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Te. 14. Comunicación celular Notas de las diapositivas Diapositiva 1 En un organismo multicelular, las células deben trabajar sincronizadamente para asegurar el correcto funcionamiento de todo el organismo. Y como en toda sociedad, la comunicación es básica para las células no solo cuando están form...

Te. 14. Comunicación celular Notas de las diapositivas Diapositiva 1 En un organismo multicelular, las células deben trabajar sincronizadamente para asegurar el correcto funcionamiento de todo el organismo. Y como en toda sociedad, la comunicación es básica para las células no solo cuando están formando parte de un organismo multicelular, sino también para organismos unicelulares incluyendo las bacterias. Para los que tienen curiosidad, la imagen que estamos viendo es una imagen en 3D de la hormona del crecimiento humana y su receptor. El receptor es un homodímero y la hormona (en rojo) se une a cada una de las dos subunidades idénticas (una en verde y la otra en azul), las cuales reconocen diferentes partes de la hormona monomérica. Diapositiva 2 Veremos que el proceso de señalización o comunicación celular es un proceso antiguo que está presente incluso en organismos unicelulares. Identificaremos los tipos de comunicación celular que dependen del contacto entre células y de moléculas secretadas. Identificaremos también los pasos en la señalización celular, principalmente en las células animales pero también mostraremos brevemente que las células vegetales, las plantas, también se comunican entre ellas. Diapositiva 3 La comunicación entre células de un organismo multicelular es evidentemente importante. Si las células no se comunican, no sincronizan sus funciones, el organismo no podría sobrevivir. Es a través de los procesos de señalización que las células tienen información de lo que ocurre en su entorno. Por ello es importante también para los organismos unicelulares, por lo que la comunicación celular debe ser un proceso antiguo, y veremos un ejemplo, el de la ameba Dictyiostelium discoideum. Esta ameba es de vida libre y suele encontrarse en los suelos húmedos de los bosques entre los restos de hojas caídas, alimentándose de bacterias. Cuando las condiciones son óptimas, las amebas unicelulares se alimentan de bacterias, pero cuando las condiciones son adversas y escasea el alimento, las células liberan una señal, AMP cíclico (AMPc) A su vez todas ellas tienen un receptor de AMPc en su membrana. Cuando el AMPc liberado por algunas de las amebas difunde y se une al receptor de las otras, las amebas que reconocen la señal empiezan a moverse y agregarse entre ellas formando un “montículo”. Ahora las amebas empiezan a comportarse como si fueran un solo organismo, a ese estado se le denomina “babosa”, la cual empieza a moverse y las células comienzan a diferenciarse. Luego forman un cuerpo fructífero, algunas de ellas formarán un disco basal con el que se adhieren al suelo, otras formarán parte de un tallo que se alarga y otras se diferenciarán en esporas. Finalmente solo las células que se diferencian en esporas son resistentes a la inanición y las condiciones adversas. Las células que conforman el disco basal y el tallo entran en una muerte celular programada, entran en apoptosis, se sacrifican para que las esporas sean fácilmente dispersadas por el viento, de modo que cuando se encuentran en mejores condiciones ambientales, las esporas nuevamente se diferencian en amebas que podrán alimentarse y dividirse por mitosis. Estas amebas son un modelo muy estudiado porque muestra la transición entre los organismos unicelulares y los organismos multicelulares y hace evidente el papel clave de la señalización en la multicelularidad. Diapositiva 4 Hemos visto el caso de las amebas Dictyostelium discoideum que son organismos eucariotas, pero aquí les presentamos un ejemplo de bacterias que también se comunican entre ellas, que “conversan” entre ellas a través de señales en un proceso conocido como Autoinducción o Quorum sensing en inglés. Vibrio fischeri es una bacteria que produce bioluminiscencia y hace simbiosis con el calamar hawaiano Eupryma scolopes. Las bacterias se alojan en un compartimento especializado en el calamar y cuando se encuentran en altas concentraciones, producen luminiscencia. Cuando el calamar nada en la superficie del mar durante la noche, pasa desapercibido por sus depredadores que están por debajo de la superficie y que podrían detectar su sombra a la luz de la luna y las estrellas, pero la luminiscencia que emite el calamar por la parte de abajo lo camufla con el brillo de las estrellas. Las bacterias se benefician porque cada vez que el calamar caza, los restos orgánicos de sus presas sirven de alimento para las bacterias. Cuando las bacterias están libres, diluidas en el mar, y no concentradas en el compartimento del calamar, las bacterias no producen luminiscencia, no gastan energía en producir luz. Incluso se ha corroborado que cuando se cultivan en el laboratorio en medio de