¡Descarga Comunicación Celular: Mecanismos y Señalización y más Apuntes en PDF de Biología solo en Docsity!
MECANISMOS GENERALES DE COMUNICACIÓN CELULAR
Durante el desarrollo de los organismos multicelulares complejos como los eucariotas superiores, grupos de células adquirieron funciones diferenciadas y establecieron relaciones entre ellos que permitieron el funcionamiento armónico y coordinado del organismo como un todo. Para que esto ocurriese, debió establecerse un diálogo fluido entre los diferentes grupos celulares, en el que cada grupo tenía la capacidad de comunicarse con otro, lo que permitió coordinar sus funciones. Como en todo proceso de comunicación, en este diálogo existe un emisor , es decir una célula que elabora un mensaje (como la denominada molécula señal ), y un receptor , una célula sobre la que esta molécula ejerce un efecto, generando una respuesta biológica.
- ¿Cuáles son las etapas del proceso de comunicación celular?
La comunicación celular involucra las siguientes etapas:
- Ante un estímulo, una determinada célula ( célula emisora ) sintetiza y/o libera una molécula señal o mensajero químico;
- El mensajero químico difunde o se transporta por la sangre u otro fluido extracelular a la célula blanco ( célula receptora);
- En la célula blanco o célula receptora , el mensajero químico se une a un receptor (de membrana o intracelular);
- La unión del mensajero químico a su receptor desencadena una respuesta que puede ser el cambio en alguna función, en el metabolismo o en el desarrollo en la célula receptora;
- La señal cesa y la respuesta termina
- ¿Qué tipos de comunicación entre células existen? La comunicación puede establecerse entre células a través diversas modalidades. Se denomina comunicación autócrina cuando la célula receptora es del mismo tipo que la emisora; comunicación parácrina si son células diferentes o juxtácrina si la molécula señal no se separa de la célula emisora
Las células también pueden comunicarse aún cuando se encuentren a distancias considerables, lo que se denomina comunicación endócrina y está mediada por hormonas. La comunicación nerviosa es un tipo especial de comunicación entre células, dado que en este caso la célula emisora extiende prolongaciones hacia las células receptoras y libera una molécula señal ( neurotransmisor ) en la vecindad de la célula receptora ( sinapsis ). Se trata de un tipo particular de comunicación parácrina. La velocidad de transmisión del mensaje dependerá del tipo de comunicación utilizada y obviamente, la comunicación entre células vecinas es más rápida que entre células alejadas. La
endócrina parácrina autócrina juxtácrina
transmisión de la señal desde el cuerpo de la neurona al terminal nervioso es muchísimo más rápida que la comunicación hormonal.
- ¿Qué tipo de moléculas participan en esa comunicación? La comunicación intercelular se realiza mediante una gran variedad de moléculas señal. Entre ellas, se incluyen proteínas, péptidos pequeños, aminoácidos, esteroides, retinoides, derivados de ácidos grasos y gases disueltos (como el monóxido de carbono y el óxido nítrico).
- ¿Cómo se produce la liberación de la molécula señal en la célula emisora? Dependiendo de su naturaleza química, las moléculas señal pueden abandonar la célula emisora difundiendo a través de la membrana plasmática o por exocitosis, o quedar expuestas en la membrana plasmática permitiendo la interacción con las células receptoras (como en algunos tipos de respuesta inmune).
En todos los casos, la señal es información detectada por receptores específicos y convertida en una respuesta celular , que siempre involucra un cambio biológico. Esta transformación de información en un cambio biológico, es decir la transducción de la señal , es una propiedad universal de las células vivas.
