Fundamentos de la comunicación celular
Las señales químicas solubles, como hormonas, factores de crecimiento y neurotransmisores, enviadas de una célula a otra, son el medio por el cual las células se comunican entre sí.
Señalización célula-célula
La señalización celular tiene lugar bien a través de la interacción directa entre una célula y una célula vecina, bien mediante la acción de moléculas señalizadoras secretadas.
Señalización directa
Desempeña un papel crítico en la regulación del comportamiento de las células en los tejidos animales
En esta
En esta, un receptor de la superficie celular se adhiere a un ligando unido a la superficie celular de otra célula.
Señalización autocrina
En esta señalización, las células reaccionan a las señales que ellas mismas produjeron
Por ejemplo
la respuesta de las células del sistema inmune de los vertebrados frente a antígenos extraños
Señalización paracrina
Una molécula liberada por la célula actúa sobre las células diana vecinas.
Por ejemplo
La acción de los neurotransmisores que transportan la señal entre células nerviosas en la sinapsis.
Señalización endocrina
Las moléculas señalizadoras (hormonas) son secretadas por las células endocrinas especializadas y se transportan a través de la circulación
Actuando sobre células diana localizadas en lugares alejados en el organismo.
Por ejemplo
la hormona esteroidea estrógeno, es producida por el ovario y estimula el desarrollo y mantenimiento del sistema reproductor femenino y de los caracteres sexuales secundarios
Mecanismo de señalización
En respuesta a la unión del ligando las cadenas proteicas transmembrana independientes se ubican en mayor cercanía entre sí, y a menudo forman dímeros.
Los dominios de tirosincinasa de cada cadena receptora se activan entre sí, y la correspondiente a la cola de un receptor fosforila los residuos Tyr.
Como consecuencia, en cada una de las colas citoplasmáticas del receptor aparecen residuos de fosfotirosina.
La fosforilación de la Tyr desencadena la integración de un complejo de señalización intracelular específicos para otras proteínas, a través de las que se transmitirá la señal al interior de la célula.
Señalización celular
Transporte celular
es el intercambio de sustancias entre el interior y exterior de la célula a través de la membrana plasmática. fundamental para la preservación de la vida celular, pues permite que exista una estabilidad dentro y fuera de ella.
se lleva a cabo mediante
Procesos pasivos
No requieren energía y únicamente se transportan a través de la membrana por concentración a favor del gradiente
Difusión simple
Movimiento libre de las sustancias a través de la bicapa lipídica sin la ayuda de proteínas transportadoras de membrana.
Atraviesan las moleculas hidrófobas apolares (O2, CO2, ácidos grasos)
Difusión facilitada
Ciertos solutos son demasiado polares o con carga eléctrica excesiva para atravesar la bicapa lipídica por difusión simple
Entonces
Deben cruzar la membrana plasmática mediante este proceso con ayuda de proteínas de membrana especializadas
La proteínas que median este proceso son
Mediada por canales iónicos
Un soluto se mueve a favor de su gradiente electroquímico a través de la bicapa lipídica gracias a la existencia de un canal de membrana.
Controlan el paso de iones tales como:
K+, Cl-, Na+ Ca2+
Sin compuertas
Cuando las compuertas de un canal están abiertas, los iones difunden hacia el interior o el exterior de las células.
Estas
Se mueven a favor de su gradiente electroquímico
Con compuertas
Estos canales permanecen cerrados y se pueden abrir por medio de:
Activación de voltaje
Activación química
Mediada por proteínas transportadoras
Un transportador transfiere un soluto a favor de su gradiente de concentración después de que la proteína experimentó cambios morfológicos
Atraviesan de esta manera: glucosa, fructosa, galactosa y algunas vítaminas
Los cambios conformacionales generan que la molécula se adhiera a la proteína y atraviese la membrana
Aquaporinas
En ciertas células, el movimiento de agua por medio de difusión simple aumenta por movimiento a través de canales de agua. Estos son las acuaporinas
estos canales permiten el paso de agua pero excluyen el de iones y protones.
Procesos activos
Requiere energía porque constituye movimiento contra un gradiente electroquímico
Atraviesan la membrana mediante este proceso los iones de Na+, K+, H+, Ca2+, I– y Cl–, algunos aminoácidos y monosacáridos
Transporte primario
La energía que deriva de la hidrólisis del ATP modifica la forma de una proteína transportadora
Esto permite
“bombear” una sustancia a través de la membrana plasmática en contra de su gradiente de concentración.
Bombas
Transporte secundario
Los gradientes de concetración producidos ór el transporte primario se acumula
En este proceso
Se utiliza la energía almacenada en estos gradientes para mover otras sustancias contra sus propios gradientes.
Se acopla al transporte de otras sustancias en contra de su respectivo gradiente mediante una proteína transportadora compartida
Estas pueden
moverse en la misma dirección (es decir, hacia la célula)
Se conoce como
Simporte
moverse en direcciones opuestas (es decir, una hacia adentro y otra hacia fuera de la célula)
Se conoce como
Antiportador
Na+K+ATPasa
Proceso de transporte que bombea iones sodio hacia fuera a través de la membrana celular y al mismo tiempo bombea iones potasio desde el exterior hacia el interior.