cultivo, cuando están a bajas concentraciones no producen luminiscencia. Pero cuando aumenta el número de bacterias y llegan a cierta concentración sí producen luminiscencia, ¿saben contar las bacterias? La clave está en la percepción de quórum bacteriano o autoinducción (en inglés, quorum sensing) que es un mecanismo de regulación de la expresión genética en respuesta a la densidad de población celular. El hecho de asociarse las bacterias a un espacio pequeño como es el compartimento que presenta el calamar para alojar la bacteria, hace que éstas por quorum sensing promuevan la inducción de los genes responsables de la luminiscencia. A mayor número de bacterias, mayor número de señales En el esquema podemos ver cómo funciona esta autoinducción en la bacteria. La bacteria produce una señal, que es el autoinductor que sale de la bacteria y difunde. Si la bacteria está sola o hay muy pocas, el autoinductor difunde y no llega a otras bacterias. Cuando están juntas muchas bacterias, hay mayor probabilidad de que el autoinductor ingrese a otras bacterias y se una a su receptor intracelular que estaba inactivo. Al unirse el receptor con el autoinductor , el receptor se activa y se une al promotor de los genes relacionados con la luminiscencia y se inicia la transcripción y luego la traducción de las proteínas responsables de la luminiscencia. También se activa el gen del autoinductor, por lo que promueve también la síntesis de más autoinductor, hay una retroalimentación positiva. Cuando están juntas más células, producirán más autoinductor. Si hay más células, hay más señal, se produce luminiscencia. Lo interesante es que esta autoinducción, el Quorum sensing no es exclusivo de estas bacterias luminiscentes marinas. También se ha visto que hay bacterias patógenas que producen las sustancias tóxicas o el efecto patogénico cuando se encuentran en un número mayor y cuando están en número pequeño no provocan daño, ya que rápidamente el sistema inmune las eliminaría y solo cuando alcanzan un número muy grande liberan las sustancias tóxicas y producen enfermedad.. Diapositiva 5 La comunicación puede realizarse entre dos células adyacentes cuando entran en contacto entre ellas. Ya sea conectando sus citoplasmas como ocurre a través de la uniones tipo Gap o conexones en las células animales o a través de los plasmodesmos en las células vegetales que permiten el intercambio de señales entre una célula y otra. También pueden comunicarse dos células que entran en contacto entre sí uniéndose a través de proteínas de reconocimiento entre células. Cuando se produce el reconocimiento entre la proteína integrada en la membrana de una de las células, que hace las veces de señal, con la proteína integrada en la membrana de la otra célula, que hace las veces de receptor, se producirá una respuesta en la célula que tiene la proteína receptora. Diapositiva 6 La forma más común de comunicación entre las células es a través de moléculas que son secretadas por una célula y reconocidas por otras (células blanco o diana) a través de receptores específicos. La comunicación a través de estas señales secretadas puede ser local o producirse a largas distancias. Cuando la señal es producida por una célula y reconocida por células vecinas que tienen el receptor específico para esa señal, decimos que se trata de una señalización paracrina. Y muchas veces, la misma célula secretoria que produce la señal tiene el receptor de la señal que produce, se trata en este caso de señalización autocrina. En la señalización autocrina, cuando se une al receptor se puede producir la activación de genes, entre ellos el gen que produce la señal. Se produce así una retroalimentación positiva que permite que la célula siempre produzca la señal y mantenga los genes activos que corresponden a la función de la célula. Es uno de los mecanismos del mantenimiento de la diferenciación celular. Con frecuencia en los tejidos, las células tienen señalización autocrina (consigo mismas) y señalización paracrina (con sus vecinas). Un tipo especial de señalización local, en la que la molécula secretoria recorre una corta distancia es la señalización sináptica, como cuando un neurotransmisor es liberado por una neurona difundiendo en el espacio sináptico, para unirse al receptor de la célula blanco (o célula diana como también se les dice). En este caso la señal eléctrica viaja largas distancias a lo largo del axón y dispara la liberación del neurotransmisor que viaja una corta distancia hacia la célula blanco. Cuando la señal es liberada por la célula secretoria y viaja largas distancias a través del torrente sanguíneo hasta llegar a la célula blanco, decimos que se trata de una Señalización hormonal o endocrina y la señal en este caso es una hormona. Diapositiva 7  En esta diapositiva podemos comparar la comunicación endocrina con la comunicación sináptica. En la señalización endocrina diferentes células endocrinas producen hormonas diferentes que tendrán como blanco, células diferentes. En la figura de la izquierda por