Hay tres sistemas principales de señalización en el organismo que utilizan mensajeros químicos: el sistema nervioso, el sistema endócrino y el sistema inmune. El sistema nervioso secreta dos tipos de mensajeros: pequeñas moléculas neurotransmisoras, y neuropéptidos. En el primer grupo se encuentran moléculas nitrogenadas que pueden ser aminoácidos o derivados de aminoácidos (por ej. acetilcolina y γ-aminoburitato (GABA)). Los neuropéptidos son péptidos pequeños secretados por las neuronas en las sinapsis o transportados en la sangre como neurohormonas. Los mensajeros del sistema endócrino se denominan hormonas y son aquellos compuestos secretados por células endócrinas que se transportan por sangre hacia células blanco. Clásicamente se divide a las hormonas de acuerdo a su estructura en las siguientes categorías: hormonas polipeptídicas (como la insulina), catecolaminas (como la adrenalina), hormonas esteroideas (que derivan del colesterol) y hormonas tiroideas (que derivan de la tirosina). Muchas de estas hormonas también pueden actuar en forma autócrina o parácrina. Compuestos como los retinoides (derivados de la vitamina A) y la vitamina D (derivada del colesterol) actúan como hormonas pero no son sintetizados en células endócrinas. En el sistema inmune, los mensajeros químicos se denominan citoquinas y son proteínas pequeñas que regulan un conjunto de respuestas destinadas a eliminar patógenos invasores. Los diferentes tipos de citoquinas (interleuquinas, factores de necrosis tumoral, interferones y factores estimulantes de colonias) son sintetizados en células del sistema inmune y generalmente actúan sobre otras células del sistema inmune induciendo la expresión de proteínas involucradas en la respuesta inmune.
Neurona presináptica
neurotransmisor receptor
neurona postsináptica
Algunos receptores intracelulares se encuentran en el citoplasma unidos a proteínas denominadas chaperonas , que los mantienen en una conformación inactiva pero con la capacidad de interactuar con el ligando. Éste es el caso de los receptores de glucocorticoides y mineralocorticoides. Luego de la unión de la hormona, el receptor sufre un cambio conformacional, el complejo se desprende de las chaperonas, se transloca al núcleo, y se asocia con otro complejo similar formando un dímero. Estos dímeros son los que interactúan con las secuencias específicas del ADN (elementos de respuesta a hormonas). La mayoría de los receptores intracelulares se encuentra principalmente en el núcleo y algunos, como los receptores de hormonas tiroideas o de retinoides se encuentran unidos al ADN, aún en ausencia del ligando. Sin embargo, no presentan actividad tanscripcional y están unidos a proteínas inhibitorias. Los cambios conformacionales producidos como consecuencia de la unión de la hormona, modifican su actividad y su capacidad de asociarse y disociarse del ADN. Una vez que los complejos diméricos se unen a secuencias específicas del ADN, reclutan a otras proteínas llamadas coactivadores, que facilitan el acceso de la ARN polimerasa II, responsable de la transcripción del gen. A pesar de que muchas células tienen los mismos receptores intracelulares, la combinación adecuada de proteínas coactivadoras y complejos ligando-receptor es la que determina que en cada célula se activen determinados genes y no otros.
2. Receptores de membrana Los mensajeros químicos hidrosolubles se unen a receptores localizados en la membrana plasmática. Todos estos receptores tienen características comunes: un dominio extracelular al que se une el ligando, uno o más dominios que atraviesan la membrana plasmática y un dominio intracelular que inicia la transducción de la señal. La activación de estos receptores puede producir dos tipos de efectos:
- rápidos (cambios en la permeabilidad a iones y activacion/inhibición de enzimas);
- lentos (cambios en la velocidad de expresión génica). Una misma vía puede producir ambos tipos de efectos.
