Parte 3 Cap 15 Biologia - PDF

α. Por tanto, aunque la mayoría de los RTK se cree que están 611 15.12 Señalización por el receptor presentes en la superficie celular como los monómeros, los recep- de insulina tores de...

α. Por tanto, aunque la mayoría de los RTK se cree que están 611 15.12 Señalización por el receptor presentes en la superficie celular como los monómeros, los recep- de insulina tores de insulina se presentan como dímeros estables. Como otros RTK, los receptores de insulina son inactivos en ausencia Nuestros cuerpos realizan un esfuerzo considerable en mantener 15.12 Señalización por el receptor de insulina del ligando (figura 15-24a). Un trabajo reciente sugiere que el dí- los niveles de glucosa en sangre dentro de un rango estrecho. Un mero del receptor de insulina se une de forma estrecha a una descenso en los niveles de glucosa en sangre puede conducir a la sola molécula de insulina. Esto causa el reposicionamiento de los pérdida de conciencia y al coma, debido a que el sistema nervioso dominios unidos al ligando en el exterior de la célula, lo cual central depende en gran medida de la glucosa en sangre para su provoca los dominios de la tirosina cinasa en el interior de la cé- metabolismo energético. Una elevación persistente de los niveles lula para que suceda la proximidad física. La yuxtaposición de los de glucosa en sangre resulta en una pérdida de glucosa, fluidos y dominios cinasa conduce a la transautofosforilación y la activa- electrólitos en la orina y graves problemas de salud. Los niveles ción del receptor (figura 15-24b). de glucosa en la circulación son monitoreados por el páncreas. Se han identificado varios sitios de fosforilación de tirosina en Cuando los niveles de glucosa en sangre caen por debajo de un la región citoplásmica del receptor de insulina. Tres de estos sitios cierto nivel, las alfacélulas del páncreas secretan glucagón. Como de fosforilación están presentes en el asa de activación. En el esta- se discutió anteriormente, el glucagón actúa a través de los GPCR do desfosforilado, el asa de activación asume una conformación y estimula la rotura del glucógeno, lo cual resulta en un incre- en la cual ocupa el sitio activo. En la fosforilación de tres residuos mento de los niveles de glucosa en sangre. Cuando ascienden los de tirosina, el asa de activación asume una nueva conformación niveles de glucosa, como ocurre después de una comida rica en lejos de la hendidura catalítica. Esta nueva conformación requiere carbohidratos, las betacélulas del páncreas responden por la se- una rotación de los pequeños y grandes lóbulos del dominio cina- creción de la insulina. Las funciones de la insulina como una mo- sa uno con respecto al otro, por tanto, juntos traen residuos que lécula mensajera extracelular informan a las células que los nive- son esenciales para la catálisis más cercana. Además, las asas de les de glucosa son altos. Las células que expresan los receptores activación al instante permiten la abertura de la hendidura catalí- de insulina en su superficie, como las células en el hígado, res- tica para que los sustratos puedan unirse. Después de la activación ponden a este mensaje por el incremento de la captación de la del dominio cinasa, el receptor fosforila sus residuos de tirosina, glucosa, el aumento del glucógeno, la síntesis de triglicéridos, y/o los cuales se presentan de forma adyacente a la membrana y en la el descenso de la gluconeogénesis. cola del carboxilo terminal (figura 15-24b). El receptor de insulina es una Sustratos del receptor de insulina 1 y 2 proteína-tirosina cinasa La mayoría de los RTK poseen sitios de autofosforilación, los cua- Cada receptor de insulina está compuesto de una cadena α y β, les reclutan de forma directa proteínas de señalización que contie- las cuales se derivan de una única proteína precursora por el pro- nen el dominio SH2 (como en la figura 15-19a, c y d). El receptor cesamiento proteolítico. La cadena α es completamente extrace- de insulina es una excepción de esta regla debido a que se asocia lular y contiene el sitio de unión a insulina. La cadena β está con una pequeña familia de proteínas adaptadoras (figura 15-19b), compuesta de una región extracelular, una sola región transmem- llamadas sustratos receptores de insulina (IRS, insulin-receptor brana, y una región citoplásmica (FIGURA 15-24). Las cadenas α substrates). A su vez, los IRS proporcionan los sitios de unión para y β están unidas por enlaces disulfuro. Dos de estos heterodíme- las proteínas de señalización que contienen dominio de SH2. ros αβ se retienen juntos por enlaces disulfuro entre las cadenas Algunos de los eventos que ocurren durante la señalización de cadena α Insulina Insulina cadena β Transcripción Dominio de genes tirosina cinasa Producción PIP3 Vías de señalización adicional a) b) c) FIGURA 15-24 La respuesta del receptor de insulina a la unión del ligando. a) El receptor de insulina, que se muestra aquí en forma esquemática en el estado inactivo, es un tetrámero, el cual consta de dos subunidades α y dos subunidades β. b) La unión de una sola molécula de insulina a las subunida- des α causa un cambio conformacional en las subunidades β, lo cual acciona la actividad de la tirosina cinasa de las subunidades β. Las subunidades β activadas fosforilan los residuos de tirosina localizados en el dominio citoplásmico del receptor, así como los residuos de tirosina en varios sustratos de receptores de insulina (IRS). c) Una vez unidos al receptor de insulina, se pueden fosforilar varios residuos de tirosina en el IRS y posteriormente servir como sitios de unión para otras proteínas, incluyendo una proteína adaptadora Grb2, una lípido cinasa PI3K u otras proteínas de señalización. La activa- ción de Grb2 conduce a la activación de la vía de Ras y la transcripción de genes, mientras que la activación de PI3K conduce a la producción de PIP3.  