1.5. Señalización celular. Antonio Suárez García

Transcripción

1 1.5. Señalización celular Antonio Suárez García

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3 Capítulo 1.5. Señalización celular 1. Introducción 2. Generalidades de la transducción de señales (señalización celular) 3. Tipos de señalización celular 4. Moléculas señalizadoras 4.1. Hormonas 4.2. Óxido nítrico y monóxido de carbono 4.3. Neurotransmisores 4.4. Hormonas peptídicas, factores de crecimiento y citokinas 4.5. Eicosanoides 5. Funciones de los receptores de superficie celular 5.1. Receptores asociados a canales iónicos 5.2. Receptores asociados a proteínas G 5.3. Receptores asociados a enzimas Receptores guanilato ciclasa Receptores tirosina kinasa Receptores asociados a tirosina kinasas Receptores asociados a tirosina fosfatasas Receptores serina/treonina kinasa 5.4. Receptores que dependen de proteólisis regulada 6. Vías de señalización celular 6.1. Vía de señalización por hormonas 6.2. Vía de señalización celular de AMPc Fosfolípidos y Ca Fosfolipasa β, inositol trifosfato y Ca Fosfolipasa β y diacilglicerol 6.3. Vía de Ras y kinasas MAP/ERK 6.4. Vía de fosfatidilinositol-3-kinasa (PI3K) 6.5. Vía JAK/STAT y citokinas 6.6. Vía de serina/treonina kinasas y superfamilia TGF-β

4 6.7. Vía NF-κB, caspasas y familia del factor de necrosis tumoral (TNF) 6.8. Vía del óxido nítrico 7. Resumen 8. Bibliografía 9. Enlaces web Objetivos Conocer las bases de la transmisión de información biológica entre células. Comprender los conceptos de transducción, ligando, receptor, afinidad y especificidad, segundo mensajero, cascada intracelular de reacciones enzimáticas, desensibilización, memoria, combinación e integración de las señales. Conocer los dos tipos básicos de transducción de señales. Conocer los cuatro tipos funcionales de receptores celulares. Estudiar las características bioquímicas de los receptores asociados a canales de iones. Estudiar las características bioquímicas de los receptores asociados a proteínas G. Estudiar las características bioquímicas de los receptores asociados a enzimas: receptores guanilato ciclasa, receptores tirosina kinasa, receptores asociados a tirosina kinasas, receptores asociados a tirosina fosfatasas y receptores serina/treonina kinasa. Estudiar las características bioquímicas de los receptores que dependen de proteólisis regulada. Comprender las bases de las rutas de señalización celular. Estudiar los distintos ejemplos de rutas y su papel biológico.

5 1. Introducción En un organismo pluricelular, ninguna célula vive aislada. La supervivencia depende de una red compleja de comunicaciones intercelulares que coordinan el crecimiento, la división, la muerte programada, la diferenciación y el metabolismo de los múltiples tipos de células que forman los distintos tejidos. Incluso la bacteria más sencilla recibe información constante de los receptores de membrana que analizan el medio y la informan del ph, la fuerza osmótica, la disponibilidad de nutrientes y la presencia de sustancias tóxicas. Sin embargo, es en los organismos pluricelulares donde la comunicación célula-célula alcanza su grado más elevado de complejidad. Por ejemplo, durante el desarrollo, las células del embrión intercambian señales que determinan el papel de cada célula, qué posición ocupará y si continuará viviendo, morirá o se dividirá. En el ser vivo, las células eucariotas también responden a estímulos ambientales externos y a moléculas señalizadoras secretadas por otras células, permitiendo, de este modo, la comunicación célula-célula acerca de su funcionalidad, las concentraciones de glucosa e iones en los fluidos extracelulares y las actividades metabólicas interdependientes que tienen lugar en los distintos tejidos. Mientras que las células procariotas y las de los organismos eucariotas unicelulares son, en gran medida, autónomas, el comportamiento de cada célula en el ser humano ha de ser regulado cuidadosamente para satisfacer los requerimientos del organismo como un todo. Esto se consigue a través de un amplio repertorio de moléculas señalizadoras que o bien son secretadas o bien se expresan en la superficie celular, las cuales se unen a receptores expresados en otras células, integrando y coordinando de esta manera las funciones de las distintas células individuales que constituyen organismos tan complejos como el del ser humano. A pesar de que el número de señales que hay que interpretar es enorme (antígenos, luz, contacto mecánico, moléculas gustativas, sustancias olorosas, componentes de la matriz extracelular, hormonas, factores de crecimiento, neurotransmisores), los organismos usan sólo unos pocos mecanismos conservados evolutivamente para detectar las señales extracelulares y transducirlas en cambios intracelulares. En esencia, el estímulo genera un mensajero químico que, tras desplazarse una distancia variable, interacciona con su receptor situado en la célula diana y provoca una cascada de reacciones intracelulares, que son las que regulan, en gran medida, los diferentes aspectos del comportamiento celular, incluyendo su metabolismo, la motilidad, la proliferación, su supervivencia y la diferenciación. A menudo, el resultado final de la señalización en el interior de la célula diana consiste en la fosforilación de unas pocas proteínas específicas que modifican su actividad metabólica. La comprensión de los mecanismos moleculares que constituyen estas vías de señalización celular se ha convertido, por tanto, en un área prioritaria de investigación. Cada día se publican trabajos científicos que amplían el número de señales a las que las células responden, las diferencias en los distintos tipos celulares, la caracterización de nuevos receptores celulares, el descubrimiento de nuevas vías y de conexiones entre ellas en el interior celular y las alteraciones en procesos patológicos. En este Capítulo, se examinarán de forma resumida los mecanismos más importantes y conocidos de la comunicación entre células mediante señales extracelulares. Comienza el Capítulo con una visión global de los mecanismos básicos de los sistemas de transducción de señales, describiendo brevemente, a continuación, los distintos tipos de moléculas señalizadoras, sus receptores y los efectos en las proteínas intracelulares. Finaliza con la descripción de varias rutas de señalización celular más conocidas. 135

