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5.#Comunicación#intercelular#
5.1. Tipos de comunicación celular
Según las estimaciones el cuerpo humano está formado por unos 75 billones de células que se comunican unas con otras. Existen sólo dos tipos básicos de señales fisiológicas para realizar esta comunicación : eléctricas y químicas. Las señales eléctricas son cambios en el potencial de membrana, las señales químicas son moléculas situadas sobre las células, sobre la matriz extracelular o secretadas por las células o en el líquido extracelular. Las señales químicas son responsables de la mayor parte de la comunicación del organismo. Las células que reciben las señales eléctricas o químicas se llaman células diana o células blanco. Para que una señal química haga su efecto debe de interaccionar con una molécula receptora situada en la célula diana. Si bien la natura- leza química de las señales pueden variar (proteínas, lípidos, etc.) los receptores son siempre proteínas. Cuando la molécula señal se acopla a su proteína receptora esta última cambia su forma y produce un cambio en la célula diana. Nuestro cuerpo utiliza cuatro métodos básicos para la comunicación química entre células:
1. Uniones en hendidura o comunicantes, que permiten la transferencia directa de señales eléctricas entre células. 2. Señales dependientes del contacto , que ocurren cuando las molécula de una membrana celular se unen a las moléculas de la mem- brana de otra célula, 3.Comunicaciones locales mediante sustancias químicas que difunden a través del líquido extracelular y 4.Comunicaciones a larga distancia. Una molécula señal es liberada a la sangre y su diana puede estar muy alejada del lugar de libera- ción. Una molécula dada puede funcionar como señal en más de un tipo de comunicación. Por ejemplo, una molécula puede actuar cerca de la célula que la libera (comunicación local) y en lugares distantes del cuerpo (comunicación a larga distancia). 1. Las uniones en hendidura (gap juntions) crean puentes citoplasmáticos La forma más simple de comunicación entre células es la transferencia directa de señales químicas y eléctricas a través de las uniones en hendidura o canales proteicos comunicantes que forman puentes citoplasmáticos entre células adyacentes. Una unión en hendidura se forma a partir de la unión de proteínas que sobresalen de la membrana llamadas conexinas , en dos células adyacentes. Las conexinas unidas generan un canal proteico (conexón) que puede abrirse y cerrarse. Cuando el canal está abierto, las células conecta- das funcionan como si fuesen una sola célula con varios núcleos (un sincitio). Cuando las uniones en hendidura están abiertas, los iones y las moléculas pequeñas como los aminoácidos, el ATP y el AMP cíclico difunden directamente desde el citoplasma de una célula al de la otra. Al igual que en otros canales de membrana, las moléculas más grandes no pueden pasar a través de las uniones en hendidura. Ade- más, este tipo de unión es el único medio por el cual las señales eléctricas pueden pasar directamente de una célula a otra. El movimiento de las moléculas a través de las uniones en hendidura puede modularse o impedirse por completo.
En el sistema nervioso central este tipo de unión es utilizada entre neuronas vecinas para sincronizar su actividad (ver sinapsis eléctricas) y es muy frecuente entre astrocitos.
2. Señales dependientes del contacto Para algunas formas de comunicación entre las células es necesario que las moléculas de la membrana de una de ellas se unan a proteí- nas de la membrana de la otra. Así controlan las células de un tejido cuando tienen que dividirse o no. Si una célula muere, pierde el con- tacto con su vecina y comienza a dividirse para reemplazarla. Estas señales dependientes de contacto aparecen también en el sistema inmunitario y durante el crecimiento y el desarrollo, como cuando las células nerviosas envían largas extensiones que deben crecer desde el eje central del cuerpo hasta los extremos distales (lejanos) de los miembros. Se ha demostrado que las CAM, moléculas de adhesión celular (siglas en inglés) actúan como receptores en las señales entre células. Este tipo de comunicación puede darse también por la interacción de proteínas de membrana celular con proteínas de la matriz extracelular. 3. Las señales paracrinas y autocrinas llevan a cabo las comunicaciones locales La comunicación local se logra mediante señales paracrinas y autocrinas. Una señal paracrina ( para - , a un lado; kinen , secretar) es una sustancia química que actúa en células ubicadas en la región vecina a la célula que la secretó. Si una señal química actúa sobre la misma
Hormonas derivadas de aminoácidos : Todas derivan del aminoácido tirosina.
- Hormonas tiroideas: Triiodotironina (T3), tretraiodotironina o tiroxina (T4)
- Catecolaminas: Adrenalina (A), Noradrenalina (NA) y Dopamina (DA) Las vías de síntesis de estas hormonas las veremos al estudiar la neurotransmisión.
