CAPÍTULO 2: Revisión de la fisiología celular en fisiología médica

Después de revisar este capítulo, el lector será capaz de:

• Mencionar los organelos celulares de mayor importancia y establecer su función en las células.

• Nombrar los bloques que constituyen el citoesqueleto celular y mencionar su contribución a la estructura y la función celulares.

• Mencionar los mecanismos de conexión intercelular y entre los espacios intracelular y extracelular.

• Definir el proceso de exocitosis y endocitosis, así como describir la contribución de cada uno de ellos a la fisiología celular normal.

• Definir las proteínas que participan en la permeabilidad y el transporte de membrana.

• Identificar diversas modalidades de comunicación intercelular y describir las maneras en que los mensajeros químicos (incluidos los segundos mensajeros) afectan la fisiología celular.

La célula es la unidad funcional básica de todo organismo. En seres humanos, las células pueden tener un alto grado de especialización tanto en estructura como en función; las células de diferentes órganos son susceptibles de compartir características y funciones. En el capítulo previo, se revisaron algunos principios fundamentales de biofísica y de las estructuras básicas que participan en el catabolismo y el metabolismo celulares. En algunas de estas descripciones, se analizó el modo en que dichas estructuras contribuyen a la fisiología celular básica (p. ej., replicación, transcripción y traducción de ácido desoxirribonucleico [DNA]). En este capítulo se revisan los aspectos más fundamentales de la fisiología celular y molecular. En los capítulos siguientes se revisan aspectos adicionales que incluyen la especialización de la fisiología molecular y celular, la función inmunitaria y células excitables en las secciones y apartados que detallan lo referente a cada sistema fisiológico.

Es esencial el conocimiento básico de la biología celular para comprender cómo funcionan los aparatos y los sistemas orgánicos. Un recurso fundamental para analizar los elementos constitutivos de la célula es el microscopio. El microscopio óptico permite observar estructuras de hasta 0.2 µm, en tanto que el microscopio electrónico hace posible la visualización de estructuras de 0.002 µm. Las dimensiones celulares son bastante variables, pero tal resolución deja ver de manera apropiada el modo en que funciona la célula. La disponibilidad de microscopia con fluorescencia, confocal y muchas otras técnicas de microscopia, en conjunción con sondas especiales para la revisión estática y dinámica de estructuras celulares, han ampliado aún más el conocimiento acerca de las estructuras y la función celulares. Avances revolucionarios en la biofísica, la bioquímica y las técnicas de biología molecular han contribuido en gran medida al conocimiento vinculado con la célula.

Es considerable la especialización de las células en varios órganos y ninguna célula puede denominarse “típica” con respecto a la totalidad de las células corporales. Sin embargo, varias estructuras (organelos) son comunes a la mayor parte de aquéllas. Estas estructuras se muestran en la figura 2-1, muchas de las cuales pueden aislarse por medio de ultracentrifugado combinado con otras técnicas. Cuando las células son objeto de procesos de homogeneización y la suspensión obtenida se centrifuga, los núcleos se sedimentan en primer lugar, seguidos por las mitocondrias. La centrifugación de alta velocidad que genera fuerzas de 100 000 veces la gravedad o más, hace posible la segmentación de una fracción constituida por gránulos denominados microsomas. Esta fracción incluye organelos como ribosomas y peroxisomas.

MEMBRANAS CELULARES

La membrana que rodea a la célula es una estructura notable. Está constituida por lípidos y proteínas y es semipermeable, lo cual permite el paso de algunas sustancias a través de ella al tiempo que evita el paso de otras. No obstante, su permeabilidad puede variar porque contiene numerosos conductos regulados y otras proteínas de transporte que pueden cambiar la cantidad de sustancias que la atraviesan. En general, se le denomina membrana plasmática. El núcleo y otros organelos en la célula están limitados por estructuras membranosas similares.