6 Capítulo 1.5. Señalización celular 2. Generalidades de la transducción de señales (señalización celular) Por lo general, la comunicación intercelular transcurre de forma similar a la comunicación entre las personas. Una persona emite un mensaje (sonido, texto, gesto, mirada ) que llega a otra persona receptora (recibido a través del oído, vista, tacto ) que lo interpreta y actúa en consecuencia. En los sistemas biológicos, la célula emisora envía un mensaje químico que interacciona con una proteína receptora y provoca la respuesta de la célula receptora diana. El desencadenante para cada sistema de señalización es diferente, pero las características generales de la transducción de señal son comunes para todos y se puede describir el proceso en seis pasos (Figura 1): 1. El mensaje a transmitir provoca la síntesis de la molécula química en la célula emisora. 2. Esta molécula señalizadora o ligando es liberada por la célula emisora. 3. La molécula es transportada hasta la célula receptora diana. 4. La molécula transmisora o ligando interacciona con la proteína receptora específica (receptor) situada en la superficie o en el interior de la célula diana. 5. Esta interacción genera una señal intracelular rápida (transducción), bien mediante la fosforilación o desfosforilación de proteínas intracelulares, o mediante la síntesis de un compuesto químico (segundo mensajero), que provoca un cambio en el comportamiento de la célula diana a distintos niveles. 6. Tras transmitir su mensaje, la molécula señalizadora original es eliminada y finaliza la respuesta celular. Cuando en Biología Celular se habla de señalización celular, normalmente se refiere a los pasos especificados en los puntos 4 y 5 anteriores. Existen cientos de moléculas señalizadoras: proteínas y péptidos anclados en la membrana celular o secretados, pequeñas moléculas hidrófobas (hormonas esteroides ), pequeñas moléculas hidrófilas (catecolaminas ) y gases. La interacción entre la molécula señalizadora o ligando y el receptor en la célula diana es extraordinariamente específica y primorosamente sensible. Las células de los organismos pluricelulares producen cientos de moléculas señalizadoras para enviarse señales -proteínas, péptidos, aminoácidos, nucleótidos, esteroides, derivados de ácidos grasos e, incluso, gases disueltos-. En muchos casos, el ligando puede interaccionar con varios receptores específicos que generan respuestas distintas en la célula. La especificidad de unión se consigue mediante un ajuste espacial exacto entre el ligando y el receptor (similar al modelo de la lla- Figura 1. Esquema del concepto de comunicación celular mediante la emisión y recepción de un mensaje entre células. 136

7 A. Suárez García Figura 2. Ruta de señalización intracelular activada por una molécula señal extracelular. ve-cerradura ), a una interacción molecular precisa en la que intervienen fuerzas químicas de carácter débil que hacen la unión reversible. La unión del ligando al receptor provoca en éste un cambio de conformación, que inicia una secuencia de reacciones generadoras de la respuesta celular específica. La afinidad entre el ligando y el receptor puede expresarse mediante la constante de disociación K d a menudo en valores de M o menor, lo que indica que un receptor puede detectar cantidades picomolares de una molécula señal. No obstante, la sensibilidad de los sistemas receptores está sujeta a modificación. Cuando una señal está presente continuamente, se puede producir una desensibilización del sistema receptor por varios mecanismos. Esto puede ocurrir por endocitosis del receptor cuando ha unido el ligando y temporalmente puede secuestrarlo o degradarlo en los lisosomas. También la desensibilización puede producir un cambio en una proteína de la cascada intracelular de reacciones o generar una proteína inhibidora del proceso de transducción de la señal intracelular. Una célula puede recordar el efecto de algunas señales. El efecto de la señal se mantiene después de haber desaparecido la molécula señalizadora, de tal forma que la respuesta es memorizada. Algunos de estos cambios son para toda la vida. Son normalmente mecanismos autoactivados de memoria que actúan a nivel de transcripción de genes. Por ejemplo, durante el desarrollo embrionario, la señal que provoca la determinación de una célula muscular activa un conjunto de proteínas reguladoras de genes musculares que autoestimulan su transcripción, así como la de genes de otras proteínas musculares. De esta forma, la decisión del destino funcional de una célula se hace permanente. Para conseguir que la respuesta celular a la señal sea rápida, la unión entre receptor y ligando provoca una señal en forma de cascada intracelular de reacciones enzimáticas (Figura 2). Es decir, la interacción receptor-ligando activa una enzima que cataliza la activación de numerosas 137

8 Capítulo 1.5. Señalización celular moléculas de una segunda enzima. Estas moléculas activadas de segunda enzima provocan a su vez la activación de muchas más moléculas de una tercera enzima, y así sucesivamente, hasta activar las proteínas diana. Amplificaciones de varios órdenes de magnitud pueden conseguirse en milisegundos, por ejemplo, cada molécula de glucagón provoca la activación de moléculas de glucógeno fosforilasa que liberan moléculas de glucosa al torrente sanguíneo por el hepatocito en fracciones de segundo. Las reacciones enzimáticas que emplean estas cascadas de activación/ inhibición son fosforilaciones o desfosforilaciones de proteínas y reacciones proteolíticas. En un organismo pluricelular, son múltiples los mensajes que han de ser transmitidos a las células diana. La célula, expuesta a centenares de moléculas señalizadoras diferentes, ha de responder selectivamente a esta mezcla de señales. Las señales pueden ser solubles, estar unidas a las proteínas de la matriz extracelular o a la membrana plasmática de la célula vecina, y pueden actuar en millones de combinaciones posibles. Cada célula responde a una combinación concreta de moléculas señalizadoras y sólo poseerá los receptores para las señales a las que debe ser sensible. De los millares de receptores posibles, cada célula posee varias docenas de ellos, pero son suficientes para hacer sensible a la célula a muchas señales extracelulares. Sin el receptor adecuado, la célula es sorda para esa señal. El uso de estas combinaciones para controlar el comportamiento celular permite a un organismo pluricelular y multitisular controlar sus células de muy distintas maneras y de forma extremadamente eficiente y específica con pocas moléculas señalizadoras. Figura 3. Esquema de decisiones celulares posibles en respuesta a una combinación teórica de señales extracelulares. Por otro lado, cada señal puede causar una gran cantidad de cambios a distintos niveles en la célula diana -forma, movimiento, metabolismo, expresión génica-. Las posibilidades que esta organización del sistema de transmisión de señales genera son enormes porque las combinaciones posibles de señales pueden llevar mensajes múltiples, variados e interrelacionados (Figura 3). La hormona liberadora de tirotropina, por ejemplo, desencadena respuestas en las células de la hipófisis anterior pero no en hepatocitos, simplemente porque éstos carecen del receptor adecuado para esta hormona. Otro ejemplo está en la acetilcolina, que en la célula cardiaca disminuye la frecuencia de sus contracciones, mientras que en la célula de la glándula salival provoca la secreción de los componentes de la saliva. Y, por último, las distintas rutas de señalización intracelular interaccionan entre sí, creando una red de conexiones intracelulares entre rutas, que capacitan al sistema para recibir múltiples señales, interpretarlas, y producir una respuesta celular uni- 138

