI (como se explica en el capítulo 4, paneles 4-3 a 4-5) y luego detectan las proteínas fosforiladas por medio de anticuerpos. Otra forma común de visualizar proteínas recién fosforiladas consiste en marcar a las células con una versión radiactiva del ATP cuando se las expone a una molécula de señalización extracelular. Las proteincinasas activadas por la señal transfieren el fosfato radiactivo del ATP marcado a sus sustratos proteicos. Luego se vuelven a separar las proteínas celulares sobre un gel pero esta vez se expone el gel a una película de rayos X para detectar las proteínas marcadas. Encuentros cercanos Una vez identificadas las proteínas activadas se puede determinar cuáles son las proteínas que interactúan con ellas. Para identificar las proteínas interactuantes los científicos a menudo utilizan la coinmunoprecipitación. En esta técnica se utilizan anticuerpos que se adhieren a una proteína específica y la arrastran fuera de la solución y hacia la base del tubo de ensayo (según se explica en el capítulo 4, panel 4-6). Obviamente, también arrastrarán de este modo a las proteínas que estén unidas a la primera. Con este método los investigadores pueden identificar las proteínas que interactúan cuando una molécula señalizadora estimula a la célula. Una vez que ha determinado que dos proteínas se asocian entre sí el experimentador puede precisar qué partes de las proteínas son necesarias Editorial Médica Panamericana – 2ª. Edición 41 Introducción a la Biología Celular -Capítulo 16- Comunicación Celular para la interacción. Esto a menudo implica el uso de tecnología de DNA recombinante para construir un conjunto de proteínas mutantes, cada una de las cuales difiere levemente de la proteína normal. Para determinar con qué tirosina fosforilada del receptor tirosincinasa se une una proteína señalizadora intracelular determinada se utiliza una serie de receptores mutantes, cada uno de los cuales carece de una tirosina diferente de su dominio citoplasmático (fig. 16-33). De este modo se pueden determinar las tirosinas específicas necesarias para la unión de la proteína. De la misma manera, se puede determinar si el receptor necesita este sitio de acoplamiento de tirosina para transmitir una señal a la célula. Obstrucción de la vía Por último se trata de determinar la importancia de una proteína particular en el proceso de señalización. La primera prueba consiste en introducir en la célula un gen que codifique una forma de la proteína constantemente activa, por medio de tecnología de DNA recombinante, para comprobar si esto simula el efecto de la señal extracelular. Tomemos como ejemplo el caso de Ras. La forma de Ras relacionada con el cáncer humano no está constantemente activa porque perdió la capacidad de hidrolizar el GTP que la mantiene en estado de actividad. Esta forma de Ras continuamente activa puede estimular la proliferación de algunas células incluso en ausencia de mitógenos, y así contribuye al cáncer (fig. 16-34). La última prueba que permite determinar la importancia de una proteína intracelular en la vía de señalización consiste en inactivar a la proteína o a su gen y comprobar si esto afecta la vía de señalización o no. En el caso de Ras, por ejemplo, se puede introducir en las células una forma mutante de Ras "negativa dominante". Esta forma defectuosa de Ras se une muy estrechamente al GDP y por ende no puede activarse. Dado que aun puede unirse a otros componentes señalizadores de la cadena, obstruye la vía e impide que las copias normales de Ras realicen su tarea. Estas células no proliferan en respuesta a las señales de estimulación extracelular, lo que indica la importancia de las señales de ras normal en la respuesta proliferativa. Ordenamiento de la vía Se necesitan décadas para descifrar la mayoría de las vías de señalización. Aunque la insulina se aisló por primera vez del páncreas del perro a comienzos de la década de 1920, todavía no se comprende del todo la cadena molecular de eventos que vinculan la unión de la insulina a su receptor con la activación de las proteínas transportadoras que se relacionan con la glucosa. Una estrategia poderosa que utilizan los científicos para identificar las proteínas que participan en la señalización celular consiste en estudiar una gran cantidad de animales -por lo general decenas de miles de moscas de la fruta o nematodos tratados con un mutágeno-. Buscan mutantes en los