La estructura química de las membranas y sus propiedades varían de manera considerable de una ubicación a otra, pero comparten algunas características. En general, aquéllas tienen un espesor cercano a 7.5 nm (75 Å). Los principales lípidos son fosfolípidos, como fosfatidilcolina, fosfatidilserina y fosfatidiletanolamina. La forma de las moléculas de fosfolípidos refleja sus propiedades de solubilidad: un extremo de la molécula contiene una porción fosfato, la cual es relativamente soluble en agua (polar, hidrofílica) y, el otro extremo es relativamente insoluble en dicha sustancia (no polar, hidrófoba). El poseer propiedades hidrofílica e hidrófoba hace de los lípidos moléculas anfipáticas. En la membrana, los extremos hidrófilos de las moléculas están expuestos al entorno acuoso que rodea el exterior de las células y el citoplasma acuoso; los extremos hidrófobos se encuentran en contacto con la región interior de la membrana, la cual posee bajo contenido de agua (fig. 2-2). En las células procariotas (p. ej., bacterias en las cuales no hay núcleo), las membranas son relativamente simples, mientras que en las células eucariotas (que contienen núcleo), las membranas celulares poseen varios glucoesfingolípidos, esfingomielina y colesterol además de fosfolípidos y fosfatidilcolina.

Diversas proteínas están incluidas en la membrana. Se encuentran como unidades globulares separadas y muchas pasan a través de la membrana (proteínas integrales), en tanto que otras (proteínas periféricas) se observan incrustadas dentro y fuera de la membrana (fig. 2-2). La cantidad de proteínas varía de manera significativa con la función de la membrana, pero constituyen hasta casi 50% de la masa de la membrana; es decir, hay casi una molécula de proteína por 50 moléculas de fosfolípidos, las cuales son mucho más pequeñas. Las proteínas en la membrana tienen diversas funciones. Algunas son moléculas de adhesión celular (CAM, cell adhesion molecules) que fijan la célula con las células vecinas o con la lámina basal. Otras proteínas funcionan como bombas que transportan iones de manera activa a través de la membrana. Hay proteínas que actúan como transportadores al desplazar sustancias contra su gradiente de concentración mediante difusión facilitada. Otros más son conductos iónicos, que cuando se activan, permiten el paso de iones hacia el interior o del exterior de la célula. Más adelante, se revisan las funciones de las bombas, los transportadores y los conductos iónicos en el transporte a través de la membrana celular. Otro grupo de proteínas actúa como receptores, a los cuales se unen ligandos o moléculas mensajeras y que inician cambios fisiológicos en el interior de la célula. Las proteínas también se desempeñan como enzimas, al catalizar reacciones en la superficie de la membrana. Más adelante en este capítulo, se revisan ejemplos de cada uno de estos grupos.

Las porciones sin carga, hidrófobas, de las proteínas suelen ubicarse en el interior de la membrana, en tanto que aquéllas con carga (hidrófilas) se ubican en la superficie. Las proteínas periféricas se hallan unidas a la superficie de la membrana de varias maneras. Una modalidad habitual es la unión a formas glucosiladas de fosfatidilinositol. Las proteínas sostenidas por estas anclas de glucosilfosfatidilinositol (GPI) (fig. 2-3) incluyen enzimas, como fosfatasa alcalina, varios antígenos y numerosas moléculas de adhesión, así como tres proteínas que antagonizan la lisis celular por medio del complemento. En seres humanos, se han descrito más de 45 proteínas de superficie celular unidas a glucosilfosfatidilinositol. Otras proteínas se encuentran combinadas con lípidos, es decir, tienen lípidos específicos unidos a ellas (fig. 2-3). Las proteínas pueden hallarse miristoladas, palmitoiladas o preniladas (es decir, tienen unidos grupos geranilgeranilo o farnesilo).

La estructura proteínica (y en particular el contenido de las enzimas) de las membranas biológicas varía de una célula a otra, pero también en la misma célula. Por ejemplo, algunas de las enzimas incrustadas en la membrana celular son diferentes de las que se encuentran en las membranas mitocondriales. En las células epiteliales, las enzimas en la membrana celular sobre la superficie mucosa difieren de las halladas en la membrana celular en los bordes basal y externo de las células; es decir, las células están polarizadas y dicha polarización hace posible el transporte a través del epitelio. Las membranas son estructuras dinámicas y sus elementos constitutivos se renuevan en modo constante a diferentes tasas de velocidad. Algunas proteínas están fijas al citoesqueleto, en tanto que otras se desplazan en sentido lateral en la membrana.

Por debajo de la mayor parte de las células, se observa una capa delgada, mal delimitada con algunas fibrillas que, en conjunto, constituyen la membrana basal o, de manera más apropiada, la lámina basal. Esta última y, de modo más general, la matriz extracelular están constituidas por muchas proteínas que las mantienen unidas, regulan su desarrollo y determinan su crecimiento. Estas incluyen colágena, lamininas, fibronectina, tenascina y varios proteoglucanos.