5.3 Neurotransmisión.
5.3.1. Potencial de membrana
La membrana de la neurona está repleta de proteínas canal para diferentes iones. Dependiendo de la parte de la neurona, abundan unos tipos de canales u otros. El potencial de membrana está gobernado por la permeabilidad de la membrana a iones específicos Todas las células poseen una diferencia de potencial eléctrico, o potencial de membrana , a través de la membrana plasmática. Para comprender la génesis de este potencial es útil recordar algunos principios fundamentales de la electricidad. Mientras que en los metales la electricidad es transportada por electrones, en las soluciones acuosas es transportada por iones, los cuales pueden tener cargas positiva (cationes) o negativa (aniones). Un flujo de iones a través de una membrana celular se detecta como una corriente eléctrica, mientras que, una acumulación de iones no contrarrestada por una acumulación exactamente equivalente de iones de carga opuesta se detecta como una acumulación de carga eléctrica, o un potencial de membrana. Para comprender el origen y el mantenimiento de un potencial de
cial entre el interior y el exterior se le llama potencial de equilibrio (en ese momento el flujo neto de iones a través de la membrana es cero, es decir, lo mismo que entra, sale). Además, en las neuronas, las bombas sodio potasio, intercambiando 3 cargas positivas (saca 3 Na+) por 2 (mete dos K+) fuerzan a que el potencial sea aún más negativo que el potencial en equilibrio. A este potencial se le conoce como potencial de membrana en reposo y es el que tiene una célula cuándo no es estimulada. Es negativo y su valor depende del tipo de células e, incluso, dentro de una misma célula, puede existir diferencias entre regiones (se dice que la membrana está polarizada como una pila).
5.3.3. Potenciales postsinápticos
Si en una membrana plasmática se abren canales de Na+, éste tiende a entrar en la célula. Se despolariza la membrana en ese punto y se produce un PEP. Si se abren canales de Cl-^ o de K+, se hiperpolariza la membrana y se produce un PIP.
Características de los PP
- Se propagan.
- Su amplitud disminuye con el tiempo y a medida que se propagan.
- Cuando se encuentran dos PP, se suman. Se distinguen dos maneras de sumarse En el espacio y en el tiempo. Cuando dos potenciales postsinápticos coinciden, se suman (cada uno con su signo). Si se producen en sitios diferentes y chocan, se dice que se suman en el espacio. Si se producen en el mismo sitio uno e inmediatamente otro, se dice que se suman en el tiempo.
Ley del todo o nada : un PA se produce o no. Si se produce, viaja con la misma amplitud hasta el botón terminal. Periodos refractarios : Intervalos de tiempos en el que el axón, o no responde a estímulos ( periodo refractario absoluto ), o sólo responde a estímulos supraumbrales ( periodo refractario relativo ). El periodo refractario absoluto comienza con el PA y dura hasta el final de la repolarización. El relativo es el tiempo que tarda la hiperpolarización. Se recomienda realizar la Actividad 10
5.4. Transmisión sináptica
Una Sinapsis es el lugar de comunicación entre una neurona y otra célula (otra neurona, glándula, músculo…) En una sinapsis se distingue un elemento presináptico (neurona que envía una señal) y un elemento postsináptico (célula que recibe la señal).
5.4.1. Tipos de sinapsis
A. Según la proximidad entre el elemento pre- y postsináptico
- Sinapsis eléctricas. Pegados
- Sinapsis químicas. Separados por un pequeño espacio llamado HENDIDURA SINÁPTICA.
B. Según cómo se comuniquen entre sí las neuronas Cuando un PA llega a un botón terminal se produce la liberación del neurotransmisor. Cuando un PA llega al botón terminal, en lugar de abrirse canales de sodio dependientes de voltaje, se abren canales de calcio dependien- tes de voltaje. El calcio entra al botón terminal y desencadena la liberación del neurotransmisor. A este proceso se le denomina exocitosis calcio dependiente. Cuantos más potenciales de acción lleguen al botón terminal, más calcio entra en el botón terminal y más neurotransmisor es liberado. La liberación del neurotransmisor constituye un proceso sujeto a finísima regulación; reviste, además, tal complejidad, que resulta sorpren- dente que no se produzcan a menudo desajustes. Ciertas toxinas degradan las proteínas involucradas en la fusión de la vesícula sináptica. Tal es el caso de las toxinas botulínicas y la tetáni- ca. Estas toxinas impiden la liberación del neurotransmisor tras la intoxicación suspendiéndose todos los procesos sinápticos incluida la neurotransmisión neuromuscular, lo que conlleva la parálisis de la transmisión neuromuscular, la parálisis de los músculos respiratorios y la asfixia consiguiente.