2.a. Receptores de membrana asociados a canales iónicos Un tipo particular de receptores de membrana son los receptores ionotrópicos que forman parte de canales iónicos y están involucrados en la señalización entre células eléctricamente excitables. La unión de ligandos a estas proteínas con múltiples dominios transmembrana, produce la apertura o cierre de un canal, permitiendo el pasaje de iones a través de la membrana en forma transitoria. En ausencia de estímulo, los canales iónicos se abren y cierran con baja frecuencia, permitiendo el pasaje de determinados iones. La unión del ligando a su receptor produce cambios en la estructura del canal que cambian su frecuencia de apertura, alterando transitoriamente el potencial eléctrico de la membrana. Esta variación del potencial eléctrico desencadena la respuesta biológica. En la membrana plasmática existen canales selectivos para iones, como Cl - , Na +, K+^ y Ca 2+. Los receptores asociados a canales iónicos están involucrados en el control de la contracción muscular y en la transferencia de información nerviosa. Un ejemplo de receptor con función de canal iónico (particularmente de Na+) es el receptor de acetilcolina denominado receptor nicotínico por su gran afinidad para la nicotina. Las subunidades de este receptor atraviesan completamente la membrana plasmática y se asocian formando una “flor” cuyo interior hidrofílico constituye el canal propiamente dicho. La unión de acetilcolina aumenta la frecuencia de apertura del canal, permitiendo una mayor entrada de iones Na+^ al interior celular. La entrada de especies cargadas positivamente produce la despolarización de la membrana de la célula receptora.
2.b. Receptores de membrana asociados a enzimas
Otro tipo de receptores de membrana son aquellos asociados a enzimas, que existen en distintas modalidades:
Receptores con actividad enzimática intrínseca: Son aquellos que al activarse por la unión del ligando funcionan directamente como enzimas.
Receptores que activan enzimas citoplasmáticas: Son los que luego de la unión del ligando, interactúan con enzimas a las que activan del lado interno de la membrana plasmática.
El receptor de insulina también pertenece a esta familia, pero a diferencia de otros miembros de la familia, este receptor existe en la membrana como un dímero preformado. Luego de la unión de la hormona, los dominios con actividad de tirosina quinasa del receptor se autofosforilan y también fosforilan a la proteína IRS (sustrato del receptor de insulina) en múltiples sitios. La proteína IRS fosforilada presenta sitios de unión para proteínas con dominios SH2 (como Grb2) produciendo también la activación de Ras y de la vía de MAP quinasas. En otros sitios fosfotirosina de IRS se unen y se activan enzimas como la fosfatidilinositol 3 quinasa (PI3 quinasa) y la fosfolipasa Cγ (PLCγ). Otras proteínas se anclan directamente en fosfotirosinas del receptor de insulina. Cada una de estas proteínas es intermediaria en la transmisión del mensaje al interior celular. Por ejemplo, la activación de la PI3 quinasa provoca la activación de la proteína quinasa B, una serina-treonina quinasa que media muchos de los efectos de la insulina por un mecanismo que veremos en detalle cuando analicemos la regulación del metabolismo.
Entre los receptores con actividad de serina/treonina quinasa se encuentra el receptor del factor de crecimiento tumoral (TGF-β) que también activa factores de transcripción.
Otros receptores presentan actividad de guanilato ciclasa (cataliza la síntesis de GMPc) que se activa luego de la unión del ligando. El péptido natriurético atrial (ANP) se une a un receptor de este tipo en el músculo cardíaco, estimula la secreción renal de Na +^ y agua, induce la relajación del músculo vascular liso y disminuye la presión sanguínea.
Receptores que activan enzimas citoplasmáticas En el grupo de receptores asociados a proteínas con actividad enzimática se encuentran los receptores de citoquinas (mensajeros del sistema inmune). Por ejemplo, el receptor de interferón está asociado con proteínas quinasas de tirosina como la quinasa JAK (por Janus activated kinase ) aún en ausencia de ligando. La unión del interferón a su receptor y la oligomerización de los complejos producen la activación de las proteínas quinasas asociadas. Entre otros sustratos, estas quinasas activas catalizan la fosforilación de los factores de transcripción llamados STAT ( signal transducers and activators of transcription ). Las proteínas STAT fosforiladas forman dímeros y se translocan al núcleo donde se unen a secuencias específicas del ADN, modulando la transcripción de determinados genes.