MITOCONDRIA

Hace más de 1 000 millones de años, las bacterias aerobias fueron incorporadas por células eucariotas y se transformaron en mitocondrias, lo cual proporcionó a dichas células la capacidad de sintetizar compuestos de trifosfato de adenosina (ATP) ricos en energía a través de la fosforilación oxidativa. La mitocondria desempeña otras funciones, incluida una participación en la regulación de la apoptosis (muerte celular programada), pero la función más importante es la fosforilación oxidativa. Cada célula eucariota puede tener cientos o miles de mitocondrias. En los mamíferos, casi siempre se les ilustra como organelos con forma cilíndrica (fig. 2-1), pero su conformación quizá sea bastante dinámica. Cada mitocondria consta de membrana externa, espacio intermembranoso, membrana interna, la cual se pliega para formar estructuras con aspecto de anaqueles (crestas), así como una matriz central. El complejo enzimático que participa en la fosforilación oxidativa se encuentra alineado sobre las crestas (fig. 2-4).

Concordante con su origen a partir de bacterias aerobias, las mitocondrias poseen su propio genoma. Hay significativamente menos ácido desoxirribonucleico en el genoma mitocondrial que en el genoma nuclear y 99% de las proteínas en la mitocondria es producto de genes nucleares, pero el DNA mitocondrial es fundamental para la existencia de algunos componentes fundamentales de la vía de la fosforilación oxidativa. De manera específica, el DNA mitocondrial de los seres humanos es una molécula circular de doble tira que contiene casi 16 500 pares de bases (comparada con más de 1 000 millones en el DNA nuclear). Codifica 13 subunidades proteínicas que están relacionadas con proteínas codificadas por genes nucleares para dar origen a cuatro complejos enzimáticos, dos ácidos ribonucleicos ribosómicos y 22 ácidos ribonucleicos de transferencia, los cuales son necesarios para la síntesis proteínica en los ribosomas intramitocondriales.

El complejo enzimático causante de la fosforilación oxidativa ilustra las interacciones entre los productos de los genomas mitocondrial y nuclear. Por ejemplo, el complejo I, deshidrogenasa de dinucleótido de adenina y nicotinamida (NADH) reducida, está constituido por siete subunidades proteínicas codificadas por el DNA mitocondrial y 39 subunidades codificadas por el DNA nuclear. El origen de las subunidades en los otros complejos se muestra en la figura 2-4. El complejo II (deshidrogenasa de succinato-oxidorreductasa de ubiquinona), el complejo III (oxidorreductasa de ubiquinona-citocromo c) y el complejo IV (oxidasa de citocromo c) actúan con el complejo I, con la coenzima Q y el citocromo c, para convertir los metabolitos a CO₂ y agua. Los complejos I, III y IV bombean protones (H⁺) en el espacio intermembranoso durante esta transferencia de electrones. Los protones fluyen siguiendo su gradiente electroquímico a través del complejo V, la ATP sintasa, la cual aprovecha esta energía para producir ATP.

En el cigoto, las mitocondrias se derivan del óvulo y, por tanto, su herencia es de tipo materno. Esta herencia materna se ha utilizado como un recurso para establecer la vía de evolución de la descendencia. La mitocondria tiene un sistema de reparación de DNA ineficaz y la tasa de mutación para el DNA mitocondrial es de casi 10 veces la tasa para el DNA nuclear. Gran número de enfermedades relativamente poco frecuentes se han rastreado hasta llegar a mutaciones en el DNA mitocondrial. Éstas incluyen la mayor parte de los trastornos hísticos con altas tasas metabólicas en las cuales hay alteraciones en la producción de energía como consecuencia de las anomalías en la generación de ATP, así como otros trastornos (recuadro clínico 2-1).