612 insulina se muestran en la figura 15-24c. Seguida de la unión del na-treonina cinasa PKB y PDK1. Como se indica en la figura ligando y la activación de la cinasa, el receptor de insulina autofos- 15-25, la PKB (más comúnmente conocida como AKT) desempe- forila la tirosina 960, que luego forma un sitio de unión para los ña una función en la mediación de la respuesta a la insulina, así dominios de unión a la fosfotirosina (PTB, phosphotyrosine binding) como otras señales extracelulares. El reclutamiento de PDK1 a la CAPÍTULO 15 Señalización celular y transducción de señal: comunicación entre células de los sustratos del receptor de insulina. Como se indica en la fi- membrana plasmática, en estrecha proximidad a PKB, proporcio- gura 15-24c), los IRS se caracterizan por la presencia de un domi- na un ajuste en el cual PDK1 puede fosforilar y estimular la acti- nio PH N-terminal, un dominio PTB y una cola larga que contiene vidad de Ser/Thr cinasa de PKB (figura 15-25). Mientras la fosfo- sitios de fosforilación de tirosina. El dominio PH puede interac- rilación por PDK1 es esencial, eso no es suficiente para la tuar con los fosfolípidos presentes en la lámina interna de la mem- activación de PKB. La activación de PKB también depende de la brana citoplasmática, el dominio PTB se une a los sitios de fosfori- fosforilación por una segunda cinasa, mTOR, la cual tiene una lación de la tirosina en el receptor activado, y los sitios de función crucial en la regulación de numerosas actividades celula- fosforilación de la tirosina proveen de sitios de unión a la señali- res. La señalización de PI3K se termina por la eliminación del zación de proteínas que contienen dominio SH2. Al menos cuatro fosfato en la posición 3n en el anillo del inositol por la fosfatasa miembros de la familia IRS se han identificado. Sobre la base de lipídica PTEN (figura 15-25). los resultados obtenidos en los experimentos de bloqueo génico en ratones, se cree que los IRS-1 y los IRS-2 son los más relevantes Transporte de glucosa para la señalización del receptor de insulina. La autofosforilación del receptor de insulina activado de la La PKB está directamente involucrada en la regulación del trans- Tir960 proporciona un sitio de unión para IRS-1 o IRS-2. Sólo porte de glucosa y la síntesis del glucógeno. El transportador de después de una asociación estable tanto con el IRS-1 o el IRS-2, glucosa GLUT4 ejecuta el transporte de glucosa dependiente de es el receptor de insulina activado capaz de fosforilar los residuos insulina desde la sangre (p. 152). En ausencia de insulina, GLUT4 de tirosina presentes en estas proteínas adaptadoras (figura 15- está atrapado en las vesículas membranales de las células sensi- 24c). Tanto IRS-1 como IRS-2 contienen una gran cantidad de bles a la insulina (FIGURA 15-26). Los hallazgos recientes sugieren posibles sitios de fosforilación de tirosina que incluyen los sitios que estas vesículas están unidas a la red cis-Golgi por una proteí- de unión para los dominios SH2 de la señalización de proteínas na llamada TUG, la cual se escinde en respuesta a la insulina, lo corriente abajo, incluyendo PI 3-cinasa, Grb2 y Shp2. que causa que las vesículas GLUT4 se fundan con la membrana La PI 3-cinasa (PI3K) se compone de dos subunidades, una que plasmática, un proceso que se conoce como translocación de contiene dos dominios SH2 y el otro que consta del dominio ca- GLUT4. El incremento en el número de transportadores de glu- talítico (FIGURA 15-25). La PI3K, la cual se activa de forma direc- cosa en la membrana plasmática conduce a un aumento de la ta como consecuencia de la unión de sus dos dominios SH2 a los captación de glucosa (figura 15-26). sitios de la fosforilación de la tirosina, fosforila fosfoinosítidos en El exceso de glucosa que se absorbe por las células musculares la posición 3 del anillo del inositol. Los productos de esta enzima, y hepáticas se almacena en forma de glucógeno. La síntesis de que incluyen el PI3,4-bisfosfato (PI (3,4) P2) y PI 3,4,5-trifosfato glucógeno se efectúa mediante la glucógeno sintasa, una enzima (PIP3), permanecen en la lámina citosólica de la membrana plas- que se desactiva por la fosforilación de los residuos de serina y mática donde proporcionan los sitios de unión para la señaliza- treonina. La glucógeno sintasa cinasa-3 (GSK-3, glycogen synthase ción de proteínas que contiene el dominio PH como la seri- kinase3) ha sido identificada como un regulador negativo de la Membrana Glucosa GLUT4 Membrana plasmática plasmática IR IRS-1 PIP2 PIP3 PIP3 Dominio PH Fusión PI3K PI3K GLUT4 P PDKI Síntesis de proteína PDKI PKB Captación de glucosa Complejo de PKB P MTORC 2 Síntesis de glucógeno FIGURA 15-25 La función de la PI 3-cinasa en la activación de una va- riedad de vías de señalización. La activación de PI3K conduce a la forma- Vesícula ción de fosfoinosítidos unidos a la membrana, incluido el PIP3. Una de las citoplasmática cinasas clave en numerosas vías de señalización es PKB (AKT), que inte- ractúa con PIP3 por medio de un dominio PH en la membrana plasmática. FIGURA 15-26 Regulación de la captación de glucosa en células muscu- Esta interacción cambia la conformación de PKB, convirtiéndolo en un lares y adiposas por la insulina. Los transportadores de glucosa se alma- sustrato por otro PIP3 unido a cinasa a (PDK1), que fosforila PKB. El segun- cenan en las paredes de las vesículas citoplasmáticas que brotan de la do fosfato que se muestra vinculado a PKB se agrega por una segunda ci- membrana plasmática (endocitosis). Cuando se elevan los niveles de insu- nasa, en su mayoría probablemente mTOR. Una vez activado, PKB se diso- lina, se transmite una señal a través de la vía IRS-PI3K-PKB, que desenca- cia de la membrana plasmática y se mueve en el citosol y el núcleo. La dena la translocación de las vesículas citoplásmicas a la periferia de la cé- PKB es un componente principal de una serie de vías de señalización se- lula. Las vesículas se fusionan con la membrana plasmática (la exocitosis), paradas que median en la respuesta a la insulina. Estas vías conducen a entregan los transportadores a la superficie de la célula, donde pueden la translocación de los transportadores de glucosa a la membrana plasmá- mediar la captación de la glucosa. Una segunda vía que conduce desde tica, a la síntesis de glucógeno y la síntesis de nuevas proteínas en la cé- el receptor de insulina a la translocación de GLUT4 no se muestra (véase lula. La PKB también desempeña una función clave en la promoción de la Trends Biochem Sci 2006;31:215). supervivencia celular mediante la inhibición