que no funciona bien una vía de señalización. Las moscas y los nema-todos son útiles porque se reproducen con rapidez y pueden mantenerse grandes cantidades en el laboratorio. Si se examina un número suficiente de animales mutantes se pueden identificar muchos de los genes que codifican las proteínas que Editorial Médica Panamericana – 2ª. Edición 42 Introducción a la Biología Celular -Capítulo 16- Comunicación Celular Fig. 16-33. Las proteínas mutantes pueden ayudar a determinar con exactitud el sitio en el que se une una molécula de señalización intracelular. Como se muestra en la figura 16-30, al unirse a la molécula señalizadora dos receptores tirosincinasa se unen entre sí y cada uno fosforila tirosinas específicas en la cola citoplasmática del otro. Estas tirosinas fosforiladas atraen distintas moléculas de señalización intracelular, que luego se activan y transmiten la señal. Para determinar cuál es la tirosina que se une a una molécula de señalización intracelular específica se construye una serie de receptores mutantes. En los mutantes que se muestran se reemplazaron las tirosinas simples (Y1 o Y3) por alanina. Como resultado los receptores mutantes no se unen a una de las proteínas de señalización intracelular. Luego se puede determinar el efecto sobre la respuesta de la < célula a la señal. Es importante que el receptor mutante sea evaluado en una célulaj que no tenga sus propios receptores normales para la molécula señalizadora. participan en una cascada de señalización, incluidos los receptores, las proteincinasas, las proteínas reguladoras de los genes y demás. Estos escaneos genéticos también permiten develar el orden en que actúan las proteínas intracelulares en la vía de señalización. Imaginemos que un escaneo genético revela dos proteínas nuevas (X e Y) en la vía de señalización de Ras (fig. 16-35A). Si la inserción de un gen que codifica una versión continuamente activa de Ras "rescata" la vía de señalización en las células en las que una proteína X defectuosa bloqueaba Ia vía Ras debe de actuar corriente abajo de X en la cascada de señalización (fig. 16-35B). Si ras actuara corriente arriba de la proteína Y, una forma de Ras con actividad constante no sería capaz de transmitir una señal más allá de la obstrucción causada por la proteína Y defectuosa (fig. 16-35C). Utilizadas en conjunto estas técnicas bioquímicas y genéricas permiten descifrar incluso las vías de señalización intracelular más complejas. Editorial Médica Panamericana – 2ª. Edición 43 Introducción a la Biología Celular -Capítulo 16- Comunicación Celular Fig. 16-34. Una forma constitutivamente activa de Ras transmite una señal incluso en ausencia de una molécula de señalización extracelular. Como se muestra en la figura 16-31, la proteína Ras normal se activa en respuesta a ciertas señales extracelulares. La forma hiperactiva de Ras que se muestra aquí perdió su capacidad de hidrolizar el GTP. Por ende, no puede detener su actividad y como resultado de ello permanece en actividad constante. Fig. 16-35. El análisis genético revela el orden en el que actúan las proteínas de señalización intracelular en una vía. Una mutación \ en cualquiera de sus componentes puede inactivar una vía de señalización. Aquí mostramos cómo una mutación en la proteína X (B) o en la proteína Y (C) puede anular una vía de señalización Ras (A). Si se agrega una forma constitutivamente activa de Ras a estas células se puede descifrar el lugar de la vía en el que se encuentran las proteínas mutantes. Si se agrega Ras de actividad continua a una célula con una mutación en X se restablece la actividad de la vía y esto permite la transmisión de la señal incluso en ausencia de una molécula de señalización extracelular (B). Una proteína Ras hiperactiva puede rescatar estas células porque se encuentra corriente abajo de la proteína X mutante que obstruye la vía. El agregado de una proteína Ras de actividad continua a las Editorial Médica Panamericana – 2ª. Edición 44 Introducción a la Biología Celular -Capítulo 16- Comunicación Celular células con una mutación en la proteína Y no produce ningún efecto porque Ras está ubicada corriente arriba del bloqueo (C). Algunos receptores asociados con enzimas activan una vía rápida hacia el núcleo No todos los receptores asociados con enzimas desencadenan cascadas de señalización complejas que requieren la cooperación de una secuencia de proteincinasas