LISOSOMAS

En el citoplasma de la célula, se observan estructuras irregulares rodeadas por una membrana. El interior de estas estructuras, denominadas lisosomas es más ácido que el resto del citoplasma y el material externo, como las bacterias que sufrieron endocitosis y los componentes celulares desgastados que se digieren dentro de aquéllos. El interior se mantiene con pH ácido por la actividad de la bomba de protones o H⁺, adenosina trifosfatasa (ATPasa). Esta proteína integral de membrana utiliza la energía del ATP para desplazar protones del citosol en contra de su gradiente electroquímico y conservar la acidez relativa de los lisosomas, cercana a un pH de 5.0. Los lisosomas pueden contener más de 40 tipos de enzimas hidrolíticas, algunas de las cuales se enumeran en el cuadro 2-1. No es de sorprender que todas estas enzimas sean hidrolasas ácidas, cuya función es mejor en el pH ácido que se encuentra en el compartimiento lisosómico. Ésta quizá sea una característica de seguridad para la célula; si los lisosomas se rompen y liberan su contenido, las enzimas no serían eficaces a un pH citosólico casi neutro 7.2 y, por tanto, no podrían digerir las enzimas citosólicas con las que pudieran tener contacto. Las enfermedades relacionadas con disfunción lisosómica se revisan en el recuadro clínico 2-2.

PEROXISOMAS

Estos tienen un diámetro de 0.5 µm, se encuentran rodeados por una membrana y contienen enzimas que pueden producir H₂O₂ (oxidasas) o desdoblamiento (catalasas). Las proteínas se dirigen al peroxisoma por secuencia de señales única con la ayuda de proteínas chaperonas, las peroxinas. La membrana del peroxisoma contiene varias proteínas específicas para peroxisomas que participan en el transporte de sustancias hacia el interior y el exterior de la matriz del peroxisoma. La matriz contiene más de 40 enzimas que trabajan en conjunto con las que se encuentran fuera del peroxisoma con la función de catalizar diversas reacciones anabólicas y catabólicas (p. ej., desdoblamiento de lípidos). Los peroxisomas pueden formarse por la gemación del retículo endoplásmico o mediante división. Varios compuestos sintéticos en apariencia originan proliferación de los peroxisomas al actuar sobre los receptores en el núcleo celular. Estos receptores activados de la proliferación del peroxisoma (PPAR, peroxisome proliferator-activated receptors) son miembros de la superfamilia de receptores nucleares. Cuando se activan, se unen al ácido desoxirribonucleico y generan cambios en la producción de ácido ribonucleico mensajero (mRNA). Los efectos conocidos de los receptores activados de la proliferación del peroxisoma son amplios y pueden afectar la mayor parte de los tejidos y los órganos.

CITOESQUELETO

Todas las células tienen un citoesqueleto, un sistema de fibras que mantiene la estructura de la célula al tiempo que hace posible cambiar su forma, así como el movimiento. El citoesqueleto está constituido sobre todo por microtúbulos, filamentos intermedios y microfilamentos (fig. 2-5), junto con proteínas que las anclan y las conservan unidas. Además, las proteínas y los organelos se desplazan a lo largo de microtúbulos y microfilamentos de una a otra parte de la célula, impulsados por motores moleculares.

Los microtúbulos (figs. 2-5 y 2-6) son estructuras largas, huecas, con paredes de 5 nm que rodean una cavidad de 15 nm de diámetro. Están constituidos por dos subunidades de proteínas globulares: tubulina α y β. Una tercera subunidad, tubulina γ, se relaciona con la producción de microtúbulos por los centrosomas. Las subunidades α y β forman heterodímeros que se agregan para constituir tubos largos formados por anillos apilados y cada anillo, por lo regular, contiene 13 subunidades. Los túbulos interactúan con (GTP) para facilitar su formación. Tal vez se añadan subunidades de microtúbulos en ambos extremos, pero aquéllos son polares y el ensamblaje predomina en el extremo positivo, mientras que en el extremo negativo es preponderante el desacoplamiento. Ambos procesos aparecen de manera simultánea in vitro. El crecimiento de los microtúbulos es sensible a la temperatura (se favorece el desacoplamiento en situaciones de temperaturas bajas) y está supeditado al control de diversos factores celulares que pueden interactuar de manera directa con los microtúbulos en la célula.

Por el ensamblaje y el desacoplamiento constantes, los microtúbulos son porciones dinámicas del esqueleto celular. Estos proporcionan la guía sobre la cual moléculas diferentes desplazan vesículas, organelos, gránulos secretores y mitocondrias de una parte de la célula a otra. Asimismo, forman los husos sobre los que se desplazan los cromosomas durante la mitosis. La carga puede ser transportada en ambos sentidos a lo largo de los microtúbulos.