de la proteína proapoptótica FUEN&E: D Voet y JG Voet. Biochemistry 1995;2e; copyright 1995, John Bad (p. 623) y/o la activación del factor de transcripción NF-kB (p. 625). Wiley & Sons, Inc. Reproducido con permiso de John Wiley & Sons, Inc. glucógeno sintasa. A su vez, la GSK-3 se inactiva después de la cariotas, las enzimas son proteínas transmembrana con un domi- 613 fosforilación por PKB. Así, la activación de la vía PI 3-cinasa-PKB nio extracelular, que actúa como un receptor para el estímulo en respuesta a la insulina conduce a una disminución en la acti- externo y un dominio cinasa histidina citoplásmico que transmite vidad de la GSK-3 cinasa, lo que provoca un aumento en la ac- la señal al citoplasma. Uno de los mejores estudios de estas pro- 15.14 La función del calcio como un mensajero intracelular tividad de la glucógeno sintasa (figura 15-25c). La activación de teínas de plantas es codificado por el gen Etr1. El producto del la proteína fosfatasa 1, una enzima conocida por desfosforilar la gen Etr1 codifica un receptor para el gas etileno (C2H4), una hor- glucógeno sintasa, contribuye en mayor medida a la activación de mona vegetal que regula una diversidad de procesos de desarro- la glucógeno sintasa (figura 15-14). llo, incluyendo la germinación de las semillas, la floración y la maduración de la fruta. La unión del etileno a su receptor condu- Diabetes mellitus ce a la transmisión de señales a lo largo de una vía que es muy similar a la cascada MAP cinasa encontrada en las células de la Una de las enfermedades humanas más comunes, la diabetes me- levadura y los animales. Como en otras eucariotas, los blancos llitus, es causada por defectos en la señalización de la insulina. La corriente abajo de la vía de la MAP cinasa en las plantas son fac- diabetes se presenta en dos variedades: la tipo 1, la cual represen- tores de transcripción que activan la expresión de genes específi- ta de 5-10% de los casos, y la tipo 2, cuyos valores representan cos de codificación de proteínas requeridos para la respuesta a la entre 90 y 95%. La diabetes tipo 1 se origina por la incapacidad hormona. Como los investigadores analizan la cantidad masiva para producir insulina y se discute en 17.3 “La perspectiva huma- de datos obtenidos de la secuenciación Arabidopsis y de otros ge- na”. La diabetes tipo 2 es una enfermedad mucho más compleja, nomas de planta, las similitudes y diferencias entre las vías de cuya incidencia es creciente en todo el mundo con una tasa alar- señalización de las plantas y los animales deberían aparecer más. mante. La incidencia en ascenso de la enfermedad es más proba- ble debido a los cambios en los estilos de vida y los hábitos alimen- ticios. Una dieta alta en calorías combinada con un estilo de vida REPASO sedentario se considera que conduce a un incremento crónico de 1. ¿Qué tipos de proteínas de señalización son comunes en los la secreción de insulina. Los niveles elevados de insulina sobrees- animales, pero están ausentes de las células de los animales, timulan las células blanco en el hígado y en otras partes del cuer- y viceversa? po, que conducen a una condición referida como resistencia a la insulina, en la cual estas células blanco detienen la respuesta en presencia de la hormona. Esta variación conduce a la elevación 15.14 La función del calcio como crónica de los niveles de glucosa en sangre, lo cual estimula que el un mensajero intracelular páncreas secrete incluso más insulina, estableciendo un ciclo vi- cioso que en última instancia conduce a la muerte de las betacélu- Los iones de calcio desempeñan una función importante en una las secretoras de insulina del páncreas. La mayoría de los riesgos notable variedad de actividades celulares, incluso en la contrac- para la salud debido a la diabetes —enfermedad cardiovascular, ción del músculo, la respuesta inmunitaria, la división celular, la ceguera, enfermedad renal y una reducción de la circulación a las secreción, la fertilización, la transmisión sináptica, el metabolis- extremidades que conlleva a las amputaciones— se deben al daño mo, la transcripción, el movimiento celular y la muerte celular. a los vasos sanguíneos del cuerpo, pero el mecanismo molecular En cada uno de estos casos, se recibe un mensaje extracelular por por el cual la resistencia a la insulina y sus consiguientes efectos la superficie de la célula y esto conduce a un dramático incremen- metabólicos conducen a esta condición están sujetos a debate. to de la concentración de iones de calcio dentro del citosol. La concentración de iones de calcio en un compartimiento celular REPASO particular es controlada por la actividad regulada de las bombas 2+ 2+ de Ca , los intercambiadores Ca , y/o los canales de iones de 1. Describa los pasos entre la unión de una molécula de insulina 2+ Ca ubicados dentro de las membranas que rodean el comparti- en la superficie de una célula blanco y la activación del efec- miento (como en la figura 15-28). La concentración de iones de tor PI3K. ¿Cómo la acción de la insulina difiere de otros ligan- 2+ Ca en el citosol de una célula en reposo se mantiene en niveles dos que actúan por medio del receptor tirosina cinasa? –7 muy bajos, generalmente alrededor de 10 M. Por el contrario, la 2. ¿Cuál es la relación entre la diabetes tipo 2 y la producción de insulina? ¿Cómo un medicamento que aumenta la sensibilidad concentración de este ion en el espacio extracelular o dentro de a la insulina podría ayudar a tratar esta enfermedad? la luz del ER o una vacuola de una célula de una planta es típica- mente 10 000 veces más alto que el citosol. El nivel de calcio cito- sólico se mantiene muy bajo porque 1) los canales de iones de 2+ Ca tanto en el plasma como en las membranas ER normalmen- 15.13 Vías de señalización en las plantas te se mantienen cerrados, lo que causa que estas membranas sean altamente impermeables a este ion, y 2) sistemas de transporte de 2+ Las plantas y los animales comparten ciertos mecanismos básicos Ca impulsado del plasma y las membranas del ER bombean 2+ 2 de señalización, incluyendo el uso del Ca y los mensajeros fos- calcio fuera del citosol. La elevación anormal de la concentración 2+ foinosítidos, pero otras vías son únicas para cada reino en parti- del