para llevar un mensaje al núcleo. Algunos receptores utilizan una vía más directa para controlar la expresión de los genes. Algunas hormonas y muchos mediadores locales llamados atocinas se unen a receptores que pueden activar proteínas reguladoras de genes que se mantienen en estado latente en la membrana plasmática. Una vez activadas estas proteínas reguladoras se dirigen hacia el núcleo, en donde estimulan la transcripción de genes específicos. Esta vía de señalización directa es la que utilizan, por ejemplo, los interferones, que son citocinas que instruyen a las células para que produzcan proteínas que las tornarán más resistentes a las infecciones virales. A diferencia de los receptores tirosincinasas que estimulan cascadas de señalización elaboradas, los receptores de citocinas no tienen actividad enzimática intrínseca. En lugar de ello se asocian con tirosincinasas citoplasmáticas llamadas JAK que se activan cuando se une una citocina a su receptor. Una vez activadas las JAK fosforilan y activan proteínas citoplasmáticas reguladoras de genes llamadas STAT, que luego migran hacia el núcleo, en donde estimulan la transcripción de genes diana específicos (fig. 16-36). Los distintos receptores de citocinas evocan distintas respuestas celulares al activar a distintas STAT. Al igual que toda vía activada por fosforilación, la señal de citocina se desactiva por la acción de fosfatasas que eliminan los grupos fosfato de las proteínas de señalización activadas. Otra clase de receptores asociados con enzimas que se parecen a los receptores tirosincinasas utilizan una vía de señalización todavía más directa. Se trata de receptores serin/treonincinasas que fosforilan y activa en forma directa proteínas citoplasmáticas reguladoras de genes (llamadas SMAD) al ser estimulados por una molécula de señalización extracelular (fig. 16-37). Las hormonas y los mediadores locales que activan a estos receptores pertenecen a la superfamilia TGF-Β de proteínas extracelulares que desempeñan un papel esencial en el desarrollo animal. Editorial Médica Panamericana – 2ª. Edición 45 Introducción a la Biología Celular -Capítulo 16- Comunicación Celular Fig. 16-36. Los receptores de citocinas están asociados con tirosincinasas citoplasmáticas. La unión de las citocinas a sus receptores produce la fosforilación cruzada de las tirosincinasas asociadas (llamadas Janus cinasas o JAK) que se activan entre sí. Las cinasas activadas fosforilan a las proteínas receptoras de la tirosinas. Las proteínas reguladoras de la expresión génica (llamadas STAT, sigla que corresponde a la expresión transductoras de señales y activadoras de la transcripción) presentes en el citosol se unen a las fosfotirosinas del receptor y las JAK también fosforilan y activan a estas proteínas. Luego las STAT se disocian de las proteínas receptoras, se dimerizan y migran hacia el núcleo, en donde activan la transcripción de genes diana específicos. Editorial Médica Panamericana – 2ª. Edición 46 Introducción a la Biología Celular -Capítulo 16- Comunicación Celular Fig. 16-37. Los receptores TGF-β activan proteínas reguladoras de los genes directamente en la membrana plasmática. Estos receptores serin/treonincinasas se autofosforilan y luego recluían y activan proteínas citoplasmáticas reguladoras de la expresión génica (llamadas SMAD, por las proteínas relacionadas Sma de los nematodos y Mad de las moscas). Luego las proteínas SMAD se disocian de los receptores y se unen a otras proteínas SMAD, después de lo cual los complejos formados migran hacia el núcleo, en donde estimulan la transcripción de genes diana específicos. TGF-β significa factor de crecimiento de transformación β. Las redes de proteincinasas integran información que controla comportamientos complejos de la célula En este capítulo hemos descrito varias vías importantes para la transmisión de una señal desde la superficie celular hacia el interior de la célula. En la figura 16-38 se comparan cuatro de estas vías: las vías desde los receptores asociados con proteínas G a través de la adenililciclasa y a través de la fosfolipasa C y las vías desde los receptores asociados con enzimas a través Editorial Médica Panamericana – 2ª. Edición 47 Introducción a la Biología Celular -Capítulo 16- Comunicación Celular de la fosfolipasa C y a través de la proteína Ras. Cada vía difiere de las demás, aunque utilizan componentes comunes para