5.5.Neurotransmisores y neuromoduladores
El sistema nervioso utiliza una combinación de señales químicas y eléctricas para comunicarse a largas distancias. La señal eléctrica viaja a lo largo de la célula nerviosa hasta alcanzar su extremo, donde se traduce en una señal química secretada por la neurona. Si una molécula difunde de la neurona a través del estrecho espacio extracelular para llegar a la célula diana y generar un efecto rápido, se llama neuro- transmiso r. Si la molécula actúa más lentamente, como si fuese una señal autocrina o paracrina, se denomina neuromodulador. Si la molécula liberada por la neurona difunde a la sangre desde donde se distribuye, se llama neurohormona. Las semejanzas entre las neu- rohormonas y las hormonas clásicas secretadas por el sistema endocrino desvanecen la distinción entre los sistemas nervioso y endocrino presentándolos como un continuo en lugar de dos sistemas diferentes.
Los neuropéptidos se sintetizan en el soma: primero en el retículo endoplasmático rugoso y por último en el aparato de Golgi de dónde salen empaquetados en vesículas grandes de núcleo denso. Estas vesículas son transportadas por todo el axón (transporte anterógrado rápido) hasta el botón terminal. La mayoría de las neuronas tienen ambos tipos de vesículas. Las vesículas sinápticas pequeñas son típicas de neuronas que utilizan como neurotransmisores la acetilcolina, el ácido glutámico, el GABA y la glicina, mientras que las vesículas grandes de núcleo denso son típicas de neuronas catecolaminérgicas y serotoninérgicas.
2. Liberación
3. Acción sobre los receptores Al proceso de transformación de un tipo de señal en otro diferente (químico, eléctrico…) mediado por proteínas se llama transducción de señales.
Los receptores de acción lenta tienen la ventaja de que la señal que llega a la célula puede amplificarse de manera que pueda producir al mismo tiempo efectos diferentes dentro de la célula diana. El proceso comienza cuando el ligando se combina con su receptor. El complejo receptor-ligando activa entonces a una enzima amplificado- ra, una molécula que activa a varias otras. Al finalizar el proceso, el efecto del ligando se ha amplificado mucho más que si hubiese una relación 1:1 en cada paso. La amplificación le da al organismo "más rendimiento por el mismo dinero" permitiendo que una pequeña canti- dad de ligando genere un gran efecto. 1.Una molécula de señal extracelular se une a un receptor de membrana (proteico o glucoproteico) y lo activa.
- El receptor de membrana activado puede: a) Ser proteincinasas (o proteinkinasas) , que son enzimas que al activarse trasfieren un grupo fosfato del ATP a una proteína y desen- cadenar así, una cascada de reacciones intracelulares. b) Activar enzimas que generan segundos mensajeros intracelulares. Las moléculas de segundo mensajero pueden entonces: a) alterar la apertura de canales de iones. La apertura o el cierre de éstos genera señales eléctricas modificando el potencial de la membrana celular. b) cambiar la actividad de enzimas , especialmente de las proteincinasas o proteinfosfatasas, enzimas que añaden o quitan un grupo fosfato a otras proteínas. La fosforilación o defosforilación de una proteína puede cambiar su configuración y generar una respuesta. Las proteínas modificadas pueden controlar algunos de los siguientes elementos:
- enzimas metabólicas,
- proteínas motoras para la contracción del citoesqueleto,
- proteínas que regulan la actividad de genes y la síntesis de otras proteínas y
- proteínas de membrana de transporte y receptoras. A.#Receptores#asociados#a#proteína#G:#LOS#SEGUNDOS#MENSAJEROS# La mayoría de los sistemas de transducción de señales usan proteina G Los receptores asociados a la proteína G son una gran y compleja familia de proteínas que atraviesan la membrana, cruzando la bicapa de fosfolípidos siete veces. El extremo citoplasmático de la proteína receptora está unido a una molécula transductora de membrana de tres partes conocida como proteína G. Hay diferentes tipos de proteínas G (Gs, Gi, etc) pero todas tienen una estructura en común. Se han identificado cientos de receptores asociados a la proteína G, y la lista continúa creciendo. Los tipos de ligandos que se unen a los recepto- res asociados a la proteína G son, entre otros, hormonas, factores de crecimiento, moléculas olfatorias, pigmentos visuales y neurotransmi- sores. En 1994, Alfred G. Gilman y Martín Rodbell recibieron el premio Nobel por el descubrimiento de la proteína G y su papel en la transmisión de señales celulares.