9 A. Suárez García Figura 4. Integración de señales. El comportamiento celular a menudo es la respuesta a la información proporcionada por una combinación de señales, cuyas rutas intracelulares están interconectadas, de forma que unifican el mensaje. Figura 5. Células conectadas mediante una unión comunicante que permite la transferencia de pequeñas moléculas entre células adyacentes. ficada y apropiada. Es la integración de las rutas de señalización intracelular (Figura 4). 3. Tipos de señalización celular Las células de los organismos pluricelulares poseen sistemas de envío de señales que actúan a distancias largas o cortas. En una primera instancia, dos células pueden transmitirse mensajes por contacto célula-célula, es decir, como en una conversación privada cara a cara. La molécula señalizadora permanece unida a la superficie celular e influencia sólo las células en contacto con ella. El mensaje es enviado mediante la unión de una proteína ligando en la superficie de la célula emisora con una proteína receptora insertada en la membrana plasmática de la célula diana. La señalización mediante interacción directa célula-célula (o célula-matriz extracelular) desempeña un papel crítico en la regulación del comportamiento de las células en los tejidos animales; por ejemplo, las integrinas y cadherinas funcionan no sólo como moléculas de adhesión celular a la matriz proteica extracelular, sino también como moléculas señalizadoras que regulan la proliferación y la supervivencia celular en respuesta al contacto célula-célula o célula-matriz extracelular. Otra forma de coordinar las actividades entre células vecinas es mediante uniones comunicantes (gap junctions). Éstas son uniones especializadas formadas entre las membranas plasmáticas que conectan directamente el citoplasma de células vecinas a través de canales estrechos. Estos canales permiten el intercambio de pequeñas moléculas señalizadoras intracelulares como Ca 2+ o AMP cíclico (AMPc), pero no de macromoléculas como proteínas o ácidos nucleicos (Figura 5). Este tipo de señalización mediante interacción directa célulacélula desempeña un papel fundamental en la regulación de las múltiples interacciones que tienen lugar entre los distintos tipos celulares del sistema inmune o durante el desarrollo embrionario, así como en el mantenimiento de los tejidos adultos. Como ya se ha indicado en el Capítulo 1.4, los diferentes tipos de señalización mediante moléculas secretadas se suelen dividir en tres grandes clases en función de la distancia recorrida por la 139

10 Capítulo 1.5. Señalización celular Figura 6. Formas de señalización según la localización del receptor. molécula señalizadora. En la señalización endocrina, las moléculas señalizadoras (hormonas) son secretadas por células endocrinas especializadas y se transportan a través de la circulación, actuando sobre células diana distribuidas por todo el organismo. Un ejemplo clásico lo proporciona la hormona esteroidea estrógeno, que es producida por el ovario y estimula el desarrollo y mantenimiento del sistema reproductor femenino y de los caracteres sexuales secundarios. En los animales se producen más de 50 hormonas distintas por las glándulas endocrinas, entre las que se incluyen la pituitaria, tiroides, paratiroides, páncreas, glándulas suprarrenales y gónadas. A diferencia de las hormonas, algunas moléculas señalizadoras actúan localmente, afectando al comportamiento de las células próximas. En la señalización paracrina, una molécula liberada por una célula actúa sobre las células diana vecinas. Actúan como mediadores de respuesta local. Un ejemplo lo proporciona la acción de los neurotransmisores que transportan la señal entre células nerviosas en la sinapsis o las moléculas señalizadoras que regulan la inflamación en los puntos de infección. Por último, algunas células responden frente a señales que producen ellas mismas, la señalización autocrina. Muchos factores de crecimiento actúan de este modo y, a menudo, las células los secretan para estimular su propio crecimiento y proliferación. Un ejemplo importante de esta señalización autocrina es la respuesta de las células del sistema inmune de los vertebrados frente a antígenos extraños. Algunos tipos de linfocitos T responden a la estimulación antigénica sintetizando un factor de crecimiento que induce su propia proliferación, lo que supone, por tanto, el aumento del número de linfocitos T con capacidad de respuesta y la amplificación de la respuesta inmune. Este tipo de señales es en particular frecuente en células tumorales, muchas de las cuales producen y liberan un exceso de factores de crecimiento que estimulan su propia proliferación no regulada e inadecuada, al igual que la de células adyacentes no tumorales, esencial para provocar la angiogénesis (ver Capítulo 1.4). Para un organismo multicelular complejo, la señalización requiere coordinar el comportamiento de múltiples células a distancias largas. Para ello, un conjunto de células ha desarrollado un papel específico en la comunicación celular entre zonas apartadas del cuerpo. Las más sofisticadas de ellas son las neuronas que extienden largos pseudópodos o axones que les permiten contactar con células diana alejadas. Cuando la neurona es activada por señales del entorno o por otras neuronas, la célula envía un impulso eléctrico rápido a lo largo del axón, que, al llegar al extremo de éste, causa la secreción de una molécula química llamada neurotransmisor en el extremo terminal. Éste contacta con el receptor en la superficie de la neurona diana, activándola. La zona de contacto entre el extremo del axón con la neurona diana se denomina sinapsis. Este tipo de señalización, que como la endocrina actúa a grandes distancias, es sensiblemente más rápida, pues no depende de la difusión y del torrente sanguíneo, sino del impulso eléctrico. La velocidad de la respuesta a una señal depende no sólo del mecanismo de envío sino de la naturaleza de la respuesta en la célula diana. Si la respuesta requiere sólo cambios en proteínas ya presentes en la célula, ésta puede ocurrir en milisegundos. Si, por otro lado, la respuesta necesita cambios en la expresión génica y la síntesis de proteínas, ésta requiere horas, independientemente del mecanismo de envío de la señal. Desde el punto de vista de la localización del receptor en la célula diana, existen dos modelos de señalización celular: receptor intracelular y receptor superficial (Figura 6). 140