Hay fármacos disponibles que alteran la función celular mediante la interacción con los microtúbulos. Se evita el ensamblaje de estos últimos por medio de la actividad de la colquicina y la vinblastina. El paclitaxel es un fármaco antineoplásico que se une a los microtúbulos y los torna estables, de modo que los organelos no puedan desplazarse; no se forman los husos mitóticos y las células mueren.

Los filamentos intermedios (fig. 2-5) tienen 8 a 14 nm de diámetro y están constituidos por varias subunidades. Algunos de estos filamentos conectan la membrana nuclear con la membrana celular. Forman un andamiaje flexible para la célula y ayudan en la resistencia a la presión externa. En su ausencia, la célula se rompe con mayor facilidad y cuando son anormales en seres humanos, con frecuencia aparecen ampollas en la piel. Las proteínas que forman filamentos intermedios son específicas para el tipo celular y, por tanto, de manera habitual se emplean como marcadores celulares. Por ejemplo, la vimentina es un filamento intermedio importante en los fibroblastos, en tanto que la citoqueratina se expresa en las células epiteliales.

Los microfilamentos (figs. 2-5 y 2-6) son fibras sólidas largas con diámetro de 5 a 9 nm y que están constituidos por actina. Aunque esta última se vincula más a menudo con la contracción muscular, está presente en todos los tipos de células. Es la proteína más abundante en las células de mamíferos, conformando en ocasiones hasta 15% de las proteínas totales en la célula. Su estructura está muy conservada; por ejemplo, 88% de la secuencia de aminoácidos en la actina de levaduras y conejos es idéntico. Los filamentos de actina se polimerizan y despolimerizan in vivo y con frecuencia se ha observado polimerización en un extremo del filamento en tanto ocurre despolimerización en el otro extremo. El término filamentos (F) de actina se refiere a los microfilamentos intactos, en tanto que el término actina globular (G) denomina a las subunidades de actina no polimerizada. Las fibras de actina F se unen a varias partes del citoesqueleto y pueden interactuar de modo directo o indirecto con proteínas unidas a la membrana. Dichas fibras alcanzan las puntas de las microvellosidades sobre las células epiteliales de la mucosa intestinal. También hay abundantes lamelipodios que las células exteriorizan cuando se desplazan sobre superficies. Los filamentos de actina interactúan con los receptores de integrina y forman complejos de adhesión focal, que actúan como puntos de atracción con la superficie sobre la cual la célula se impulsa. Además, algunos motores moleculares utilizan microfilamentos como puntos de apoyo.

MOTORES MOLECULARES

Los motores moleculares que mueven proteínas, organelos y otras estructuras celulares (los cuales en conjunto se denominan “carga”) hacia todas las partes de la célula comprenden las ATPasas de 100 a 500 kDa. Éstas se unen a su carga en un extremo de la molécula y a microtúbulos o a polímeros de actina en el otro extremo, que con frecuencia se refieren como “cabeza”. Convierten la energía del ATP en movimiento a lo largo del citoesqueleto, transportando su carga con ellos. Hay tres superfamilias de motores moleculares: cinesina, dineínas y miosina. Los ejemplos de proteínas individuales de cada superfamilia se muestran en la figura 2-7. Es importante notar que hay una variación amplia entre los miembros de la superfamilia, lo cual hace posible la especialización de la función (p. ej., elección de la carga, tipo de filamento del citoesqueleto, dirección del movimiento o combinaciones de estas funciones).

La forma convencional de la cinesina corresponde a una molécula de doble cabeza que tiende a desplazar su carga hacia el “extremo positivo” de los microtúbulos. Un extremo se une al microtúbulo y más tarde dobla su cuello, mientras otra cabeza se balancea hacia adelante y se une, con lo cual genera un movimiento casi continuo. Algunas cinesinas se relacionan con la mitosis y la meiosis; otras realizan diferentes funciones, que incluyen, en algunos casos, el desplazamiento de la carga al “extremo negativo” de los microtúbulos. Las dineínas poseen dos cabezas, con sus cuellos embebidos en un complejo de proteínas. Las dineínas citoplásmicas tienen una función similar a la de la cinesina convencional, excepto que tienden a desplazar las partículas y las membranas hacia el extremo negativo de los microtúbulos. Las múltiples formas de miosina en el organismo se dividen en 18 clases. Las cabezas de las moléculas de miosina se unen a la actina y producen movimiento por curvado de sus regiones del cuello (miosina II) o se desplaza a lo largo de los microfilamentos, una cabeza después de otra (miosina V). De este modo, ellas realizan funciones tan diversas como la contracción muscular y la migración celular.