transmitir sus señales. Como todas estas vías finalmente activan proteincinasas, parece que cada una es capaz en principio de regular casi todos los procesos de la célula. La señalización celular es mucho más compleja que la descrita aquí. En primer lugar, no hemos presentado todas las vías de señalización intracelular que posee la célula; en segundo lugar, no hemos descrito los modos de interacción de las principales cascadas de señalización que hemos presentado. Estas cascadas conectan por interacciones de diversos tipos pero las conexiones más extensas son las que median las proteincinasas presentes en cada una de las vías. Estas cinasas a menudo fosforilan, y por ende regulan, componentes de otras vías de señalización además de los componentes de la vía a la que pertenecen. Así, existe una intercomunicación entre las distintas vías (véase fig. 16-38) y en realidad entre casi todos los sistemas de control de la célula. Para dar una idea de la escala de estos sistemas de regulación los estudios de secuencias del genoma sugieren que cerca del 2% de nuestros -30 000 genes codifican proteincinasas; además, se cree que existen centenares de tipos diferentes de proteincinasas en una sola célula de mamífero. ¿Cómo podemos entender el sentido de esta compleja red de vías de señalización interactuantes y cuál es la función de esta complejidad? Pregunta 16-10 Si los receptores de superficie pueden enviar rápidamente una señal al núcleo mediante la activación de proteínas reguladoras de genes latentes como STAT y SMAD en la membrana plasmática, ¿por qué la mayoría de los receptores de superficie utilizan cascadas de señalización largas e indirectas para influir en la transcripción de los genes en el núcleo? Fig. 16-38. Las vías de señalización pueden estar muy interconectadas. En el diagrama se han trazado las vías que parten desde los receptores asociados con proteínas G a través de la adenililciclasa y de la fosfolipasa C y de los receptores asociados con enzimas a través de la fosfolipasa C y de Ras. Las proteincinasas de estas vías fosforilan muchas proteínas, incluidas proteínas pertenecientes a las otras vías. Como Editorial Médica Panamericana – 2ª. Edición 48 Introducción a la Biología Celular -Capítulo 16- Comunicación Celular resultado de ello se forma una densa red de interconexiones reguladoras que se simboliza con flechas rojas que parten de cada cinasa sombreada en amarillo; algunas cinasas fosforilan las mismas proteínas diana. La célula recibe mensajes de muchas fuentes y debe integrar esta información para generar una respuesta apropiada (vivir o morir, dividirse o diferenciarse, cambiar de forma, reubicarse o enviar un mensaje químico propio). A través de la intercomunicación entre las vías de señalización la célula es capaz de unir dos o más bits de información y reaccionar frente a esa combinación. Así, algunas proteínas de señalización intracelular actúan como integradoras, a menudo por poseer varios sitios posibles de fosforilación, cada uno de los cuales puede ser fosforilado por una proteincinasa diferente. La información recibida de distintas fuentes puede convergir en estas proteínas, que luego convierten la señal recibida en una señal de salida única (fig. 16-39). Las proteínas integradoras a su vez pueden enviar una señal a muchas dianas posteriores en la cascada. De este modo, el sistema de señalización intracelular puede actuar como una red neuronal en el cerebro -o como una colección de microprocesadores en una computadora- que interpreta información compleja y genera respuestas complejas. Nuestra exploración de las vías que utilizan las células para procesar señales de su entorno nos ha llevado desde los receptores de superficie hasta las proteínas que forman los elaborados sistemas de control que operan en profundidad en el interior de la célula. Hemos examinado una gran disposición de redes de señalización que permiten que las células combinen y procesen los estímulos de distintas fuentes, almacenen información y respondan de una manera apropiada que beneficie al organismo. Sin embargo, nuestra comprensión de esta intrincada red aún está en evolución (todavía estamos descubriendo uniones nuevas en las cadenas, nuevos componentes de señalización, nuevas conexiones e incluso nuevas vías) y si bien tenemos mucho que aprender acerca de las vías de señalización en las células animales, sabemos menos aún acerca de