11 A. Suárez García En el primero, el ligando (moléculas hidrofóbicas como la testosterona o muy pequeñas como el óxido nítrico) atraviesa la membrana plasmática e interacciona con la proteína receptora en el interior celular. Este tipo de receptores suelen ser la enzima diana de la señal o proteínas reguladoras de la expresión génica. La activación directa de la enzima receptora diana por el ligando garantiza una respuesta celular muy rápida. En el caso de las proteínas receptoras reguladoras de la expresión génica, son estructuralmente proteínas que presentan un dominio (una parte diferenciada de la estructura tridimensional de la proteína) que une el ligando, y otro dominio efector de unión al DNA, activo sólo cuando el dominio receptor ha unido al ligando. La activación y unión del dominio efector al DNA provoca el aumento o la disminución de la transcripción de múltiples genes y afecta a la estabilidad de UNAM específicos. El efecto de la señal es eficaz durante horas o días y a menudo influye en el crecimiento y la diferenciación de tejidos específicos. En el segundo, el ligando (una molécula hidrofílica o muy grande) interacciona con la proteína receptora en la superficie de la célula diana. Estructuralmente, la proteína receptora presenta tres partes: la extracelular que une específicamente el ligando, la transmembrana y la intracelular, que posee actividad enzimática o activadora de proteínas citoplásmicas. Cuando el mismo receptor posee actividad enzimática, éste actúa como transportador o puede fosforilar directamente a las proteínas diana. Es el caso, por ejemplo, del receptor de la insulina, cuya parte intracelular activada, al unir insulina en la parte extracelular, posee actividad tirosina kinasa, es decir, une covalentemente fosfatos a residuos de tirosina presentes en las proteínas diana citoplásmicas, modificando su actividad enzimática. En otros casos, el receptor transmite por contacto la recepción del mensaje a otra proteína, una enzima citoplásmica que sintetiza un compuesto químico disparador de la cascada de reacciones enzimáticas que acaban modulando la actividad de las enzimas diana intracelulares y provocando un cambio en el comportamiento celular: es el segundo mensajero intracelular. Un ejemplo de compuestos que son segundos mensajeros son el Ca 2+, el diacilglicerol (DAG) y el AMPc, entre otros. 4. Moléculas señalizadoras A continuación de describen brevemente las moléculas más importantes que intervienen en la señalización celular, aunque algunas de ellas, como las hormonas, los eicosanoides, las citokinas y los factores de crecimiento se han estudiado con detalle en el Capítulo 1.4, al considerar las comunicaciones intercelulares Hormonas La naturaleza química, la síntesis celular, el transporte sanguíneo y los mecanismos básicos de acción de las hormonas esteroides, de las catecolaminas, de las hormonas tiroideas y de las hormonas formadas a partir de precursores proteicos se han descrito en el Capítulo 1.4. Las hormonas esteroideas, las hormonas tiroideas, la vitamina D 3 (ver Capítulo 1.24) y los retinoides (ver Capítulo 1.23) son estructural y funcionalmente muy diferentes, pero comparten el mismo mecanismo básico de acción en la señalización celular. Todas estas hormonas, demasiado hidrofóbicas para disolverse fácilmente en la sangre, se transportan por proteínas específicas desde su punto de liberación hasta sus tejidos diana. A diferencia de las moléculas señalizadoras hidrosolubles, que son degradadas en minutos, las hormonas esteroideas permanecen en sangre durante horas y las tiroideas durante días Óxido nítrico y monóxido de carbono El gas sencillo óxido nítrico (NO) es una radical libre que actúa como molécula señalizadora paracrina fundamental en los sistemas nervioso, inmune y circulatorio. Al igual que las hormonas esteroideas, el NO es capaz de difundir directamente a través de la membrana plasmática de sus células diana. Sin embargo, el fundamento molecular de la acción del NO es diferente al de la acción de las hormonas esteroideas. Otro gas sencillo, el monóxido de carbono (CO), también funciona como una molécula señalizadora en el sistema nervioso. El CO actúa de la misma forma que el NO, por estimulación de la guanilato ciclasa. La síntesis 141