Las proteínas G heterotriméricas (tres subunidades: α, β y γ) interactúan con el dominio citoplasmático de los receptores de membrana. En condiciones basales, la subunidad α de la proteína G lleva GDP unido y es inactiva. La interacción con el complejo ligando-receptor produce el intercambio de GDP por GTP. El cambio conformacional ocasionado induce la disociación del trímero en dos componentes, la subunidad α y el complejo βγ. La subunidad α puede interactuar con otras proteínas. El complejo βγ no cambia su conformación pero la zona que antes estaba enmascarada por la subunidad α queda libre lo que le permite interactuar con otras proteínas. La separación del heterotrímero es transitoria porque la subunidad α posee actividad de GTPasa intrínseca y una vez que esto ocurre, se reasocian las subunidades y se reconstituye la proteína G inactiva.
Las proteínas G se clasifican de acuerdo al grupo de proteínas con las que interactúan y al efecto que producen. Podemos encontrar proteínas G estimulatorias ( Gs ) que activan a la enzima adenilato ciclasa (cataliza la síntesis de AMPc a partir de ATP); proteínas G inhibitorias ( Gi ), que inhiben la actividad de adenilato ciclasa; proteínas Gq , que activan fosfolipasas (catalizan la hidrólisis de fosfolípidos de membrana) y proteína Gt o transducina (que activan una fosfodiesterasa ). Cualquier compuesto que bloquee la función de la subunidad α puede afectar la transducción de la señal. Por ejemplo, la toxina producida por la bacteria Vibrio cholerae inhibe la actividad GTPasa de la subunidad αs. De esa forma, aún en ausencia de señal, la adenilato ciclasa se encuentra activada y produce AMPc en forma continua. En las células del intestino, esto produce pérdida de agua y cloruro que es característica de esta infección bacteriana (Enfermedad del Cólera). Otro ejemplo es la toxina producida por la bacteria Bordetella pertussis que causa la tos convulsa. Esta toxina modifica estructuralmente a la subunidad αi impidiendo la asociación de la proteína G al complejo ligando-receptor y bloqueando la transducción de esa señal. Dado que la subunidad αi permanece en su estado inactivo, unida a GDP, la adenilato ciclasa permanece activa, manteniendo así elevados niveles de AMPc.
Ligando
Estímulo Tipos de subunidades Gα
2º mensajeros Efecto
Glucagon-adrenalina- LH-PTH-ACTH Gαs AMPc Estimula la adenilato ciclasa Vasopresina, TSH, angiotensina
Gαq IP3, DAG Activa la fosfolipasa C
Adrenalina, acetilcolina, dopamina, serotonina
Gαi AMPc (disminución)
Inhibe a la adenilato ciclasa
Luz Gαt GMPc (disminución) Activa la fosfodiesterasa
.
- ¿Qué son los segundos mensajeros? Se denomina segundos mensajeros (¿cuál es el primer mensajero?) a las moléculas pequeñas de señalización intracelular. Los segundos mensajeros se generan rápidamente en respuesta a la activación de un receptor de membrana y transmiten la señal al interior celular donde interactúan con proteínas. La activación de una enzima que cataliza la síntesis de un segundo mensajero, generará grandes cantidades de este mensajero, lo que permite amplificar notablemente la respuesta.
- ¿Qué tipos de segundos mensajeros existen? Nucleótidos cíclicos El primer segundo mensajero identificado como tal, fue el nucleótido adenosina monofosfato cíclico ( AMPc ), una molécula soluble y resistente al calor, cuya síntesis es catalizada por la adenilato ciclasa y su degradación por una fosfodiesterasa.
Otro nucleótido cíclico con función de segundo mensajero es el GMPc que es sintetizado por la enzima guanilato ciclasa a partir de GTP. Los niveles de GMPc también son regulados por fosfodiesterasas que catalizan su transformación en un metabolito inactivo, el 5’-GMP. Existen fosfodiesterasas específicas para AMPc, para GMPc y otras que hidrolizan ambos nucleótidos.
El GMPc activa una proteína quinasa denominada proteína quinasa G (PKG), que es muy similar a la PKA salvo que sus regiones regulatorias y catalíticas forman parte del mismo polipéptido.