CENTROSOMAS

En el citoplasma de células animales eucariotas, cerca del núcleo se encuentra el centrosoma, que está constituido por dos centriolos y material pericentriolar amorfo circundante. Los centriolos son cilindros cortos dispuestos de modo tal que forman ángulos rectos uno respecto del otro. Los microtúbulos transcurren en sentido longitudinal en grupos de tres en las paredes de cada centriolo (fig. 2-1). Ninguno de estos tripletes se halla espaciado a intervalos regulares alrededor de la circunferencia.

Los centrosomas son centros organizadores de microtúbulos (MTOC, microtubule-organizing centers) que contienen tubulina γ en el material pericentriolar. Cuando una célula se divide, los centrosomas se duplican a sí mismos y los pares se separan hacia los polos del huso mitótico; aquéllos son estructuras que permiten supervisar las etapas de la división celular. En las células multinucleadas, se encuentra un centrosoma cerca de cada núcleo.

CILIOS

Los cilios son proyecciones celulares especializadas utilizadas por los microorganismos unicelulares para impulsarse a través de líquido y por organismos multicelulares, para mover el moco y otras sustancias sobre la superficie de los epitelios. Como aspecto adicional, prácticamente todas las células del organismo humano contienen un cilio primario que nace de la superficie y que tiene como función servir como organelo sensitivo que recibe señales mecánicas y químicas de otras células y del entorno. Desde el punto de vista funcional, los cilios son indistintos de los flagelos de los espermatozoides eucariotas. En el interior del cilio, se observa un axonema que incluye una disposición singular de nueve dobletes de microtúbulos externos y de dos microtúbulos internos (disposición “9 + 2”). A lo largo de este citoesqueleto, se encuentra dineína axonémica. Las interacciones coordinadas entre timina y microtúbulos en el interior del axonema constituyen la base para el movimiento ciliar y de los espermatozoides. En la base del axonema, en su interior, se halla el cuerpo basal. Este posee nueve tripletes de microtúbulos circunferenciales, similar a un centriolo y hay indicios de que los cuerpos basales y los centriolos se convierten uno en otro. Al haber disfunción de los cilios aparecen enfermedades y trastornos de diversa índole (recuadro clínico 2-3).

MOLÉCULAS DE ADHESIÓN CELULAR

Las células se unen a la lámina basal y una con otra por acción de las moléculas de adhesión celular (CAM, cell adhesion molecules), las cuales son parte prominente de las conexiones intercelulares descritas más adelante. Se descubrió que las funciones únicas estructurales y de señalización de estas proteínas de adhesión son importantes en el desarrollo embrionario y la formación del sistema nervioso y otros tejidos, para mantener los tejidos unidos en los adultos; en la inflamación y cicatrización de heridas; y en las metástasis tumorales. Muchas moléculas de adhesión celular atraviesan la membrana celular y se anclan al citoesqueleto en el interior de la célula. Algunas se unen a moléculas similares que se encuentran en otras células (unión homofílica), en tanto otras se vinculan con moléculas diferentes (unión heterófila). Muchas se unen a lamininas, una familia de moléculas con forma de cruz y múltiples dominios de receptor en la matriz extracelular.

La nomenclatura de las moléculas de adhesión celular es un tanto complicada, en parte porque es un campo de rápido crecimiento y por el uso amplio de acrónimos, al igual que en otras áreas de la biología moderna. Sin embargo, las moléculas de adhesión celular pueden dividirse en cuatro familias amplias: 1) integrinas, heterodímeros unidos a varios receptores; 2) moléculas de adhesión de la superfamilia IgG de las inmunoglobulinas; 3) caderinas, moléculas dependientes de Ca²⁺ que median la adhesión celular por reacciones hemofílicas y 4) selectinas, que muestran dominios similares a los de la lectina, que se fijan a los carbohidratos. Las funciones específicas de algunas de estas moléculas se revisan en otros capítulos.