12 Capítulo 1.5. Señalización celular del CO en células cerebrales, al igual que la del NO, es estimulada por neurotransmisores Neurotransmisores Los neurotransmisores llevan las señales entre las neuronas o desde las neuronas a algún otro tipo de célula diana (como las células musculares). Son un grupo diverso de moléculas pequeñas, hidrofílicas, que incluye la acetilcolina, dopamina, adrenalina (adrenalina), serotonina, histamina, glutamato, glicina y ácido γ-amino butírico (GABA). La señal de liberación de los neurotransmisores es la llegada de un potencial de acción al terminal de la neurona. Una vez liberados, los neurotransmisores difunden a través del espacio sináptico y se unen a los receptores de superficie de la célula diana. Hay que destacar que algunos neurotransmisores también actúan como hormonas. Por ejemplo, la adrenalina funciona como un neurotransmisor y como una hormona producida por la glándula suprarrenal para activar la hidrólisis del glucógeno en las células musculares. Debido a que los neurotransmisores son moléculas hidrofílicas, no son capaces de atravesar la membrana plasmática de las células diana. Por ello, y a diferencia de las hormonas esteroideas y el NO o el CO, el mecanismo de actuación de los neurotransmisores es mediante la unión a receptores celulares de superficie. Muchos receptores de neurotransmisores son canales iónicos regulados por ligando, como el receptor de acetilcolina. El neurotransmisor que se une a estos receptores induce un cambio conformacional tal que se abre el canal iónico, lo que permite una variación del flujo de iones en la célula diana. Otros receptores de neurotransmisores están acoplados a proteínas G -un grupo importante de moléculas señalizadoras que acoplan los receptores de superficie celular a diversas respuestas intracelulares-. En el caso de los receptores de neurotransmisores, las proteínas G asociadas actúan regulando indirectamente la actividad de los canales iónicos Hormonas peptídicas, factores de crecimiento y citokinas En los animales, las moléculas señalizadoras más diversas son los péptidos, cuyo tamaño oscila entre sólo unos pocos aminoácidos hasta más de 100. Este grupo de moléculas señalizadoras incluye las hormonas peptídicas, neuropéptidos y un amplio espectro de factores de crecimiento polipeptídicos. Ejemplos bien conocidos de hormonas peptídicas son la insulina, el glucagón y las hormonas producidas por la glándula pituitaria (hormona del crecimiento, hormona estimulante del folículo, prolactina y otras). En muchos casos, las hormonas peptídicas son sintetizadas como precursores inactivos denominados preprohormonas, que son activados mediante proteólisis. Los factores de crecimiento polipeptídicos incluyen una amplia gama de moléculas señalizadoras que controlan el crecimiento y la diferenciación de las células animales (ver Capítulo 1.4). El primero de estos factores (el factor de crecimiento nervioso o NGF) fue descubierto por Rita Levi Montalcini en los años 50 del siglo XX. El NGF pertenece a una familia de polipéptidos (denominados neurotrofinas) que regulan el desarrollo y la supervivencia de las neuronas. Durante el transcurso de experimentos con el NGF, Stanley Cohen descubrió casualmente un factor diferente (denominado factor de crecimiento epidérmico, o EGF) que estimula la proliferación celular. El EGF, un polipéptido de 53 aminoácidos, se considera el prototipo de una amplia serie de factores de crecimiento que desempeñan un papel fundamental en el control de la proliferación celular) tanto durante el desarrollo embrionario como en el organismo adulto. Un buen ejemplo de la acción de los factores de crecimiento lo proporciona la actividad del factor de crecimiento derivado de las plaquetas (PDGF) en la cicatrización de las heridas. El PDGF se almacena en las plaquetas y se libera durante la coagulación sanguínea en el lugar de la herida. Entonces, estimula la proliferación de fibroblastos en la proximidad del coágulo, lo que contribuye a la regeneración del tejido dañado (ver Capítulo 1.4). Los miembros de otro gran grupo de factores de crecimiento polipeptídicos (denominados citokinas) regulan el desarrollo y la diferenciación de las células sanguíneas y controlan la actividad de los linfocitos durante la respuesta inmune. Otros factores de crecimiento polipeptídicos (factores de crecimiento anclados a la membrana) permanecen asociados a la membrana plasmática en vez de ser secretados al fluido extracelular; por tanto, actúan específicamente como molécuias señalizadoras en 142

13 A. Suárez García las interacciones directas célula-célula (ver Capítulo 1.4). Las hormonas peptídicas, los neuropéptidos y los factores de crecimiento no pueden atravesar la membrana plasmática de las células diana, por lo que actúan mediante la unión a receptores de superficie celulares. Tal y como cabría esperar del papel crucial que desempeñan los factores de crecimiento polipeptídicos en el control de la proliferación celular, las alteraciones en la señalización mediada por factores de crecimiento son la fuente de multitud de enfermedades, incluyendo muchos tipos de cáncer; por ejemplo, la expresión alterada de un receptor relacionado con el receptor del EGF es un factor importante para el desarrollo del cáncer de ovario y de pulmón en el hombre Eicosanoides Muchos tipos de lípidos sirven como moléculas señalizadoras que, a diferencia de las hormonas esteroideas, actúan mediante la unión a receptores de superficie celular. Los más importantes de este tipo de moléculas son los miembros de una clase de lípidos denominados eicosanoides, que incluyen las prostaglandinas, las prostaciclinas, los tromboxanos y los leucotrienos. La biosíntesis, mecanismo de acción, catabolismo y efectos biológicos de los eicosanoides se han descrito en el Capítulo 1.4. Los eicosanoides se hidrolizan rápidamente, por lo que actúan localmente en vías de señalización autocrinas o paracrinas, estimulando una gran diversidad de respuestas en las células diana, como, por ejemplo, la agregación plaquetaria, la inflamación y la contracción del músculo liso. 5. Funciones de los receptores de la superficie celular En contraste con las hormonas esteroideas y tiroideas, la gran mayoría de las moléculas señalizadoras son proteínas hidrofílicas, péptidos y otras Figura 7. Esquema de la apertura de un canal iónico y del paso de iones. moléculas hidrosolubles, que son incapaces de atravesar la membrana de la célula diana. Por lo tanto, sus proteínas receptoras han de colocarse a través de la membrana plasmática, de forma que puedan detectar la señal en el exterior y transmitir el mensaje, con un formato nuevo, a través de la membrana y hacia el interior de la célula. En muchos casos, los receptores de superficie, una vez activados, desencadenan la adición de grupos fosfato a una red de proteínas intracelulares diana, modificando su actividad y, en consecuencia, el comportamiento celular. Por lo tanto, un reto fundamental en la comprensión de la señalización célula-célula es desenmascarar los mecanismos mediante los que los receptores celulares de superficie transmiten las señales iniciadas por la unión del ligando. La mayoría de las proteínas receptoras de la superficie celular pertenecen a una de estas tres clases definidas por el mecanismo de transducción que emplean. De forma resumida, se describen a continuación: 1. Receptores asociados a canales de iones (Figura 7), también conocidos como ca- 143