El aumento de los niveles de proteínas fosforiladas (enzimas o canales) es un evento transitorio, dado que existen proteínas fosfatasas que catalizan la remoción de los grupos fosfato y permiten retornar a la situación original (estado no fosforilado) una vez transmitida la señal. Muchas de estas fosfatasas se regulan por mecanismos similares a los descriptos.
Ion calcio El ión calcio ( Ca 2+ ) participa como segundo mensajero en diversos procesos biológicos, como la contracción muscular, la liberación de neurotransmisores, la endocitosis y exocitosis y la regulación del metabolismo. Un estímulo puede inducir un incremento transitorio en los niveles citoplasmáticos de Ca 2+^ desde aproximadamente 10-8^ M a concentraciones mayores a 10-6^ M, (es decir un aumento de 100 veces en la concentración de Ca2+). Este aumento puede deberse a la apertura de canales de la membrana plasmática, lo que permite la entrada del ión desde el medio extracelular o bien a la liberación de Ca 2+^ desde depósitos intracelulares como los del retículo endoplásmico. El calcio llega al citoplasma celular a través de canales, cuya apertura puede depender de la unión de un ligando (como es el caso de los receptores acoplados a canales iónicos) o de cambios en el potencial de membrana (canales operados por voltaje). Los canales de Ca 2+^ del retículo endoplásmico son activados por inositol trifosfato ( IP 3 ) , producto de la reacción catalizada por la fosfolipasa C, como veremos más adelante.
- ¿Cómo puede un aumento de la concentración de calcio en el citosol activar vías de señalización? Para poder transmitir el mensaje, el calcio debe unirse y modificar proteínas específicas. Sin embargo, no todas las proteínas que pueden unir calcio participan de la transducción de señales. Las proteínas involucradas en la transducción deben poder “sensar” los cambios localizados y temporarios producidos en la concentración del ión. Entre las proteínas que cumplen esta función se encuentra la calmodulina. Si bien la calmodulina no tiene actividad enzimática, el complejo Ca 2+^ -calmodulina es capaz de regular la actividad de más de 100 enzimas diferentes. La calmodulina funciona como un receptor intracelular de calcio que une cuatro iones calcio por molécula. La unión del Ca 2+^ modifica la conformación de la calmodulina y le permite la interacción con otras proteínas. La calmodulina puede interactuar con la adenilato ciclasa, la óxido nítrico sintasa, proteínas del citoesqueleto, y proteínas quinasas como la fosforilasa quinasa (metabolismo de glucógeno), la quinasa de la cadena liviana de miosina (contracción muscular) y quinasas multifuncionales llamadas quinasas dependientes de Ca 2+^ -calmodulina ( CAMK ).
Algunas isoformas de la fosfolipasa C pueden activarse por proteínas Gq y otras por receptores con actividad de tirosina quinasa. La liberación de IP3 y DAG provoca la activación del siguiente eslabón de la cadena de señalización: la proteína quinasa C ( PKC ) , una quinasa de serina/treonina que participa en la proliferación celular. Esta enzima consta de un único polipéptido con dos regiones, la catalítica y la regulatoria, que une DAG, lípidos de membrana y Ca 2+. En estado inactivo, la región catalítica se encuentra bloqueada por una región llamada pseudo-sustrato. Como ya vimos, el IP3 permite la liberación de Ca2+^ desde los depósitos intracelulares al citosol. El Ca2+^ se une directamente a la PKC, que a su vez se ancla a la membrana plasmática al unirse al DAG. Esta interacción aumenta la afinidad de la PKC por el fosfolípido fosfatidilserina. La PKC unida a la membrana plasmática, cambia su conformación y se desbloquea la región catalítica al separarse de la región de pseudosustrato.
- ¿Todas las proteínas G son heterotriméricas? Existe un grupo de proteínas G que unen nucleótidos de guanina, presentan actividad de GTPasa, pero son monoméricas y pequeñas (aprox 21 kDa). En este grupo de proteínas G pequeñas se encuentran: Ras, que está involucrada en el control de procesos de proliferación y diferenciación
celular, y otras como Rho , Rab y Ran. La desregulación de estas proteínas G está involucrada en una gran variedad de enfermedades humanas como el cáncer o la infección por patógenos.