estas vías en las plantas. La pluricelularidad y la comunicación celular evolucionaron en forma independiente en plantas y animales Las plantas y los animales evolucionaron en forma independiente durante más de mil millones de años. El último ancestro común fue un organismo eucarionte unicelular que muy probablemente haya vivido en forma independiente. Como estos reinos se diferenciaron hace tanto tiempo -cuando todavía "cada célula vivía para sí misma"- cada uno de ellos desarrolló sus propias soluciones moleculares del funcionamiento pluricelular. Así, los mecanismos de la comunicación intercelular de los vegetales y los animales evolucionaron en forma separada por lo que es probable que sean muy diferentes. Sin embargo, los vegetales y los animales comenzaron con un conjunto común de genes eucariontes -que incluía algunos utilizados por organismos unicelulares para comunicarse entre sí- y por ende sus sistemas de señalización deben de tener algunas similitudes. En la superficie celular se observa una asombrosa similitud. Al igual que los animales, los vegetales utilizan en forma amplia los receptores de superficie anclados en la membrana; en especial los receptores asociados con enzimas. Editorial Médica Panamericana – 2ª. Edición 49 Introducción a la Biología Celular -Capítulo 16- Comunicación Celular La hierba Arabidopsis thaliana -una planta estudiada por muchos biólogos contemporáneos- tiene centenares de genes que codifican receptores serin y treonincinasa, cuya estructura difiere de la de los hallados en las células animales (véase fig. 16-37). Se cree que estos receptores desempeñan un papel importante en una gran variedad de procesos de señalización de las células vegetales, entre ellos los que gobiernan el crecimiento, el desarrollo y la resistencia a las enfermedades. A diferencia de las células animales, las células vegetales no parecen utilizar receptores tirosincinasa, receptores nucleares de tipo hormonas esferoides, ni AMP cíclico y al parecer utilizan pocos receptores asociados con proteínas G. Uno de los sistemas de señalización mejor estudiados en las plantas es el que media las respuestas de la célula al etileno -una hormona gaseosa que regula diversos procesos de desarrollo, entre ellos la germinación de las semillas y la maduración de los frutos-. Los cultivadores de tomates utilizan etileno para lograr la maduración de los frutos, incluso después de la cosecha. Los receptores de etileno se relacionan con las proteínas que utilizan las bacterias para localizar los nutrientes o huir de un veneno. Al igual que las proteínas bacterianas, funcionan como histidincinasas y son distintos del resto de las proteínas receptoras conocidas en las células animales. Los receptores de etileno activados activan una cascada de MAP cinasa que es similar a las cascadas de MAP cinasa presentes en las células animales -lo que posiblemente refleje el antepasado común de las plantas y los animales-. Sin embargo, en la mayoría de los receptores cinasa de las plantas aún se desconocen las vías de transducción de señales que unen la activación del receptor con la respuesta celular. La investigación de las vías de señalización es un área activa y cada día se efectúan nuevos descubrimientos en los sistemas vegetales y animales. Los proyectos de secuenciación del genoma proporcionan largas listas de componentes que participan en la transducción de señales en una gran variedad de organismos. Fig. 16-39. Algunas proteínas de señalización intracelular sirven para integrar las señales recibidas. (A) Las señales A y B pueden activar distintas cascadas de fosforilación de proteínas, cada una de las cuales produce la fosforilación de la proteína Y en distintos sitios. La Editorial Médica Panamericana – 2ª. Edición 50 Introducción a la Biología Celular -Capítulo 16- Comunicación Celular proteína Y se activa solo cuando ambos sitios están fosforilados y por ende es activa solo cuando están presentes las señales A y B en forma simultánea. (B) Las señales A y B pueden producir la fosforilación de dos proteínas, X y Z, que luego se unen entre sí y crean la proteína XZ activa. Aun después de haber identificado todas las piezas, seguirá siendo un desafío descrifrar exactamente cómo se unen para permitir que las células integren las diversas señales de su ambiente y respondan a ellas de la manera apropiada. Editorial Médica Panamericana – 2ª. Edición 51