14 Capítulo 1.5. Señalización celular Figura 8. Estructura de un receptor de siete dominios transmembrana. nales iónicos, canales iónicos regulados por transmisores o receptores ionotrópicos. Estos receptores controlan de manera directa el flujo de iones a través de la membrana plasmática entre células eléctricamente excitables. Este tipo de señalización la realizan un conjunto de neurotransmisores que abren o cierran el canal iónico al unirse al receptor, cambiando la permeabilidad iónica de la membrana celular y, en consecuencia, la excitabilidad de la célula postsináptica. Impulsados por su gradiente iónico, los iones (Na +, K +, Ca 2+ o Cl - ) se precipitan hacia adentro o hacia afuera de la célula, generando un cambio de potencial de membrana en un milisegundo. Estos receptores pertenecen a una gran familia de proteínas transmembrana homólogas. 2. Receptores asociados a proteínas G (Figura 8). Este tipo de receptores actúan regulando indirectamente la actividad de una proteína diana intracelular anclada a la membrana, que puede ser un canal iónico o una enzima. La unión del ligando al receptor activa esta proteína diana por mediación de una tercera proteína, la proteína que une GTP o proteína G. Si la proteína diana es una enzima, su activación por la proteína G provoca la síntesis de uno o varios mediadores intracelulares de la señal. Si la proteína diana es un canal iónico, la proteína G cambia la permeabilidad iónica de la Figura 9. Esquema de la unión de un ligando a un receptor asociado a enzimas. membrana plasmática. Todos los receptores asociados a proteínas G pertenecen a una familia numerosa de proteínas cuya estructura posee siete segmentos transmembrana. 3. Receptores asociados a enzimas (Figura 9), que, cuando son activados por el ligando, o funcionan directamente como enzimas o están asociados a enzimas intracelulares que activan. Estructuralmente, estas proteínas son más heterogéneas que las de las clases anteriores, pero se caracterizan por poseer un único dominio transmembrana. La gran mayoría de estos receptores son proteína kinasas o están asociados a proteína kinasas, es decir, la unión del ligando provoca la fosforilación de proteínas diana intracelulares por parte del receptor o la proteína asociada. 4. Existen algunos receptores más que no encajan en niguna de estas tres clases. Algunos dependen de su proteólisis intracelular para generar la señal intracelular. El número de tipos de receptores diferentes de cada una de estas cuatro clases es incluso mayor 144

15 A. Suárez García que el número de señales extracelulares que actúan sobre ellos, ya que, para muchas moléculas señalizadoras extracelulares, hay más de un tipo de receptor; por ejemplo, el neurotransmisor acetilcolina actúa sobre las células del músculo esquelético a través de un receptor asociado a un canal iónico, mientras que en las células del músculo cardiaco actúa a través de un receptor asociado a una proteína G. Estos dos tipos de receptores generan diferentes señales intracelulares, lo cual permiten que los dos tipos de células musculares reaccionen a la acetilcolina de maneras diferentes. La señal química en el exterior celular interacciona con el receptor de superficie (de los tipos mencionados previamente en los puntos 2 y 3) y éste transmite el mensaje, con un formato químico nuevo, a través de la membrana y hacia el interior de la célula. Este formato químico intracelular está formado por un conjunto distinto de posibles moléculas denominadas segundos mensajeros intracelulares. Su presencia en el interior celular desencadena una cascada de reacciones enzimáticas que terminan con la activación de las proteínas diana, que alteran el comportamiento celular. Los receptores pueden provocar la síntesis de alguno de estos segundos mensajeros: AMPc, GMP cíclico (GMPc), DAG, 1,4,5-inositol trifosfato (IP 3 ) y Ca 2+. La multitud de receptores de membrana diferentes que el cuerpo necesita para sus propósitos señalizadores también pueden constituir dianas para muchas sustancias extrañas que interfieren en nuestros procesos fisiológicos y nuestros sentidos, desde la heroína y la nicotina hasta los tranquilizantes y el chile y la pimienta. Estas sustancias, o bien se parecen al ligando natural del receptor y ocupan el lugar de unión de este ligando normal, o bien se unen al receptor en algún otro lugar, bloqueando o sobreestimulando su actividad natural. Muchos fármacos y venenos actúan de esta manera; una gran parte de la industria farmacéutica está dedicada a la búsqueda de sustancias que ejerzan un efecto definido de gran precisión, mediante su unión a un tipo específico de receptor de membrana Receptores asociados a canales iónicos La mayoría de proteínas de canal de la membrana plasmática de las células animales conectan el citosol con el exterior celular, por lo que necesariamente han de tener poros estrechos altamente selectivos. Estas proteínas están relacionadas específicamente con el transporte de iones inorgánicos, por lo que se denominan canales iónicos (Figura 7). A través de cada canal pueden pasar más de de iones cada segundo. La función de los canales iónicos es permitir que iones inorgánicos específicos, mayoritariamente Na +, K +, Ca 2+ o Cl -, puedan difundir a favor de su gradiente electroquímico a través de la bicapa lipídica. Esto no quiere decir, sin embargo, que el transporte a través de canales iónicos no esté regulado. Por el contrario, la capacidad de regular el flujo de iones es esencial para la función de muchos tipos celulares. Concretamente, las células nerviosas se han especializado en la utilización de canales iónicos y, de ahí, se considerará de qué forma utilizan una gran variedad de dichos canales para recibir, conducir y transmitir señales. Los receptores asociados a canales iónicos, también conocidos como canales iónicos regulados por transmisores, son los receptores utilizados para la transmisión rápida a través de las sinapsis del sistema nervioso (Figura 10): transducen directamente una señal química -en forma de un pulso de neurotransmisor liberado al exterior de la célula diana- en una señal eléctrica -en forma de un cambio en el voltaje a través de la membrana plasmática-. Los canales se hallan concentrados en la membrana plasmática de la célula postsináptica en la región de la sinapsis. Los canales iónicos fluctúan entre estado abierto y estado cerrado, mediante el empleo de puertas que se abren o cierran en función de estímulos específicos, en concreto, de la unión del ligando. Cuando se une el ligando o neurotransmisor, el receptor cambia su conformación, abriendo o cerrando un canal al flujo a través de la membrana de determinados iones, como Na +, K +, Ca 2+ o Cl -. Impulsados por su gradiente electroquímico, los iones se precipitan hacia adentro o hacia afuera de la célula, generando un cambio en el potencial de membrana en cuestión de aproximadamente un milisegundo. Esto puede inducir un impulso nervioso o alterar la capacidad de otras señales para hacerlo. La apertura de canales de Ca 2+ tiene efectos muy particulares, ya que los cambios en la concentración intracelular de Ca 2+ pueden alterar profundamente la actividad de muchas enzimas. 145