Ca citosólico, como puede ocurrir en las células cerebrales cular. Por ejemplo, los nucleótidos cíclicos, los cuales pueden ser después de una enfermedad cerebrovascular, puede conducir a el mensajero celular animal más ubicuo, parece que desempeñan una muerte celular masiva. una pequeña función en la señalización celular en la planta, si es que existe. Los receptores tirosinas cinasas también están ausen- IP3 y los canales de Ca2+ activados tes en las células de la planta. Por otro lado, las plantas contienen por voltaje un tipo de proteína cinasa, la cual no está presente en las células de los animales. Se han descrito en las páginas anteriores dos tipos principales de Se sabe desde hace tiempo que las células bacterianas tienen receptores de señalización, los GPCR y RTK. Se observó en la una proteína cinasa, la cual fosforila los residuos de histidina y media la respuesta de la célula a una variedad de señales ambien- tales. Hasta 1993 se pensaba que estas enzimas estaban restringi- 2 La mitocondria también desempeña una función importante en el secues- das a las células bacterianas, pero luego se descubrieron tanto en tro y liberación de los iones de Ca2+, pero su actividad fue considerada en el la levadura como en las plantas de flores. En ambos tipos de eu- capítulo 5 y no se discutirá aquí.  614 página 597 que la interacción de una molécula mensajera extrace- lular con un GPCR puede conducir a la activación de la enzima fosfolipasa C-β, la cual hidroliza el fosfoinosítido PIP2, para libe- rar la molécula IP3, que abre los canales del calcio en la membra- 2+ CAPÍTULO 15 Señalización celular y transducción de señal: comunicación entre células na del ER, lo que conlleva a un aumento del [Ca ] citosólico. Los mensajeros extracelulares que emiten señales a través de los RTK pueden generar una respuesta similar. La diferencia primaria es que los RTK activan los miembros de la subfamilia fosfolipasa C-γ, la cual posee un dominio SH2 que les permite la unión al RTK fosforilado y desactivado. Existen muchas otras isoformas de 2+ PLC. Por ejemplo, PLC% se activa por los iones Ca , y PLCε es activado por Ras-GTP. Todas las isoformas de PLC efectúan la misma reacción, produciendo IP3 y enlazando una multitud de 2+ receptores de la superficie de la célula para incrementar el Ca citoplasmático. Existe otra ruta principal que conduce a la eleva- 2+ ción del [Ca ] citosólico, el cual se abordó en la discusión de la transmisión sináptica en la sección 4.18. En este caso, un impulso nervioso conduce a una despolarización de la membrana plasmá- tica, lo que desencadena la abertura de los canales del calcio acti- vados por voltaje en la membrana plasmática, que permite la 2+ afluencia de iones de Ca del medio extracelular. Visualización de la concentración de Ca2+ citoplasmático en las células vivas Nuestra comprensión de la función de los iones de Ca2+ en las respuestas celulares ha avanzado mucho por el desarrollo de mo- léculas indicadoras que emiten luz en presencia de calcio libre. A mediados de la década de 1980, nuevos tipos de compuestos alta- mente sensibles, fluorescentes, que se unen al calcio (p. ej., fu- ra-2) se desarrollaron en el laboratorio de Roger Tsien en la Universidad de California, San Diego. Estos compuestos se sinte- tizan en una forma que puede entrar a una célula por difusión a través de su membrana plasmática. Una vez dentro de la célula, el compuesto se modifica a una forma que es incapaz de salir de la FIGURA 15-27 Demostración experimental de liberación localizada de Ca2+ intracelular dentro de una dendrita de una neurona. El mecanismo célula. Con el uso de estas sondas, la concentración de iones libres de liberación del Ca2+ mediado por IP3 fue descrito en la figura 15-10. En la de calcio en diferentes partes de una célula viva puede determi- micrografía que se muestra aquí, la cual representa una imagen del enor- narse por el monitoreo de la luz que emiten con el empleo de un me complejo de células de Purkinje (neurona) del cerebelo, los iones de microscopio fluorescente y técnicas de imágenes computarizadas. calcio han sido liberados localmente en una pequeña porción del comple- El uso de moléculas sensibles al calcio que emiten luz, ha provisto jo “árbol dendrítico”. La liberación de calcio del ER (que se muestra en ro- de retratos impresionantes de los complejos espaciales y cambios jo) se indujo en la dendrita luego de la producción local de IP3, que siguió a la activación repetitiva de una sinapsis cercana. Los sitios de liberación temporales en la concentración de calcio citosólico libre, que ocu- de los iones Ca2+ citosólico son revelados por la fluorescencia de un in- rre en una célula en respuesta a varios tipos de estímulos. Esta es dicador de calcio fluorescente o que se cargó en la célula antes de su una de las ventajas del estudio de respuestas mediadas por el estimulación. calcio comparado a las respuestas mediadas por otros tipos de FUEN&E: Tomada de Elizabeth A Finch y George J Augustine. Nature (396), mensajeros, cuya ubicación en una célula no puede ser fácilmen- portada del 24/12/98. Reimpreso con permiso de Macmillan Publishers te visualizada. Limited. Dependiendo del tipo de célula que responde, un estímulo particular puede inducir oscilaciones repetitivas en la concentra- 2+ ción de iones de calcio libre, como se muestra en la figura 15-11; mento de los niveles de Ca después de la llegada de un poten- 2+ provocar la liberación de una onda de Ca que se extiende de un cial de acción. Las mutaciones en la isoforma RyR cardiaca se han extremo a otro de la célula (véase figura 15-29); o desencadenar relacionado con la ocurrencia de muerte súbita durante los perio- 2+ una liberación localizada y transitoria de Ca en una parte de la dos de ejercicio. Dependiendo del tipo de célula en la cual se célula. En la FIGURA 15-27 se detalla una célula de Purkinje, un encuentran, los RyR pueden abrirse por una variedad de agentes, tipo de neurona en el cerebelo del mamífero que mantiene con- incluido el calcio por sí mismo. La afluencia de una cantidad limi- tacto sináptico con miles de otras células mediante una red elabo- tada de calcio a través de los canales abiertos en la membrana rada de dendritas postsinápticas. La