Comunicación celular 16

Transcripción

1 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 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 Ca 2 + intracelular Una señal de Ca 2 + 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. 1

2 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 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. 2

3 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. 16-3A). 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 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 3

4 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 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. 4

5 (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 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. 5

6 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. 6

7 Fig 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. 7

8 Fig 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 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. 8

9 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. 16-8). 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 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 ). 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 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 9

10 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 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 10

11 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 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 (N 2 O), 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 11

12 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 ) 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 ). 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 12

13 Fig 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. P16-3), una molécula hidrófoba pequeña que tiene un esqueleto esterol similar al de tres de las hormonas que se muestran en la figura 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 13

14 sino también en muchos tipos celulares para producir todas las características que distinguen al hombre de la mujer. Fig 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. 14

15 Fig 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: ,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 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 B). 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 C). 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. 15

16 Fig 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. 16

17 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 +, Ca 2+ o Cl- a través de la membrana plasmática (véase fig A). 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 Ca 2+ tiene efectos especiales porque los cambios en la concentración intracelular de Ca 2+ pueden alterar profundamente las actividades de muchas 17

18 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 Ca 2+ ), 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. 16-8). 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 18

19 Fig, 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 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 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 B). 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. 19

20 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 ). 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 A). 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 B y C). 20

21 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 ). 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 B). 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 G s 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 que se tomen catastróficas que a menudo conducen a la muerte a menos 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 G s, 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. 21

22 Fig 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 22