ejemplo , la célula A produce un tipo de hormona, representada con un círculo, la célula B secreta otra hormona representada con un hexágono y la célula endocrina C produce otra hormona distinta representada por un cuadrado. Todas estas hormonas al ser secretadas viajan por el torrente sanguíneo y así llegarán hasta sus células blanco. Cada una de estas hormonas será reconocida por un receptor específico en la membrana de la célula blanco. Es así que la hormona secretada por la célula A es reconocida por el receptor de la célula blanco A’ y no por los receptores de las células B’ y C’. Del mismo modo las hormonas secretadas por las células B y C son reconocidas solamente por los receptores de las células blanco B’ y C´ respectivamente. Mientras que la señalización endocrina utiliza diferentes hormonas para comunicarse específicamente con sus células blanco, en la señalización sináptica, por contraste, la especificidad se produce por la sinapsis entre la célula nerviosa y su célula blanco con la que se produce la señalización. Usualmente solo las células blanco que están en comunicación sináptica con una célula nerviosa estarán expuestas al neurotransmisor En el caso de la señalización sináptica diferentes neuronas envían la misma señal, el mismo neurotransmisor liberado desde el terminal nervioso. Diferentes células nerviosas pueden liberar el mismo neurotransmisor, pero solo activará la célula blanco con la que establece específicamente el contacto sináptico. En el ejemplo de la figura de la derecha, vemos 3 neuronas diferentes que liberan el mismo neurotransmisor pero por ejemplo la neurona A, al liberar el neurotransmisor activará solo a las células blanco tipo A’ con las que establece una sinapsis y no afecta a las células blanco B’ y C’. De la misma manera las neuronas B y C solo activarán a las células tipo B´ y C´ respectivamente con las que establecen sinapsis.   Diapositiva 8 Una misma señal puede actuar sobre células diferentes y producir respuestas diferentes. Tenemos el ejemplo de la hormona epinefrina o también conocida como adrenalina, que puede unirse a receptores presentes en diferentes células y producir diferentes respuestas dependiendo del tipo de célula. Esto se puede deber a que las células poseen receptores diferentes y/o proteínas intracelulares diferentes y por ello tendrán respuestas diferentes. En el caso de los vasos sanguíneos intestinales, las células tienen un receptor tipo alfa que cuando se une a la epinefrina, produce vaso constricción, los vasos sanguíneos se contraen. En las células de los vasos sanguíneos de músculo esquelético encontramos otros receptores, tipo beta, que cuando se unen a la epinefrina se produce todo lo contrario, se produce vaso dilatación. Y en las células hepáticas también encontramos receptores tipo beta que se unen a la epinefrina, iguales a los que tienen las células de los vasos sanguíneos de músculo esquelético, pero la respuesta es totalmente diferente, en los hepatocitos la unión de la epinefrina con el receptor beta promueve la degradación de los depósitos de glucógeno a glucosa y que se libere la glucosa de la célula hacia el torrente sanguíneo y estar así disponible para otros tejidos, especialmente los músculos. Como verán la misma epinefrina produce diferentes respuestas en diferentes células al mismo tiempo cuando así lo requiere el organismo. La epinefrina o adrenalina es la hormona del estrés, es la hormona que se libera cuando nos sentimos en peligro. Imagínense que vamos a ser atacados por un puma, cuando estamos en peligro, necesitamos que la mayor cantidad de oxígeno y nutrientes lleguen a nuestros músculos para que podamos correr lo más rápido posible, por lo que la vaso dilatación en los músculos esqueléticos permite que la sangre llegue con más facilidad con el oxígeno y nutrientes. Por otro lado cuando estamos en peligro, lo menos que se nos ocurre es comer, por lo que la vaso constricción disminuye el flujo de sangre hacia los intestinos, disminuyendo el flujo sanguíneo hacia el intestino para que pueda ser llevada principalmente a los músculos donde hay vaso dilatación. En el hígado, por otro lado, se activa la degradación del glucógeno para tener glucosa disponible en el torrente sanguíneo para las células musculares en caso hayan consumido todas sus reservas de glucógeno mientras corríamos lo más lejos y rápido posible.  