micrografía en la figura 15- plasmática induce la abertura de los receptores de rianodina en el 2+ 27 muestra la liberación de calcio libre en una región localizada ER, causando la liberación del Ca en el citosol (FIGURA 15-28). del “árbol dendrítico” de la célula luego de la activación sináptica. Este fenómeno se llama liberación de calcio inducida por calcio (CICR, La explosión de la liberación de calcio permanece restringida a calcium-induced calcium release). esta región de la célula. Las señales extracelulares que se transmiten por los iones 2+ Los receptores IP3 descritos anteriormente son uno de los dos Ca generalmente actúan abriendo un número pequeño de cana- 2+ 2+ tipos principales de canales de iones Ca presentes en la mem- les de iones Ca en la superficie de la célula al sitio de los estímu- 2+ brana del ER; el otro tipo se denomina receptores de rianodina los. Como los iones Ca se precipitan a través de estos canales y (RyR, ryanodine receptors) porque se unen al alcaloide de la planta entran al citosol, ellos actúan próximos a los canales de iones 2+ tóxica rianodina. Los receptores de rianodina se encuentran prin- Ca en el ER, lo cual causa que estos canales se abran y liberen cipalmente en las células excitables y se estudian mejor en las calcio adicional dentro de las regiones adyacentes del citosol. En 2+ células musculares cardiacas y esqueléticas, donde median el au- algunas respuestas, la elevación de los niveles de Ca restantes  Alto [Ca2+] contacto del espermatozoide con la membrana plasmática del 615 huevo (FIGURA 15-29). La repentina elevación de la concentra- ción del calcio citoplasmático, luego de la fertilización, desenca- Ca2+ dena una serie de eventos, incluyendo la activación de las cinasas 3Na+ ICa2+ 15.14 La función del calcio como un mensajero intracelular Canal del dependientes de ciclina (sección 14.4) que transporta el cigoto Ca2+ hacia su primera división mitótica. activado Intercambiador La investigación reciente en el campo de la señalización del por voltaje Na+/Ca22+ calcio se ha centrado en un fenómeno conocido como entrada de 2+ Ca operada por depósitos intracelulares (SOCE, store-operated cal- cium entry), en la que el “depósito” se refiere a los iones de calcio almacenados en el ER. Durante los periodos de respuestas celula- res repetidas, la acumulación de iones intracelulares de calcio al- Membrana plasmática macenados puede agotarse. Durante la SOCE, la depleción de los Bajo 1 [Ca2+] 5 niveles de calcio en el ER desencadena una respuesta que condu- ce a la abertura de los canales del calcio en la membrana plasmá- tica como se indica en la FIGURA 15-30. Una vez que estos canales 2+ se han abierto, los iones de Ca pueden ingresar al citosol desde 3 donde pueden bombearse de regreso al ER, de ese modo se repo- 2 nen las reservas de calcio del ER. El mecanismo responsable de la Ca2+ SOCE había sido un misterio no resuelto durante muchos años hasta que se descubrió que estos eventos están orquestados por sistemas de señales que operan entre el ER y la membrana plas- 2+ mática. En este sistema, la disminución del Ca en el ER conduce a la agrupación dentro de la membrana del ER de una proteína 2+ sensible al Ca denominada STIM1, en regiones donde el ER y 4 las membranas plasmáticas entran en proximidad estrecha una Alto [Ca2+ ] de la otra (25-50 nm). Luego de su reordenamiento en la membra- na del ER, los grupos STIM1 actúan para reclutar las subunidades de una proteína de la membrana plasmática llamada Orai1 en SER Bomba de regiones adyacentes de la membrana plasmática (figura 15-30). membrana Ca2+ del SER 2+ Orai1 es un canal tetramérico de iones Ca , el cual se había iden- FIGURA 15-28 Liberación de calcio inducida por calcio, como ocurre en tificado como involucrado en un tipo particular de deficiencia 2+ una célula muscular cardiaca. Una despolarización en el voltaje de la inmunitaria humana heredada, que resulta en una falta de Ca membrana provoca la abertura de canales del calcio activados por voltaje almacenado en los linfocitos T. El contacto entre las superficies en la membrana plasmática, lo que permite la entrada de una pequeña citosólicas de las proteínas STIM1 y Orai1 en estas uniones cantidad de Ca2+ en el citosol (paso 1). Los iones de calcio se unen a los de membrana plasmática-ER conduce a la abertura de los cana- receptores de rianodina en la membrana SER (paso 2), lo que conduce a 2+ les Orai1, la afluencia de Ca en los microdominios del citosol la liberación del Ca2+ almacenado en el citosol (paso 3), y desencadena la contracción de la célula. Los iones de calcio se eliminan posteriormente cerca de los grupos STIM1, y el rellenado de las células de depó- del citosol mediante la acción de las bombas de Ca2+ situadas en la mem- sito del ER. brana del SER (paso 4) y un sistema de transporte secundario de Na+/Ca2+ en la membrana plasmática (paso 5), lo cual permite la relajación. Este ci- Proteínas de unión al Ca2+ clo se repite después de cada latido del corazón. FUEN&E: Michael Berride. Nature 1993;361:317. Reimpreso con permiso de A diferencia del cAMP, cuya acción generalmente está mediada Macmillan Publishers Ltd. por la estimulación de una proteína cinasa, el calcio puede afectar una serie de diferentes tipos de efectos celulares, incluidas las proteínas cinasas (tabla 15-4). En dependencia del tipo de célula, se localizan en una región pequeña del citosol (como en la figura los iones de calcio pueden activar o inhibir varias enzimas y sis- 15-27). En otros casos, una onda propagada de calcio se disemina temas de transporte, cambiar la permeabilidad iónica de las a través del compartimiento citoplasmático. membranas inducida por la fusión de membrana, o alterar la es- 2+ Uno de las más impresionantes ondas de Ca ocurre dentro tructura y función del citoesqueleto. El calcio no trae consigo del primer minuto seguido de la fertilización y se induce por el estas respuestas por sí mismo, pero actúa en conjunto con un 15 μm FIGURA 15-29 Onda de calcio en un óvulo de estrella de mar inducida por un espermatozoide fecundante. El óvulo no fecundado se inyectó con un colorante fluorescente sensible al calcio, fertilizado y fotografiado a intervalos de 10 segundos. Se observa que el aumento en la concentración de Ca2+ se extiende desde el punto de entrada del espermatozoide (flecha) a lo largo de todo el óvulo. El color azul indica [Ca2+] libre bajo, mientras que el color rojo indica [Ca2+] libre alto. Una onda de Ca2+ similar en óvulos de mamíferos se desencadena por la formación de IP3 por una fosfolipasa C que se intro- duce en el óvulo por el esperma fecundante. FUEN&E: Cortesía de Stephen A Stricker.  