16 Capítulo 1.5. Señalización celular Figura 10. Señalización mediante la sinapsis celular. Hasta ahora se han descrito más de 100 tipos de canales iónicos, y todavía se están descubriendo más. Estos canales presentan selectividad iónica, es decir, permiten que algunos iones puedan pasar y otros no. Esto sugiere que sus poros deben ser suficientemente estrechos en algunos lugares como para permitir que los iones entren en contacto íntimo con las paredes del canal, de tal manera que sólo los iones de tamaño y carga adecuados puedan atravesarlos. Son responsables de la excitabilidad eléctrica del músculo y median la mayoría de formas de señales eléctricas en el sistema nervioso. Una célula nerviosa típica contiene 10 tipos diferentes o más de canales iónicos, localizados en diferentes áreas de su membrana plasmática. Sin embargo, estos canales no sólo se presentan en células excitables eléctricamente, sino que también se hallan en todas las células animales. Quizás los canales iónicos más comunes son los permeables principalmente al K + que se encuentran en la membrana plasmática de casi todas las células animales. El mecanismo habitual de transmisión de mensaje empleando receptores asociados a canales iónicos es indirecto y transcurre de la siguiente forma. Las células se hallan aisladas eléctricamente una de otra, estando la célula presináptica separada de la célula postsináptica por una estrecha hendidura sináptica. Un cambio del potencial eléctrico en la célula presináptica desencadena la liberación de una pequeña molécula señal conocida como neurotransmisor, el cual se almacena en vesículas sinápticas rodeadas de membrana y se libera por exocitosis. El neurotransmisor difunde rápidamente a través de la hendidura sináptica y provoca un cambio eléctrico en la célula postsináptica a través de un canal iónico regulado por transmisor. Una vez que el neurotransmisor ha sido secretado, es rápidamente eliminado, bien por enzimas específicas de la hendidura sináptica bien por recaptación -tanto por la terminal nerviosa que lo ha liberado como por las células gliales vecinas-. Respecto del mecanismo molecular, el mejor ejemplo es el del receptor de acetilcolina que ocupa un lugar especial en la historia de los canales iónicos. Fue el primer canal iónico que fue purificado, el primero del que se conoció la secuencia completa de aminoácidos, el primero en ser reconstituido funcionalmente en bicapas lipídicas sintéticas y el primero para el que se registró la señal eléctrica de un solo canal abierto. El receptor de acetilcolina de la fibra muscular esquelética está compuesto por cinco polipéptidos transmembrana, dos de un tipo y otros tres, codificados por cuatro genes diferentes. Los cuatro genes tienen una secuencia muy similar, lo cual implica que probablemente han evolucionado a partir de un gen ancestral común. Cada uno de los dos polipéptidos idénticos del pentámero tiene lugares de unión a la acetilcolina. Cuando dos moléculas de acetilcolina se unen al complejo pentamérico, inducen un cambio de conformación que abre el canal. El canal permanece abierto durante, aproximadamente, 1 milisegundo y entonces se cierra. Posteriormente, las moléculas de acetilco- 146

17 A. Suárez García lina se disocian del receptor y son hidrolizadas por una enzima específica (la acetilcolinesterasa) localizada en la sinapsis neuromuscular. Una vez se ha liberado del neurotransmisor al que se había unido, el receptor de acetilcolina revierte a su estado inicial de reposo. Por último, cabe indicar que los canales iónicos regulados por transmisor son las dianas principales de la acción de numerosos fármacos y tóxicos alimentarios Receptores asociados a proteínas G La familia más numerosa de receptores de la superficie celular transmite las señales al interior de la célula a través de proteínas que unen nucleótidos de guanina, denominadas proteínas G. Se han identificado más de 100 de estos receptores asociados a proteínas G, entre los que se incluyen los receptores de hormonas peptídicas, neurotransmisores y mediadores locales, de estructura tan variada como lo es su función: la lista incluye proteínas y pequeños péptidos, aminoácidos y derivados de ácidos grasos. Un mismo ligando puede activar muchos miembros diferentes de la familia; por ejemplo, la adrenalina puede activar por lo menos 9 miembros diferentes de receptores asociados a proteínas G, la acetilcolina a 5 o más y la serotonina por lo menos a 15 de ellos. A pesar de la diversidad química y funcional de las moléculas señal que se unen a ellos, todos los receptores asociados a proteína G de los que se conoce su secuencia de aminoácidos a partir de estudios de secuenciación de DNA, tienen una estructura similar y están, casi con toda seguridad, relacionados evolutivamente. Están formados por una sola cadena polipeptídica que atraviesa siete veces, arriba y abajo, la bicapa lipídica, denominadas siete hélices α-transmembrana (Figura 8). La unión del ligando al dominio extracelular de estos receptores induce un cambio conformacional que permite al dominio citosólico del receptor unirse a una proteína G unida a la cara interna de la membrana plasmática. Esta interacción activa la proteína G, la cual se disocia del receptor y transmite la señal a una diana intracelular. El descubrimiento de las proteínas G se produjo a partir del estudio de hormonas (como la adrenalina) que regulan la síntesis del AMPc en las células diana. En los años 70, Martin Rodbell et al. realizaron el descubrimiento clave de que el GTP es necesario para la estimulación hormonal de la adenilato ciclasa, la enzima que sintetiza AMPc. Esto condujo, a su vez, al descubrimiento de que una proteína que une nucleótidos de guanina (proteína G) era un intermediario de la activación de la adenilato ciclasa. Desde entonces, se ha encontrado un vasto conjunto de proteínas G que actúan a modo de interruptores fisiológicos, regulando la actividad de diversas dianas intracelulares en respuesta a señales extracelulares. Las proteínas G están constituidas por tres subunidades, designadas α, β y γ (Figura 11). Frecuentemente, se las denomina proteínas G triméricas, para distinguirlas de otras proteínas que unen nucleótidos de guanina, como la proteína Ras, que se estudiará más adelante. Desde el punto de vista de su actividad enzimática, las proteínas G son GTPAsas, es decir, emplean la energía del enlace fosfato del GTP que pasa a GDP para su actividad. En la célula, las proteínas G están unidas a GTP (están activas) o a GDP (están inactivas). Cuando el receptor se une al ligando, el receptor hace que la proteína G desprenda el GDP, una GTP, pase a su forma activa, difunda lejos del receptor y transmita su mensaje. En la proteína G, cada subunidad juega un papel distinto. Las subunidades α y γ están ancladas a la membrana mediante un ácido graso C 15 o C 20. La subunidad α se une a los nucleótidos de guanina, que regulan la actividad de la proteína G. En el estado inactivo, α se une al GDP formando un complejo con β y γ. La unión de la hormona induce un cambio conformacional tal en el receptor que el dominio citosólico de éste interacciona con la proteína G estimulando la liberación del GDP y su intercambio por GTP. La subunidad α unida al GTP, ahora activada, se disocia de β y γ, que permanecen unidas, constituyendo un complejo βγ. Tanto la subunidad α unida al GTP activa como el complejo βγ interaccionan con sus dianas para dar lugar a una respuesta intracelular. La subunidad α se inactiva por la hidrólisis del GTP unido a ella, de tal manera que la subunidad α inactiva (ahora unida al GDP) se reasocia con el complejo βγ, quedando, así, listo para el comienzo de un nuevo ciclo. En mamíferos se han descrito al menos 20 subunidades α, 4 subunidades β y 7 subunidades γ. La asociación de distintas subunidades genera proteínas G distintas que se asocian a receptores distin- 147