Diapositiva 9 Cuando hablamos de señalización, podemos tener la idea equivocada que para cada respuesta de la célula se requiere una sola señal. En muchos casos se requieren combinaciones de señales para producir una repuesta celular. En la figura se muestra un esquema, que en principio se requieren 3 factores A, B, C , factores tróficos que deben estar presentes para que la célula sobreviva. Si además de estos factores tróficos la célula recibe dos señales adicionales D y E , éstas le indicarán a la célula que crezca y se divida. Pero si en lugar de las señales D y E, la célula recibe otras señales F y G, la célula dejará de dividirse y se diferenciará a una célula especializada. El no recibir ninguna señal es una señal para que la célula se suicide, entre en apoptosis o muerte celular programada. Diapositiva 10 En los procesos de señalización podremos identificar 3 pasos: Recepción, Transducción y Respuesta. La recepción consiste justamente en recibir una señal externa, a través de la cual la célula obtiene información de su entorno. La señal generalmente es una molécula que es reconocida específicamente por un receptor. Cuando el receptor se une a la señal , el receptor se activa y dispara el segundo paso, la transducción de señales, a través de moléculas que las transmiten en el interior de la célula. Estas señales internas tienen como función la activación del tercer paso, la respuesta celular. La respuesta celular consiste en la activación de proteínas efectoras de la respuesta que pueden ser enzimas metabólicas si la respuesta debe ser un cambio metabólico, proteínas reguladoras de genes si la respuesta debe ser un cambio en la expresión de genes o proteínas del citoesqueleto si la respuesta debe ser un cambio en la forma o movimiento celular. De esta manera la célula puede reaccionar adecuadamente dependiendo de la información que recibe de su entorno. Información que le llega a través de moléculas señales.   Diapositiva 11 En el paso de la Recepción, los primeros mensajeros, las moléculas señal que las células pueden recibir de su entorno pueden ser moléculas muy diversas. Pueden ser péptidos, aminoácidos, proteínas, nucleótidos, esteroides, retinoides, derivados de ácidos grasos, gases como el óxido nítrico e incluso la luz puede ser la señal que puede se reconocida por un receptor específico. Diapositiva 12 Los receptores , que son proteínas, reconocen de manera específica la señal que determinada célula debe recibir y a la que debe responder de acuerdo a su función. Hay dos tipos de receptores: Los receptores de membrana que son proteínas transmembrana que tienen un dominio hacia el lado externo que reconoce la señal específica, y un dominio citoplasmático que estará en contacto con las moléculas de la transducción. Estos receptores tienen generalmente señales que son hidrofílicas o polares que no pueden ingresar al interior de la célula atravesando la bicapa lipídica. El otro tipo de receptores son receptores intracelulares que tienen como señales específicas pequeñas moléculas hidrofóbicas que fácilmente pueden atravesar la bicapa lipídica y llegar hasta el receptor que se encuentra en el citoplasma. La señales hidrofóbicas, generalmente están siendo transportadas por el torrente sanguíneo por proteínas transportadoras, ya que al ser no polares estás señales no podrían de otra manera ser solubles en el medio acuoso de la sangre. Una vez que la señal se une al receptor, éste cambia su conformación y ahora puede ingresar al núcleo por los poros nucleares transportando la molécula señal. En el núcleo, la molécula señal se une al promotor de genes blanco, iniciando su expresión. Ambos tipos de receptores tienen dos características importantes: deben ser específicos a la señal y también tienen la característica de cambiar su conformación tridimensional cuando se unen a su señal específica. Este cambio en la conformación tridimensional es clave para que se inicie la transducción, las proteínas que inician la transducción reconocerán que el receptor se ha unido a la señal por ese cambio en la forma. Pueden ver las dos animaciones que están al lado derecho en esta diapositiva. Estas animaciones se activan cuando inician la diapositiva. Traten de verlas por separado reiniciando la diapositiva. Primero la animación que está en la parte superior que representa un receptor de membrana. Tomen atención que el receptor tiene una forma cuando todavía no está unido a la señal y cuando se une a la señal, cambia de forma. Esa nueva forma es reconocida por una molécula que ahora sí reconoce al receptor y así se inicia la transducción. En la animación de la parte inferior se representa los receptores intracelulares (de color rosado) que se encuentran en el citosol, que cuando no está unido a su señal, tienen una forma que es reconocida por una proteína inhibidora (de color gris) que le impide al receptor atravesar la envoltura nuclear a través de los poros nucleares (se ha obviado en esta animación la envoltura nuclear). Cuando la señal (de color verde) que es una molécula pequeña hidrofóbica, atraviesa la membrana, ingresa a la célula y se une al receptor, vemos que el receptor cambia de forma y al adoptar la nueva forma, se libera de la proteína inhibidora y ahora sí puede atravesar la envoltura nuclear y llegar al promotor de los genes blanco y así se inicia la expresión de los genes blanco. Diapositiva 13  Veamos primero el ejemplo de las hormonas esteroideas, que al ser moléculas hidrofóbicas tienen receptores intracelulares. En la figura de la izquierda vemos el ejemplo de la testosterona, que es una hormona esteroidea, que ingresa atravesando la membrana citoplasmática y en el citosol se une a la