Al igual que las proteínas G heterotriméricas, las proteínas G pequeñas se activan al intercambiar GDP por GTP, lo que sólo ocurre mediante la interacción con factores intercambiadores de nucleótidos de guanina ( GEFs ) que se unen por un lado al complejo ligando- receptor y por el otro a la proteína G pequeña. Para que ocurra la hidrólisis del GTP a una velocidad apreciable se requiere la participación de activadores de GTPasa. De esta forma se retorna a la situación inicial. La proteína Ras transmite la señal al interior celular a través de la activación de una cascada de proteínas quinasas (MAPKs).
GEF
Proteínas nucleares y citoplasmáticas
Membrana plasmática
Factor de crecimiento
Interacción entre las distintas vías de señalización
- ¿Puede una determinada molécula señal regular la respuesta biológica de una célula a través de más de un camino de transducción de la señal? Si bien a lo largo de esta clase hemos analizado las principales vías de transducción de señales como si fueran cadenas lineales a través de las cuales fluye la información desde el exterior al interior celular, existen puntos potenciales de intersección entre los distintos eslabones de la cadena, que permiten que se establezca un diálogo cruzado entre dos o más vías de transducción de señales. Cada célula tiene distintos tipos de receptores y está constantemente recibiendo señales en forma simultánea, de esta manera, la respuesta celular está conformada por la sumatoria de la activación de más de un camino de señalización. Además, la activación de un mismo receptor puede activar diferentes vías de señalización. Un ejemplo de ello es el factor de crecimiento de fibroblastos, que al interactuar con su receptor activa la vía de tirosina quinasas, la vía de STAT y una tercera vía que involucra el metabolismo de lípidos y aumenta los niveles de calcio intracelular. Si bien aún no es claro como una célula individual produce una respuesta específica a tantas señales extracelulares diferentes, una estrategia posible es el uso de proteínas de armazón alrededor de las que se organizan los grupos de proteínas que participan en la transmisión de la señal. Esta organización incrementa la precisión, velocidad y eficiencia de la comunicación. En algunos casos, estos complejos son transitorios y se desarman luego de cumplir una función.
- ¿Cómo se termina la transmisión de la señal? Algunas señales como las que modifican las respuestas metabólicas o las que tansmiten impulsos nerviosos, necesitan apagarse rápidamente cuando no se produce más hormona. Otras señales, como las que estimulan la proliferación se apagan más lentamente. De hecho, las señales que regulan la diferenciación pueden persistir indefinidamente. Muchas enfermedades crónicas son causadas por una falla en la terminación de una respuesta en el momento adecuado. El primer nivel de terminación es el mensajero químico. Cuando la célula que lo produce ya no es estimulada, el mensajero no se produce y el que existe se degrada. Por ejemplo, hormonas polipeptídicas como la insulina, son captadas por el hígado y degradadas. Otro ejemplo es la degradación de acetilcolina por la acetilcolinesterasa. Dentro de cada vía de transducción de señales, la señal puede apagarse en sitios determinados. El receptor se puede desensibilizar, y las proteínas G, monoméricas o heterotriméricas terminan su función cuando hidrolizan el GTP. La terminación también se logra por la degradación
de los segundos mensajeros. Otra forma de interrumpir el mensaje es mediante la activación de fosfatasas de proteínas, que puede ser específicas para tirosina o serina/treonina.
Patologías asociadas a defectos en vías de señalización Como hemos visto, las respuestas biológicas tienen un alto grado de complejidad y es por ello que alteraciones en distintas etapas de la misma pueden producir la muerte de la célula, su proliferación o su transformación de un fenotipo normal a uno canceroso. Se han identificado mutaciones en una gran cantidad de proteínas involucradas en distintos caminos de señalización. En muchos tumores mamarios se han encontrado mutaciones en la proteína Ras , relacionadas con un déficit en su actividad GTPasa. En ese caso, la proteína Ras permance en forma activa y continúa estimulando el crecimiento celular.