616 Membrana Orai1 (cerrado) número de proteínas de unión al calcio (los ejemplos se refie- plasmática ren en las pp. 291 y 351). La proteína de unión al calcio mejor estudiada es la calmodulina, la cual participa en muchas vías de señalización. CAPÍTULO 15 Señalización celular y transducción de señal: comunicación entre células De modo general la calmodulina se encuentra en las plantas, Citosol los animales y en los microorganismos eucariotas, y tiene virtual- mente la misma secuencia de aminoácido de un extremo del espectro eucariótico al otro. Cada molécula de calmodulina (FI- GURA 15-31) contiene cuatro sitios de unión para el calcio. La calmodulina no tiene suficiente afinidad para unirse al ion de STIM1 ER membrana Ca2+ 2+ Ca en una célula no estimulada. Sin embargo, si la concentra- 2+ Depleción de los ción de Ca se eleva en respuesta a un estímulo, los iones se depósitos de Ca2+ unen a la calmodulina, cambiando la configuración de la proteína e incrementando su afinidad por una variedad de efectos. Orai1 (aberto) Dependiendo del tipo de célula, el complejo calcio-calmodulina 2+ (Ca -CaM) puede unirse a una proteína cinasa, un nucleótido cíclico fosfodiesterasa, canales iónicos, o incluso al sistema de transporte del calcio de la membrana plasmática. En última ins- Citosol tancia, ante los niveles elevados de calcio activado por el sistema responsable de la célula de exceso de cantidades de ion, este constituye un mecanismo regulador que mantiene las concentra- 2+ ciones bajas de calcio intracelular. El complejo Ca -CaM también puede estimular la transcripción génica mediante la activación de FIGURA 15-30 Un modelo para la entrada de calcio operada por depó- diversas proteínas cinasas (CaMK) que fosforilan los factores 2+ sito. Cuando la luz del ER contiene abundantes iones de Ca , las proteí- de transcripción. En el caso mejor estudiado, una de estas proteí- nas STIM1 de la membrana ER y las proteínas Orai1 de la membrana plas- nas cinasas fosforila CREB en el mismo residuo de serina que mática están situadas de forma difusa en sus respectivas membranas, y el PKA (figura 15-14). canal del calcio Orai1 está cerrado. Si las reservas del ER se agotan, un sistema de señalización funciona entre las dos membranas, lo que causa que las dos proteínas se agrupen dentro de sus respectivas membranas en estrecha proximidad entre sí. La interacción aparente entre las dos proteínas de membrana conduce a la abertura del canal Orai1 y al influjo de los iones Ca2+ en el citosol desde donde pueden bombearse a la luz del ER. TABLA 15-4 Ejemplos de proteínas de mamíferos activadas por Ca2+ Proteína Función proteínica Troponina C Modulador de la contracción del músculo Calmodulina Modulador ubicuo de proteínas cinasas y otras enzimas (MLCK, CaM cinasa II, adenilil ciclasa I) Calretinina, retinina Activador de la guanilil ciclasa Calcineurina B Fosfatasa Calpaína Proteasa PLC específico PI Generador de IP3 y diacilglicerol Alfaactinina Proteína de unión a la actina Anexina Implicada en la endo y exocitosis, y en la in- hibición de la PLA2 Fosfolipasa A2 Productor del ácido araquidónico Proteína cinasa C Proteína cinasa ubicua Gelsolina Proteína cortadora de filamento de actina 2+ Receptor IP3 Efector de la liberación de Ca intracelular Receptor de rianodi- Efector de la liberación de Ca2+ intracelular na Intercambiadores Efector del intercambio de Ca2+ por Na+ a Na+/Ca2+ través de la membrana plasmática Ca2+ ATPasa 2+ Bombea Ca a través de las membranas Antiportadores Ca2+ Intercambiador de Ca2+ por los iones mono- valentes Caldesmon Regulador de la contracción del músculo Villina Inductor de actina FIGURA 15-31 Calmodulina. Un diagrama en cinta de la calmodulina Arrestina Terminador de la respuesta fotorreceptora (CaM, calmodulin) con cuatro iones de calcio unidos (esferas blancas). Calsecuestrina Tampón de Ca2+ La unión de estos iones Ca2+ cambia la conformación de la calmodulina, exponiendo una superficie hidrofóbica que promueve la interacción de Adaptado de DE Clapham. Cell 1995;80:260, con permiso de Cell Press. Ca2+—CaM con un gran número de proteínas blanco. Reproducido con permiso de Cell Press en el formato de reutilización en un FUEN&E: Cortesía de Michael Carson, Universidad de Alabama en libro/libro de texto a través de Copyright Clearance Center. Birmingham.  Célula protectora 617 H2O H2O H2O H2O H2O 15.15 Convergencia, divergencia y comunicación cruzada entre diferentes vías de señalización Cierre del poro estomático H2O H2O H2O H2O H2O + + K K Membrana Cl−, NO3− Ca 2+ plasmática 1 Poro estomático Canal de Canal de Canal de salida de K+ 4 eflujo de K+ eflujo Célula (abierto) (cerrado) 3a 3b de anión protectora (abierto) 2+ Ca 2 Tonoplasto Vacuola a) b) FIGURA 15-32 Un modelo simplificado de la función de Ca2+ en el cierre de la célula protectora. a) Fotografía de los poros de estomas, cada uno flan- queado por un par de células protectoras. Los estomas se mantienen abiertos debido a que la presión de la turgencia se mantiene alta dentro de las cé- lulas protectoras, causando que se abulten hacia afuera como se observa aquí. b) Uno de los factores que controlan el tamaño del poro somático es la hormona ácido abscísico (ABA, abscisic acid). Cuando los niveles de ABA aumentan, se abren los canales iónicos del calcio en la membrana plasmática, lo cual permite el influjo de Ca2+ (paso 1), que desencadena la liberación de Ca2+ desde los almacenes internos (paso 2). La elevación subsiguiente de Ca2+ intracelular cierra el influjo de los canales del K+ (paso 3a) y abre la salida de canales del K+ y aniones (paso 3b). Estos movimientos iónicos condu- cen a una caída en la concentración interna de solutos y a la pérdida osmótica de agua (paso 4). (La fosforilación por las proteínas cinasas también des- empeñan una función en estos eventos.) FUEN&E: Dr Jeremy Burgess/photo Researchers, Inc. Regulación de las concentraciones de calcio de flujo de iones K+ y aniones (NO3– y Cl–) y una disminución re- sultante en la presión de turgor. en las células de las plantas Los iones de calcio (que actúan en conjunción con la calmoduli- REPASO na) son importantes mensajeros intracelulares en las células de 1. ¿Cómo se mantiene el [Ca2+] del citosol en un nivel bajo? las plantas. Los niveles de calcio citosólico cambian de forma dra- ¿Cómo cambia la concentración en respuesta al estímulo? mática dentro de ciertas células de las plantas en respuesta a una 2. ¿Cuál es la función de las proteínas que se unen al calcio, co- variedad de estímulos, incluyendo los cambios en la luz, la pre- mo la calmodulina, para suscitar una respuesta? sión, la gravedad y la concentración de las hormonas de las plan- 3. Describa la función del calcio en la mediación del diámetro de 2+ tas así como el ácido abscísico. La concentración de Ca en el los estomas en las células protectoras. citosol de una célula vegetal en reposo se mantiene muy bajo por la acción de las proteínas transportadoras situadas en la membra- na plasmática y en la membrana de la vacuola (tonoplasto). 2+ La función del Ca en la señalización de una célula de planta 15.15 Convergencia, divergencia se ilustra en las células protectoras que regulan el diámetro de los y comunicación cruzada entre diferentes poros microscópicos (estomas) de una hoja (FIGURA 15-32a). Los vías de señalización estomas son los principales sitios de pérdida de agua en las plan- tas, y el diámetro de su abertura es controlado de forma estrecha, Las vías de señalización descritas anteriormente e ilustradas de el cual previene la deshidratación. El diámetro de un poro del forma esquemática en varias figuras representan las vías lineales estoma decrece como la presión del fluido (turgor) disminuye en que conducen de manera directa desde un receptor en la super- las células protectoras. A su vez, la caída de la presión de turgor ficie de la célula hasta un blanco final. De hecho, realmente las es causada por una disminución en la concentración iónica (os- vías de señalización en la célula son mucho más complejas. Por molaridad) de la célula protectora. Las condiciones adversas co- ejemplo: mo las altas temperaturas y la baja humedad estimulan la libera- ción de la hormona de estrés vegetal ácido abscísico. Los estudios Las señales de varios receptores no relacionados, cada uno sugieren que el ácido abscísico se une al GPCR en la membrana unido a su propio ligando, pueden converger para activar un plasmática de las células protectoras, desencadenando la abertura efector común, como Ras o Raf. 2+ de los canales iónicos del Ca en la misma membrana (figura 15- Las señales del mismo ligando, como EGF o insulina, pueden 2+ 32b). La afluencia resultante de Ca en el citosol provoca la libe- divergir para activar una variedad de efectores y vías diferen- 2+ ración del Ca adicional intracelular almacenado. La concentra- tes, lo que conduce a diversas respuestas celulares. 2+ ción de Ca citosólico elevado conduce al cierre de los canales de Las señales se pueden pasar hacia atrás o hacia adelante entre + salida de K en la membrana plasmática y la abertura de ambos diferentes vías, un fenómeno conocido como comunicación + canales de flujo del K y aniones. Estos cambios producen una red cruzada.  618 Estas características de las vías de señalización celular se ilustran unir a ligandos muy diferentes, todos ellos pueden conducir a en forma de esquema en la FIGURA 15-33. la formación de fosfotirosinas en sitios de fijación para el do- Las vías de señalización proporcionan un mecanismo para minio SH2 de la proteína adaptadora Grb2 en proximidad encaminar la información a través de una célula, no en la misma estrecha a la membrana plasmática (FIGURA 15-34). El reclu- CAPÍTULO 15 Señalización celular y transducción de señal: comunicación entre células medida en que el sistema nervioso central transporta informa- tamiento del complejo Grb2-Sos causa la activación de Ras y ción hacia y desde los diversos órganos del cuerpo. Así como el la transmisión de señales por la vía de la MAP cinasa. Como sistema nervioso central colecta información del medio ambiente consecuencia de esta convergencia, las señales procedentes desde varios órganos de los sentidos, la célula recibe información de diversos receptores pueden conducir a la transcripción y de su medio ambiente a través de la activación de varios recepto- traducción de un conjunto similar de genes promotores del res de la superficie, los cuales actúan como sensores para detectar crecimiento en cada célula blanco. el estímulo extracelular. Como los órganos de los sentidos que 2. Divergencia. La evidencia de señales divergentes ha sido evi- son sensibles a formas específicas de estímulo (p. ej., la luz, la dente prácticamente en todos los ejemplos de la transducción presión o las ondas sonoras), los receptores de las superficies ce- de señales descritos en este capítulo. Una mirada rápida a la lulares pueden unirse sólo a ligandos específicos y no son afecta- figura 15-15 o 15-25b,c) ilustra cómo un simple estímulo —un dos por la presencia de gran variedad de moléculas no relaciona- ligando que se une a un GPCR o un receptor de insulina— das. Una sola célula puede tener docenas de receptores diferentes envía señales a lo largo de una variedad de vías diferentes. enviando señales de forma simultánea al interior de la célula. Una 3. Comunicación cruzada. En las secciones previas, se examinó vez que se han transmitido dentro de la célula, las señales de es- un número de vías de señalización como si cada una funcio- tos receptores pueden ser conducidas de forma selectiva a lo lar- nara como una cadena de eventos independiente y lineal. De go de numerosas vías de señalización diferentes, que pueden hecho, los circuitos de información que funcionan en las célu- causar que una celula se divida, cambie de forma, active una vía las son más probablemente comparados con una web interco- metabólica particular, o incluso cometa suicidio (se discute en la nectada en los cuales los componentes producidos en una vía siguiente sección). En este sentido, la célula integra la