La proteína G tiene este nombre debido a que se une a un nucleótido de guanosina. La proteína G inactiva se une a difosfato de guanosi- na (GDP). El intercambio de GDP por trifosfato de guanosina (GTP) activa a la proteína G. Entonces, puede ocurrir que 1) se abra un canal iónico en la membrana, o 2) que se modifique la actividad enzimática del lado citoplasmático de la membrana celular. La proteína G está formada por 3 subunidades: α, β y γ. El GDP está unido a α. La proteína G se mueve libremente por la membrana celular pero si choca con un receptor al que se le ha unido un ligando, la proteína G se une al complejo y cambia su GDP por GTP. Enton- ces α (con el GTP) se separa de las subunidades β y γ y activan a diferentes enzimas (proteínas efectoras). Dependiendo del tipo de enzi- mas que se activen se sintetizará un segundo mensajero u otro. También en vez de activar enzimas pueden activar directamente canales de membrana. Las dos enzimas efectoras más frecuentes para los receptores unidos a proteínas G son la adenilato cic!asa y la fosfolipasa C. En el sistema adenilato ciclasa-AMPc, la adenilato ciclasa es la enzima amplificadora que convierte al ATP en el segundo mensajero AMP cíclico (AMPc). El AMP cíclico activa a su vez a la proteinkinasa A (PK-A), que posteriormente fosforila a otras proteínas intracelulares como parte de la cascada de la señal. En este caso la proteína G asociada al receptor es una Gs (proteína G estimuladora de la síntesis de AMPc) pero existe una proteína Gi que, por el contrario, al activarse inhibe la síntesis de AMPc.
La acción de una molécula señal es diferente dependiendo del tipo de receptor al que se una Los receptores son proteínas, así pues, la unión entre el receptor y un ligando presenta las propiedades de unión de las proteínas de espe- cificidad, competencia y saturación. Durante muchos años los fisiólogos no pudieron explicar la observación de que una misma molécula señal pudiese tener diferentes efectos en distintos tejidos. Por ejemplo, la adrenalina dilata los vasos sanguíneos en el músculo esquelético pero los contrae en el intestino. ¿Có- mo puede una sustancia química tener efectos opuestos? La respuesta se hizo evidente cuando los científicos descubrieron que los recep- tores, como otras proteínas, se presentan como familias de isoformas relacionadas. La respuesta celular que genera la unión de una molé- cula de señal con un receptor depende de qué isoforma del receptor esté involucrada. Por ejemplo, los receptores α y β-adrenérgicos para la adrenalina son isoformas entre sí. Cuando la adrenalina se une a los receptores α del músculo liso en los vasos sanguíneos del intestino, estos vasos se contraen. Cuando se une a los receptores β de ciertos vasos del músculo esquelético, éstos se dilatan. En otras palabras, la respuesta de los vasos sanguíneos a la adrenalina depende de la isoforma del receptor, no del ligando que lo activa. En cualquier célula, el número de receptores puede cambiar con el tiempo. Los receptores viejos se retiran de la membrana por endocitosis y se degradan en los lisosomas. Receptores nuevos se insertan en la membrana por exocitosis. Los receptores intracelulares también se sintetizan y degradan. Esta flexibilidad le permite a la célula variar su respuesta frente a las señales químicas según las condiciones extra- celulares y sus necesidades internas. Cuando sobre una célula impactan señales químicas (neurotransmisores, neuromoduladores, hormonas, factores de crecimiento, hormo- nas, etc.) ésta puede responder:
- con repuestas rápidas (milisegundos),
- más lentas (minutos, horas),
- a largo plazo (días, semanas). Cada una de estas respuestas implica mecanismos diferentes. Las respuestas rápidas están mediadas, generalmente, por canales iónicos. Las lentas están mediadas por la síntesis de segundos mensa- jeros o activación enzimática. Las respuestas a largo plazo implican la activación o desactivación génica y la síntesis o el cese de la sínte- sis de determinadas proteínas. Una misma molécula señal, dependiendo del tipo de receptor al que se una puede producir los tres tipos de respuestas. Se recomienda realizar la Actividad 11 4. Inactivación El neurotransmisor liberado inmediatamente debe de ser inactivado para que la información pueda seguir fluyendo.
- Farmacología