18 Capítulo 1.5. Señalización celular Figura 11. Señalización mediante proteínas G. tos, de tal manera que esta panoplia de proteínas G acopla los receptores a diferentes dianas intracelulares (Tabla 1). Las proteínas G transmiten el mensaje de la llegada de la hormona a la superficie celular a dos tipos de proteínas diana: una enzima (adenilato ciclasa) o un canal iónico (Figura 11). El resultado es que aumentan las concentraciones intracelulares de los segundos mensajeros AMPc o de iones, respectivamente. Por ejemplo, la proteína G asociada al receptor de la adrenalina se denomina G s porque su subunidad α s estimula la enzima adenilato ciclasa. Las subunidades α y βγ de otras proteínas G actúan, sin embargo, inhibiendo la adenilato ciclasa o regulando la actividad de otras enzimas diana. Si las células son capaces de responder rápidamente a cambios en la concentración de una molécula señal extracelular, la activación de la adenil ciclasa puede ser revertida rápidamente en cuanto el ligando señal se disocia del receptor. Esta capacidad para responder rápidamente a los cambios está asegurada, debido a que la vida media de la forma activa de α s es corta: la actividad GTPAsa de α s se estimula cuando α s se une a la adenil ciclasa, de forma que el GTP unido a ella se hidroliza a GDP, generando α s, y la adenil ciclasa inactiva. Entonces, α s se vuelve a asociar a βγ dando lugar de nuevo a una molécula G s inactiva. Si el AMPc no es eliminado tras producir la respuesta celular, el efecto de la hormona se prolonga indefinidamente. Éste es el caso que se observa en pacientes que sufren de cólera, en los que la toxina bacteriana responsable de los síntomas de esta enfermedad inhibe el mecanismo de autoinactivación de α s. La toxina colérica es una enzima que cataliza la transferencia de ADP ribosa desde NAD + intracelular a α s. La ADP ribosilación altera α s, de forma que pierde la capacidad de hidrolizar el GTP que tiene unido. Las moléculas de adenil ciclasa activadas por estas α s alteradas permanecen activas indefinidamente. La elevación prolongada de los niveles de AMPc en las células epiteliales intestinales provoca un gran eflujo de Na + y de agua en el intestino, que es responsable de la severa diarrea característica del cólera. 148

19 A. Suárez García Tabla 1. SEÑALIZACIÓN A TRAVÉS DE PROTEÍNAS G Clase Señal de iniciación Efecto Proteína Segundo de G α efectora mensajero asociada G s Aminas Adenilato AMPc β-adrenérgicas ciclasa Glucagón Hormona paratiroidea Canal de Ca 2+ Ca 2+ Canal de Na+ Cambio de potencial de membrana G i Acetilcolina Adenilato AMPc Aminas ciclasa α-adrenérgicas Neurotransmisores Canal de K+ Cambio de potencial de membrana Canal de Ca 2+ Ca 2+ G t Fotones GMPc GMPc fosfodiesterasa G q Acetilcolina Fosfolipasa C IP 3 y Ca 2+ Aminas α-adrenérgicas Neurotransmisores Además de regular enzimas diana, tanto la subunidad α como las βγ de algunas proteínas G regulan directamente canales iónicos. El latido cardiaco está controlado por dos tipos de fibras nerviosas; uno de estos tipos acelera el corazón; el otro lo ralentiza. Las fibras nerviosas que provocan una disminución en la velocidad de contracción lo consiguen mediante la liberación de acetilcolina, que se une a un receptor asociado a proteínas G en las fibras musculares del corazón. Cuando la acetilcolina se une al receptor, la proteína G es activada, disociándose en una subunidad α y un complejo βγ. En este ejemplo, en particular, el componente activo en la señalización es el complejo βγ: se une a la cara intracelular de un canal de K + de la membrana plasmática de la fibra muscular cardiaca, forzando al canal iónico a adquirir una conformación abierta. Esto altera las propiedades eléctricas de la célula cardiaca, haciendo que se contraiga menos frecuentemente. La acción del complejo βγ finaliza y el canal de K + se cierra de nuevo, cuando la subunidad α se inactiva mediante la hidrólisis del GTP que tenía unido y se reasocia formando de nuevo la proteína G inactiva. 149