Tres iones de Na+ se unen a la proteína de la bomba.
La fijación de Na+ desencadena la hidrólisis del ATP en ADP. Esto permite la fosforilación que produce un cambio conformacional
Ahora la bomba tiene afinidad por el K y se unen dos iones a la proteína.
Esto hace que el grupo fosfato se elimine
Sin el grupo fosfato, la bomba regresa a su forma original, y se abre hacia el interior de la célula. Luego, se repite el ciclo
Transporte vesicular
Las vesículas liberan o captan materiales con ayuda de energia provista por el ATP
Endocitosis
procesos de transporte vesicular en los cuales las sustancias ingresan a la célula.
controla la composición de la membrana plasmática y la respuesta celular a los cambios en el ambiente externo.
Endocitosis mediada por receptores
Las células captan moléculas de bajas concentraciones
Se unen a
sus receptores y los complejos receptor-ligando
Estos
finalmente convergen en una zona de la membrana plasmática donde se produce la formación de la vesícula, que posteriormente viaja hacia el interior celular
Tipos
Fagocitosis
Es una forma de endocitosis en la cual la célula rodea partículas sólidas grandes
Como por ejemplo
Célulasmuertas, virus, bcterias
La membrana plasmática emite seudópodos que rodean las partículas a fagocitar formando vesículas grandes denominadas fagosomas.
Estas
se fusionan con uno o más lisosomas y las enzimas lisosómicas degradan el material ingerido.
Pinocitosis
Ingestión inespecífica de líquido y pequeñas moléculas de proteína mediante vesículas pequeñas.
Primero
Forma una vesícula que contiene una gota de líquido extracelular
Se fusiona con un lisosoma, donde las enzimas degradan a los solutos
Las moléculas más pequeñas resultantes abandonan la célula y se utilizan en otro sitio de la célula
Exocitosis
Proceso mediante el cuál una vesícula se desplaza desde el citoplasma hacia la membrana plasmática, donde descarga su contenido al espacio extracelular.
Generalmente se da en células secretoras y nerviosas
Se forman vesículas formadas por membrana, denominadas vesículas secretoras,
Este canal puede ser activado por ligandos específicos como neurotransmisores u oxido nítrico
Una de las sustancias sigue el gradiente de concentración y otra va en contra
Ambas mantienen la estabilidad de la célula
Ambos participan en la señalización celular
Todos estos procesos son mediados por complejos receptor-ligando que permiten que la célula responda adecuadamente a cualquier estimulo
La célula que recibe la señal se llama célula blanco. Esto lo logra por medio de receptores.
Función de los receptores
Algunos receptores de superficie son los de los neurotransmisores
Canales iónicos regulados por ligando que controlan de manera directa el flujo de iones a través de la membrana plasmática
Otros receptores de superficie actúan regulando la actividad de proteínas intracelulares.
Transmiten las señales desde el receptor a un conjunto de dianas intracelulares adicionales, que suelen ser factores de transcripción
La unión de un receptor en la superficie de la célula genera una cascada de reacciones intracelulares, que alcanzan al núcleo y da lugar a alteraciones programadas de la expresión genética
Funciones de las principales clases de receptores en la superficie
Proteínas G
Receptores asociados a proteínas g
Las proteínas G son proteínas de señalización intracelular, y reciben su nombre por su capacidad para unirse al GTP.
También
poseen actividad de GTPasa, que les confiere capacidad para hidrolizar el GTP y obtener difosfato de guanosina (GDP).
Tipos
Proteínas G heterotriméricas
Estructura
Están constituidas por tres subunidades: α, β y γ
Señalización con proteínas G
La señalización inicia por la unión de un ligando o una hormona a los receptores acoplados a las proteínas G ancladas a la lámina interna de la membrana.
Esto
permite regular a una enzima específica unida a la membrana.
Los productos de las reacciones catalizadas por las enzimas activadas incluyen segundos mensajeros que amplifican la señal transmitida a la célula
Mecanismo de señalización
La subunidad α se une a los nucleótidos de guanina, que regulan la actividad de la proteína G.
La subunidad α se inactiva (ahora unida al GDP) se reasocia con el complejo βγ. Quedando así listo para un nuevo ciclo.
La subunidad α unida al GTP se disocia de β y γ
Estas últimas permanecen unidas formando un complejo βγ.
Estos complejos permiten que la célula interactúe con sus dianas
En el estado inactivo, α se une al GDP formando un complejo con β y γ.
La unión de la hormona induce un cambio conformacional en el receptor que provoca que la proteína G libere el GDP y se adhiera un GTP.