informa- pueden participar en eventos que ocurren en otras vías. ción obtenida de diferentes fuentes y organiza una respuesta Cuanto más se aprende sobre la señalización de la informa- apropiada y comprensiva. ción en las células, más se descubre sobre la comunicación Diferentes vías de señalización a menudo están interconecta- cruzada entre las vías de señalización. Más que intentar cata- das. Como resultado, las señales de una variedad de ligandos no logar los modos en que pueden pasar la información de atrás relacionados pueden converger para activar un efector común, tal hacia adelante dentro de una célula, se observará un ejemplo como Ras; las señales del mismo ligando pueden divergir para ac- que implica el cAMP, el cual ilustra la importancia de este tipo tivar una variedad de efectores diferentes, y las señales pueden de comunicación cruzada. pasar atrás y avanzar entre vías diferentes (comunicación cruzada). El AMP cíclico se representó anteriormente como un inicia- Los siguientes casos son ejemplos de los tipos de interacciones. dor de una reacción en cascada que conduce a la movilización de 1. Convergencia. Se han analizado dos tipos distintos de recep- la glucosa. Sin embargo, el cAMP también puede inhibir el creci- tores de superficie celular en este capítulo: los receptores aco- miento de una variedad de células, incluidos los fibroblastos y las plados a la proteína G y los receptores tirosina cinasas. En el células grasas, bloqueando las señales transmitidas a través de la capítulo 7 se analizó otro tipo de receptor de superficie celular cascada MAP cinasa. Se considera que el AMP cíclico efectúa esto que es capaz de realizar la transducción de señal llamado in- por la activación de PKA, la cinasa dependiente de cAMP, la cual tegrinas. Aunque estos tres tipos de receptores se pueden puede fosforilar e inhibir Raf, la proteína que encabeza la cascada Receptores acoplados a proteína G Acetilcolina, histamina NA, 5-HT, ATP, PAF, TXA2, glutamato, angiotensina II, R vasopresina, bradicinina, sustancia P, bombesina, III neuropéptido Y, trombina, G colecistocinina, endotelina, II neuromedina, TRH, GnRH, I PTH Odorantes, luz PLCβ IP3 IP3R Ca2+ PIP2 Receptores ligados a tirosina cinasa PLCγ DAG PKC Actividad P celular y PDGF, mitogénesis EGF, etc. PI3K PIP3 P Ras MAP GAP Raf cinasa FIGURA 15-33 Ejemplos de convergencia, divergencia y comunicación cruzada entre varias vías de transducción de señales. En este dibujo se mues- tra el croquis de las vías de transducción de señales iniciadas por los receptores que actúan por medio de las proteínas G heterotriméricas y las proteí- nas tirosina cinasa receptora. Los dos se han visto converger por la activación de diferentes isoformas de la fosfolipasa C, que conducen a la producción de los mismos segundos mensajeros (IP3 y DAG). La activación del RTK por PDGF o EGF conlleva a la transmisión de señales a lo largo de tres vías dife- rentes, un ejemplo de divergencia. La comunicación cruzada entre los dos tipos de vías se ilustran por los iones de calcio, los cuales se liberan del SER por la acción de IP3 y luego pueden actuar sobre varias proteínas, incluida la proteína cinasa C (PKC), cuya actividad también es estimulada por DAG. FUEN&E: MJ Berridge. Reimpreso con permiso de Nature 1993;(361):315, copyright 1993. Nature por Nature Publishing Group. Reproducido con permiso de Nature Publishing Group en el formato de reutilización en un libro/libro de texto vía Copyright Clearance Center.  Factores de Factor 619 crecimiento, p. ej., Receptor de Matriz extracelular Neurotransmisores EGF, PDGF EGF crecimiento hormonas, factores Epinefrina 15.16 La función del NO como mensajero intercelular de crecimiento Receptor betaadrenérgico Receptor Ras Integrina SH2 GTP acoplado P P a proteína Receptor tirosina cinasa P P Sos G cA cAMP Grb2 Sos Sos Sos PKA + – Grb2 Grb2 Grb2 MAPKK Raf Ras MAPK + cinasa Cascada MAP cinasa Rsk-2 PKA FIGURA 15-34 Señales transmitidas desde un receptor acoplado a pro- teína G, una integrina y un receptor tirosina cinasa. Todos convergen en Factor de transcripción Ras, y son luego transmitidos a lo largo de la cascada MAP cinasa. P P CREB MAP cinasa (FIGURA 15-35). Estas dos vías también se cruzan en CREB CREB Actividad del gen otro efector de señalización importante, el factor de transcripción CRE CREB, que se describió en la página 600 como un efector termi- nal de las vías mediadas por cAMP. Se asumió durante años que FIGURA 15-35 Un ejemplo de comunicación cruzada entre dos principa- CREB sólo podría ser fosforilado por PKA, la cinasa dependiente les vías de señalización. El AMP cíclico actúa en algunas células, por me- de cAMP. Desde entonces se ha hecho evidente que CREB es un dio de la cinasa PKA dependiente de cAMP, para bloquear la transmisión sustrato de un rango mucho más amplio de cinasas. Por ejemplo, de señales de Ras a Raf, que inhibe la activación de la cascada MAP cina- sa. Además, tanto PKA como las cinasas de la cascada MAP cinasa fosfo- una de las cinasas que fosforila CREB es Rsk-2, la cual se activa rilan el factor de transcripción CREB en el mismo residuo de serina, acti- como resultado de la fosforilación por MAPK (figura 15-35). De vando el factor de transcripción y permitiendo que se una a sitios hecho, tanto la PKA como Rsk-2 fosforilan CREB exactamente en específicos en el DNA. el mismo residuo de aminoácido, Ser133, el cual debe dotar al factor de transcripción con el mismo potencial en ambas vías. las proteínas de señalización pueden interactuar. Pero no es pro- Una gran pregunta sin respuesta se plantea por estos ejemplos bable que las variaciones en las isoformas y los andamios puedan de convergencia, divergencia y comunicación cruzada: ¿cómo se explicar completamente la extraordinaria diversidad de respuestas diferencian los estímulos capaces de evocar respuestas distintas, a celulares, más que las diferencias en las estructuras de las neuro- pesar de que utilizan vías similares? Por ejemplo, PI3K es una en- nas pueden explicar el rango de respuestas evocadas por el siste- zima que se activa por una notable variedad de estímulos, incluida ma nervioso. Con suerte, como las vías de señalización de más la adhesión celular a ECM, insulina y EGF. ¿Cómo la activación de