proteína receptora que ahora ingresa por los poros nucleares hasta el gen blanco donde se une y promueve la transcripción del ARNm, que luego es traducido en el citoplasma. La figura superior derecha de la diapositiva muestra primero un receptor inactivo porque no está unido al ligando y tiene una forma que permite que la proteína inhibitoria (de color gris) se una al receptor. Cuando el ligando se une al receptor en un sitio específico, ello hace que ahora el receptor cambie de forma, ya no es reconocido por la proteína inhibitoria y con esta nueva forma se transporta al interior del núcleo hasta el ADN, reconoce una secuencia específica a la que se une, posteriormente otras proteínas coactivadoras se unen al receptor y se inicia la transcripción de los genes blanco. Si se dan cuenta, el receptor y las proteínas coactivadoras serían factores de transcripción que permiten que se inicie la transcripción. Cuando la hormona esteroidea se une al receptor intracelular activan genes de respuesta primaria que producen proteínas de respuesta primaria, que se les llama así porque no es la respuesta final, sino que estas proteínas de respuesta primaria a su vez son proteínas que activan genes de respuesta secundaria que producirán las proteínas que darán la respuesta final, las que permitirán la modificación del comportamiento de la célula ante la señal. Noten que la respuesta tomará mucho tiempo.   Diapositiva 14 Hay diversidad de receptores de membrana. En esta clase hablaremos de tres de estos receptores: Los receptores tipo canal iónico, receptores enzimáticos tipo tirosina quinasas y receptores asociados a proteína G. Diapositiva 15 El receptor tipo canal es un receptor ya conocido por ustedes, un ejemplo es el receptor de acetilcolina que es un canal de sodio que se abre cuando su ligando, la señal, el neurotransmisor acetilcolina se une específicamente al receptor. Ingresa el sodio y se inicia el potencial de acción. Diapositiva 16 Los receptores tipo enzima con actividad tirosina quinasa son un tipo de receptores que tienen un dominio extracelular que reconoce a la señal y tienen un dominio intracelular con actividad enzimática. Generalmente estos receptores son homodímeros (homo significa igual; dímero significa formado de dos partes), es decir están conformados por dos subunidades que son iguales. El dominio intracelular tiene la actividad enzimática de tirosina quinasa. Las quinasas son enzimas que fosforilan. Si es una tirosina quinasa, significa que fosforila al aminoácido tirosina. Y fosforila no cualquier tirosina, sino a unas tirosinas ubicadas específicamente en una región del dominio intracelular de la misma enzima, es decir se autofosforila. Pero esta actividad enzimática de autofosforilación en sus tirosinas solo se inicia cuando el receptor se une a la señal específica, eso hace que los dímeros cambien su conformación y se unan y así se activa la autofosforilación. Las tirosinas fosforiladas en el receptor ahora pueden ser reconocidas por proteínas de la transducción, el segundo paso de la señalización , y así estas proteínas de la transducción se activan. Un ejemplo muy conocido de receptor tipo tirosina quinasa es el receptor de la insulina. La insulina es la señal para la célula que le avisa que en la sangre hay nutrientes, como la glucosa, que deben ser absorbidos. Es así que la respuesta de la célula a la insulina incluye el incremento de transportadores de glucosa y aminoácidos en la membrana y la activación de enzimas involucradas en la síntesis de glucógeno, de lípidos, proteínas y también favorece la expresión de genes relacionadas al crecimiento celular. Diapositiva 17 En esta diapositiva vemos que la mayoría de los transportadores de glucosa están almacenados en la membrana de endosomas en el interior de la célula cuando no hemos ingerido alimentos y la insulina está en niveles bajos en sangre. Luego de ingerir nuestros alimentos, hay glucosa en sangre y la insulina se libera en sangre, es señal para la célula que hay glucosa para ser absorbida. La insulina se une al receptor, la señal se transduce y la respuesta es que los receptores son transportados a través de vesículas hasta la membrana, quedando así disponibles para que la membrana sea más permeable a la glucosa, el número de transportadores de glucosa aumenta en la superficie de la membrana. De este modo la insulina promueve que la glucosa ingrese desde la sangre a las células. Si el organismo no produce insulina o el receptor de insulina no la reconoce, la célula no podrá absorber la glucosa, así se encuentre en la sangre y ésta quedará en sangre en altas concentraciones porque no es absorbida por las células, las cuales pueden morir de inanición a pesar que hay altas concentraciones de glucosa en sangre. Esto es lo que ocurre en la diabetes. Diapositiva 18 Como vemos en la figura de la esquina superior izquierda, los receptores asociados a proteína G son receptores que se caracterizan por ser proteínas transmembrana que atraviesan la bicapa lipídica de la membrana siete