Proteínas G de la superfamilia Ras
Se denominan “proteínas G pequeñas” debido a que son monómeros que se asemejan a una subunidad α de las proteínas G heterotriméricas
Estas
no regulan enzimas unidas a la membrana o inducen la síntesis de segundos mensajeros
En cambio
Son activadas por el GTP, lo que les permite iniciar una cascada citoplásmica de fosforilación cuya acción final es activar la transcripción genética.
Mecanismo de acción
La unión del ligando a los receptores catalíticos puede inducir la fosforilación de sus residuos de tirosina
Las fosfotirosinas del receptor son sitio de unión para proteínas adaptadoras intracelulares como SHC y Grb2, que contiene regiones conocidas SH2
El factor de intercambio de guanina específico de la Ras, denominado SOS, se une al complejo seguido por la Ras
El complejo SHC-SOS-Ras intercambia GTP por GDP en la Ras, de modo que la activa
La Ras unida al GTP promueve el enlace a la Raf, una proteincinasa de la serina (MAPKKK) y su fosforilación
Una cascada de fosforilación permite que ciertas proteínas se transloquen al núcleo, donde se fosforila a un factor de transcripción
Receptores de citoquinas y proteína-tirosina quinasas no receptoras
Muchos receptores, en vez de tener actividad proteína-tirosina quinasa, actúan estimulando a proteína-tirosina quinasa.
Al igual que los receptores proteína-tirosina quinasas, están constituidos por: un dominio extracelular, una hélice que atraviesa la membrana y un dominio intracelular SIN actividad
Mecanismo de señalización
Este tipo de señalización sigue los mismos pasos, sin embargo, en el último paso se unen quinasas asociadas con los receptores
Estas quinasas activadas fosforilarán al receptor, lo que proporcionará sitios de unión de fosfotirosina para las moléculas señal intracelulares
Por lo tanto
la combinación de los receptores de quinasas más la proteína-tirosina quinasa no receptora asociada, funciona de la misma manera que lo hacen los receptores con actividad catalítica
Receptores catalíticos (receptores proteína citosina quinasa)
A diferencia de los receptores asociados a proteínas G, otros receptores de la superficie celular se encuentran directamente acoplados a enzimas intracelulares.
Los factores de crecimiento, citocinas (factores de crecimiento del sistema inmunitario) y algunas hormonas son moléculas de señalización que recurren a receptores catalíticos
Estructura del receptor
Cada cadena transmembrana única tiene tres dominios:
Una porción de unión al ligando que incluye al segmento aminoterminal (NH2) de la proteína
Un dominio en hélice α que atraviesa la bicapa lipídica.
Una región efectora que se extiende hasta el interior del citoplasma y contiene el dominio catalítico con actividad de tirosincinasa, este es C-terminal
Receptores asociados a otras actividades enzimáticas
Aunque la gran mayoría de los receptores asociados a enzimas estimulan la fosforilación de proteína-tirosinas, algunos receptores se encuentran asociados a otras actividades enzimáticas.
Incluyen
Proteínas tirosina fosfatasas
Quitan grupos fosfato de los residuos de fosfotirosina, actuando de manera opuesta a las proteínas-tirosina quinasas.
actúan como reguladores negativos en las vías de señalización celular, ya que se encargan de interrumpir las señales que se activaron a partir de la fosforilación de las proteína-tirosinas.
Proteínas serina/treonina quinasas
fosforilan residuos de serina/treonina en vez de tirosina.
Esta fosforilación se da en factores de crecimiento específicos que luego permiten la expresión de genes diana.
Guanilato cinasa
Estos receptores catalizan la formación de GMP cíclico
Estos tienen un dominio extracelular de unión al ligando, una hélice α transmembrana, y un dominio citosólico con actividad catalítica.
La unión al ligando estimula la actividad catalítica, dando lugar a la formación de GMP cíclico, un segundo mensajero.
Señalización mediada por canales iónicos
Se encuentran en la membrana post-sináptica de neuronas y en el sarcolema asociado a la placa neuromuscular del músculo esquelético.
Todas las células del organismo presentan una composición iónica diferente con respecto al líquido extracelular,
Los receptores de tipo canal iónico con compuerta operada por ligando tienen un rol fundamental
Convertir una señal química en una
señal eléctrica.
Esta es
La presencia de moléculas de ligando en el espacio
sináptico o en la unión neuromuscular que se unen a sus receptores
Mecanismo de acción
La unión ligando-receptor produce un cambio conformacional que abre el canal, con el consiguiente aumento de la permeabilidad al ion involucrado,
Produciendo
una respuesta inmediata, la difusiónr
de iones a través de la
membrana.
Tipos de receptores de los canales iónicos
Ionotrópicos
El simple contacto con el ligando (neurotransmisor) genera la apertura inmediata del canal
Metabotropicos
Presentan una actuación relativamente lenta, ya que su activación no genera una apertura inmediata del canal si no que desencadena una serie de procesos que terminan llevando a ella.
Esto generará que se active la conocida como proteína G
elemento que puede o bien abrir el canal para que puedan entrar y/o salir determinados iones o bien activar segundos mensajeros
Receptores de las hormonas peptídicas y de los factores de crecimiento