veces y las regiones que están inmersas en la bicapa lipídica tienen una estructura secundaria de alfa hélice, que como recuerdan tienen mayoritariamente aminoácidos hidrofóbicos. Estos receptores además tienen un segmento hacia el lado citoplasmático que interactúa con una proteína llamada Proteína G. La proteína G es una proteína que inicia el paso de la transducción de la señal en el interior de la célula cuando estos receptores se unen a la señal. En la figura del centro se describe cómo se asocian estos receptores con la proteína G. Cuando el receptor no está unido a la señal, el receptor(representado de color verde) tienen una conformación tridimensional que no permite que la proteína G (representada de color celeste) se una al receptor y otras proteínas del proceso de transducción también se encuentran inactivos (una proteína efectora de la transducción está representada de color rojo). Observen que la proteína G es una proteína trimérica, tiene tres subunidades: Gγ (gamma) , Gβ (beta) y Gα (alfa). En la subunidad alfa, tiene un sitio de unión al nucleótido GDP. En el paso 1, la hormona se une al receptor (paso 2) y vemos que el receptor cambia de forma (paso 3), cuando el receptor adopta esta nueva forma, la proteína G reconoce al receptor y se une a él con su subunidad Gα (alfa). Esta unión promueve un cambio conformacional en la subunidad Gα (alfa) que hace que esta subunidad sea menos afín al GDP y por lo tanto el GDP se separa de la subunidad alfa y ahora más bien es más afín al Nucleótido GTP. Fíjense que no es que el GDP sea fosforilado a GTP, sino que el GDP es reemplazado por GTP. Cuando se une el GTP, ocurre un cambio conformacional en la subunidad alfa que hace que se separe del receptor y también de las subunidades Gβ (beta) y Gγ (gamma) (paso 4). Y este cambio conformacional también hace que reconozca a la proteína efectora de la transducción. Esta unión hace que la proteína efectora se active (paso 5). Pero la subunidad alfa a su vez tiene actividad enzimática que hidroliza el GTP a GDP (paso 6) y cuando eso ocurre la proteína G vuelve a su conformación inicial lista para unirse a otro receptor que se activa al unirse a su hormona. Si observamos la figura de la esquina superior derecha, veremos que hay proteínas G estimuladoras de proteínas efectoras de la transducción, como la proteína G que acabamos de describir. Estas proteínas G estimuladoras se asocian a receptores que reconocen hormonas estimulatorias. Un ejemplo de estas proteínas efectoras de la transducción es la enzima adenilato ciclasa que produce AMPc , un segundo mensajero. Pero también hay proteínas G inhibitorias de la proteína efectora de la transducción que se asocian a receptores diferentes que se unen a hormonas inhibitorias. De este modo el proceso de señalización puede regularse con señales que activan o inhiben el proceso de transducción y como consecuencia la respuesta. Diapositiva 19 El mecanismo de acción de la toxina del cólera es un ejemplo de cómo utilizando los conocimientos de comunicación celular se puede comprender los mecanismos que utilizan los patógenos al infectar células y también buscar la forma de combatirlos. El cólera es una enfermedad producida por la toxina de la bacteria Vibrio cholerae que produce terribles diarreas. La toxina ingresa a las células epiteliales del intestino y se une a la subunidad alfa de la proteína G cuando está unida a la enzima adenilato ciclasa que produce AMPc (AMP cíclico). El AMP cíclico activa un canal iónico (CFTR) que transporta ion cloro y si la toxina hace que el AMP cíclico se produzca de manera constante al mantener unida a la subunidad alfa de la proteína G a la adenilato ciclasa , la célula va a hacer que este canal de cloro se mantenga siempre abierto. La salida de iones cloro con sus cargas negativas, atrae la salida de iones sodio de carga positiva y junto con los iones sodio se atraen moléculas de agua y eso es lo que provoca la diarrea, la deshidratación del paciente. ¿Cómo se podría revertir la acción de la toxina del cólera? Activando a la proteína G inhibitoria de la adenilato ciclasa. Se puede usar el fármaco racecadrotilo que inhibe la encefalinasa, una enzima que degrada las encefalinas, unos neuropéptidos que activan la proteína G inibitoria. Entonces, al incrementarse las encefalinas, se incrementa la actividad de la proteína G inhibitoria y la adenilato ciclasa deja de producir AMPcíclico, deteniendo así la perdida de ion cloro y por lo tanto la pérdida de agua, la diarrea. Diapositiva 20 Hemos visto que la unión de la señal con el receptor (paso 1 en la figura de esta diapositiva) produce el inicio de la transducción que puede ser activando una proteína transductora como la proteína G (paso 2) y la activación de esta proteína estimula la activación de una proteína efectora (paso 4) que produce un segundo mensajero que puede activar varias respuestas (paso 5) Los segundos mensajeros más utilizados por las células son el AMP cíclico, el GMP cíclico, el 1,2 Diacilglicerol, el Inositol 1,4,5-trifosfato y el calcio. No se tienen que aprender las fórmulas. Diapositiva 21 Veamos un ejemplo de cómo se produce y actúa el AMP cíclico como segundo mensajero. En este esquema un receptor asociado a proteína G se une a la molécula señal , activando a una proteína G estimuladora de la adenilato ciclasa. La enzima adenilato ciclasa se activa y cataliza la síntesis de AMPc a partir de ATP. El AMP cíclico se une a la subunidad regulatoria de una proteína quinasa A que estaba inactiva y ahora se disocia y se activa. Las subunidades disociadas y activas de la proteína quinasa A ahora pueden ingresar al núcleo por los poros nucleares y fosforilan proteínas que actúan como factores de transcrpción que están inactivos que al ser fosforilados se activan y pueden unirse a las regiones reguladoras del promotor para iniciar la transcripción de genes blanco. Diapositiva 22 En este esquema describiremos cómo se producen y actúan los segundos mensajeros Inositol 1,4,5-trifosfato y el Diacilglicerol. Todo se inicia cuando la molécula señal se une al receptor tipo heptahélice asociado a proteína G, lo que activa a la proteína G que a su vez activa a una proteína efectora que en este caso es la Fosfolipasa C. Esta enzima tiene como sustrato un fosfolípido especial: el fosfatidil Inositol 4,5-bifosfato al cual lo divide en las dos moléculas que tendrán la función de segundos mensajeros: el diacilglicerol (DAG) y el inositol 1,4,5-trifosfato (IP3). El diacilglicerol se une a una proteína quinasa C para activarla. El inositol 1,4,5-trifosfato se puede unir a un canal de calcio del retículo endoplasmático liso donde se almacena este ion. Al unirse el inositol 1,4,5 trifosfato al canal de calcio, éste se abre promoviendo la liberación de calcio hacia el citosol y ese calcio se unirá también a la proteína quinasa C para completar su activación junto con el diacilglicerol. Y es la proteína quinasa C, la que fosforila a otras proteínas para activarlas. Diapositiva 23 Vemos entonces que el ion calcio está actuando como un segundo mensajero porque se une a varias proteínas para activarlas. Hay una proteína, la calmodulina que se une al calcio y esta calmodulina unida al calcio se activa y puede unirse a su vez a otras proteínas para activarlas. Diapositiva 24 ¿Por qué la señalización requiere de transducción y la recepción no lleva directamente a la respuesta?¿Por qué tantos pasos, por qué tanta “burocracia”? Vamos a ver lo que pasa con la hormona adrenalina o epinefrina. Esta hormona promueve la respuesta “fight or flight”( pelea o vuela) como vimos en el ejemplo del puma que nos quería atacar. La adrenalina aumenta el pulso cardíaco, disminuye flujo sanguíneo a ciertos tejidos como el intestino y lo incrementa en otros como músculos esqueléticos, incrementa glucosa en sangre y altera el funcionamiento mental, y todo tiene que ser muy rápido porque de lo contrario no habría opción, seríamos el almuerzo del puma. Cuando una molécula de epinefrina (el primer mensajero) se une a un receptor, esta unión promueve la activación de unas 100 moléculas de proteína G la que a su vez activa a otras 100 enzimas adenilato ciclasa que sintetizarán unas 10000 moléculas de AMP cíclico (segundo mensajero) y estos AMP cíclicos a su vez activan 10000 enzimas proteína quinasa A que activarán fosforilando a 100000 enzimas fosforilasa quinasas que a su vez fosforilarán activando a 1 millón de enzimas glucógeno fosforilasas que son las enzimas que hidrolizan el glucógeno permitiendo la liberación de 100 millones de moléculas de glucosa 1 fosfato Si regresamos a lo que nos preguntamos al inicio ¿Por qué la señalización requiere de transducción y la recepción no lleva directamente a la respuesta?¿Por qué tantos pasos, por qué tanta burocracia? Diapositiva 25 La respuesta es ¡la amplificación de la señal! Hemos visto en el ejemplo anterior que a partir de una molécula señal podemos obtener 100 millones de moléculas de glucosa en poco tiempo. Es una “burocracia” muy eficiente. Y en esto los segundos mensajeros tienen un papel importante en esta amplificación de la señal. Diapositiva 26 Cuando hemos revisado todos los pasos que puede tener un proceso de señalización, uno se puede preguntar cómo es que estos pasos pueden ocurrir en la secuencia correcta de manera eficiente y se ha descubierto que las moléculas, las enzimas de una vía de señalización, no están libres en el citosol, sino que se encuentan asociadas a unas proteínas de armazón o andamiaje formando complejos señal asociados a los receptores. Las proteínas de armazón o andamiaje permiten que las diferentes proteínas que participan en la transducción en un proceso de señalización se ubiquen de manera ordenada y precisa en la secuencia que les corresponde permitiendo que las reacciones ocurran en el orden que les corresponde y de manera eficiente. Diapositiva 27 Hemos visto que en el caso de los receptores intracelulares, cuando se unen a sus señales las respuestas implican cambios en la expresión de genes, son respuestas nucleares. En el caso de los receptores de membrana, cuando se unen a sus señales las respuestas pueden ser tanto nucleares como citosólicas. Incluso un mismo receptor pueden dar lugar a los dos tipos de respuesta al mismo tiempo. Ambos tipos de respuesta alterarán la maquinaria citoplasmática, lo cual hará que el comportamiento celular sea alterado ante una señal recibida por la célula. Las respuestas citosólicas implican la regulación de la actividad de proteínas o enzimas que están presentes previamente, es lo que llamamos proteínas constitutivas y que solo requieren ser alteradas como por ejemplo por fosforilaciones, como cuando vimos el ejemplo de cómo la adrenalina permite la liberación de glucosa a partir del glucógeno muy rápidamente. Las respuestas citosólicas se producen en tiempos muy cortos, de segundos a minutos. En cambio, las respuestas nucleares, que implican la regulación de la síntesis de proteínas y enzimas, serán más lentas, pueden requerir desde minutos a horas porque hay que esperar que los genes sean transcritos y luego a partir del ARN mensajero los ribosomas sinteticen nuevas proteínas. La adrenalina puede activar la expresión de genes que sinteticen enzimas de la gluconeogénesis, es decir enzimas que sinteticen moléculas de glucosa, para que las células puedan, luego que termine la alerta, reponer las reservas de glucosa que fueron consumidas mientras corríamos despavoridos huyendo del puma. Este proceso es más lento, la respuesta no se requiere de inmediato como en la respuesta citosólica. Diapositiva 28 Los procesos de señalización se han estudiado principalmente en animales, pero las plantas también se comunican, aunque no encontraremos que utilicen hormonas como la adrenalina ni testosterona porque la multicelularidad evolucionó de manera independiente en plantas y animales y la multicelularidad requirió el desarrollo de procesos de señalización más complejos que los requeridos en los organismos unicelulares, por ello plantas y animales desarrollaron sus propios mecanismos de señalización de manera independiente y por ello son diferentes. Pero hay algunos aspectos en los que hay semejanzas al tener un ancestro eucariota común. Diapositiva 29 Aunque hay diferencias en los receptores y señales con los animales, las plantas tienen aspectos en común con los animales como por ejemplo la presencia de receptores de membrana, y receptores intracelulares y la transducción implica fosforilaciones y desfosforilaciones, proteínas asociadas á GTP, activación o inactivación de proteínas reguladoras de genes, etc. No tienen que aprenderse de memoria este ejemplo de señalización que promueve la diferenciación celular en plantas. Diapositiva 30 Es muy frecuente en las plantas la activación de proteínas por acción de la luz, de hecho dependen de la luz para realizar la fotosíntesis y regulan muchos de sus procesos de acuerdo a la disponibilidad de la luz. Pero la presencia de receptores o proteínas sensibles a la luz no es exclusivo de las plantas, recuerden que también tenemos receptores activados por la luz como los receptores de rodopsina en los bastones y conos de nuestros ojos. Diapositiva 31 Este es un ejemplo de cómo las plantas pueden comunicarse entre ellas. Estas dos plantas Artemisa tridentata y Nicotiana attenuata (el tabaco silvestre) coexisten de forma natural en la Gran Cuenca del Oeste Norteamericano. Artemisa tridentata es una planta bastante resistente a los herbívoros y cuando sufre daño mecánico, como el que le haría un herbívoro o unas tijeras de podar como se hizo en un experimento, libera unas sustancias volátiles que sirven de señales para la misma planta o de otras especies como Nicotiana attenuata (esta última es atacada con frecuencia por saltamontes y orugas que devoran sus hojas). Una de estas sustancias volátiles es MeJa (metil jasmonato) y el MeSa (Metil salicilato). No es necesario que se aprendan de memoria estos nombres. Estas señales químicas volátiles son reconocidas por receptores en la Artemisa dañada y en la Nicotiana a pesar de no haber sido tocada, y promueven en ellas la síntesis de sustancias insecticidas como compuestos fenólicos. De ese modo las plantas que estaban sufriendo daño delatan la presencia de un enemigo potencial a las plantas ubicadas a su alrededor haciendo que éstas activen sus defensas. Las plantas de Nicotiana attenuata más alejadas, que no reciben la señal no son alertadas y no incrementan la concentración de compuestos fenólicos y por lo tanto son más fácilmente atacadas por sus depredadores como la oruga del tabaco. Las plantas pueden comunicarse también con animales. Siguiendo con el mismo ejemplo de la Nicotiana attenuata ésta, al ser atacada por los herbívoros como la oruga del tabaco, alertarán del daño que están sufriendo liberando las señales volátiles, las cuales atraen a unos chinches, Geocoris pallens, hacia las plantas de Nicotiana, no para devorarlas, sino para alimentarse de sus depredadores, las orugas. No nos damos cuenta, pero las plantas están “conversando” entre ellas y con sus aliados.