Las moléculas de adhesión celular fijan células con otras células vecinas y también transmiten señales hacia el interior y el exterior de la célula. Por ejemplo, las células que pierden su contacto con la matriz extracelular a través de las integrinas, poseen una tasa más alta de apoptosis en comparación con las células que se hallan fijas; las interacciones entre las integrinas y el citoesqueleto participan en el movimiento celular.

CONEXIONES INTERCELULARES

En general, las uniones intercelulares formadas entre las células en los tejidos pueden dividirse en dos grupos: uniones que fijan células entre sí y con los tejidos circundantes y uniones que permiten la transferencia de iones y otras moléculas de una célula a otra. Los tipos de uniones que mantienen juntas a las células y proporcionan fuerza y estabilidad a éstas incluyen las uniones estrechas, también conocida como zónula de oclusión (fig. 2-8). El desmosoma y la zónula de adherencia también ayudan a conservar las células unidas; en cambio, el hemidesmosoma y las adherencias focales unen a las células con sus láminas basales. Las uniones intercelulares comunicantes forman un “conducto” citoplásmico para la difusión de moléculas pequeñas (menores de 1 000 Da) entre dos células vecinas.

Por lo regular, las uniones estrechas se hallan rodeadas por bordes apicales de células en epitelios, como la mucosa intestinal, las paredes de los túbulos renales y el plexo coroideo. Tales uniones son importantes para la función de barrera endotelial, las cuales están constituidas por crestas que se adhieren con fuerza en la unión celular, con lo cual casi obliteran el espacio entre las células. Hay tres familias principales de proteínas transmembrana que contribuyen a las uniones estrechas: ocludina, moléculas de adhesión de la unión (JAM, junctional adhesion molecules) y claudinas, así como varias proteínas más que interactúan en el lado del citosol. Las uniones estrechas permiten el paso de algunos iones y solutos entre células adyacentes (vía paracelular) y el grado de la “fuga” varía según sea la parte de la proteína que participe en la formación de la unión estrecha. El flujo extracelular de iones y solutos a través del epitelio en estas uniones constituye una parte significativa del flujo total de iones y solutos. Además, las uniones estrechas evitan el movimiento de proteínas en el plano de la membrana, lo cual ayuda a preservar la distribución diferente de los transportadores y los conductos, en las membranas celulares apical y basolateral que hacen posible el transporte a través del epitelio.

En las células epiteliales, cada zónula adherente suele ser una estructura continua en el lado basal de la zónula de oclusión y éste es el principal sitio de unión de los microfilamentos intracelulares; la zónula adherente contiene caderinas.

Los desmosomas corresponden a placas que se caracterizan por aposición estrecha de las membranas de dos células adyacentes. Unidos al área engrosada en cada célula, se encuentran los filamentos intermedios, algunos de los cuales transcurren en dirección paralela con la membrana y otros tienen una disposición radial, alejándose de ella. Entre los engrosamientos de la membrana, el espacio intercelular contiene material filamentoso que incluye caderinas y porciones extracelulares de otras proteínas transmembrana.

Los hemidesmosomas presentan un aspecto similar a una placa de adhesión que une a las células con la lámina basal subyacente y que están conectados con los filamentos intermedios intracelulares. Sin embargo, contienen integrinas más que caderinas. La adhesión focal también une las células a sus láminas basales. Como se mencionó, son estructuras lábiles relacionadas con filamentos de actina en el interior de la célula y que desempeñan una función importante en el movimiento celular.

UNIONES COMUNICANTES

El espacio intercelular mide hasta 4 nm en las uniones comunicantes. Aquí, las unidades llamadas conexones en la membrana de cada célula se alinean unas con otras para formar la unión comunicante dodecamérica (fig. 2-9). Cada conexón está formada por seis subunidades proteínicas llamadas conexinas. Estas rodean un conducto que, cuando se alinea con el conducto en el conexón correspondiente en la célula adyacente, permite que las sustancias pasen entre las células sin que entren al líquido extracelular (ECF, extracellular fluid). Se calcula que el diámetro del poro del conducto mide entre 0.8 y 1.4 nm, lo que permite el paso de iones, azúcares, aminoácidos y otros solutos con peso molecular de hasta 1 000 Da. Las uniones estrechas favorecen la propagación rápida de la actividad eléctrica de una célula a otra, así como el intercambio de varios mensajeros químicos. Sin embargo, las uniones intercelulares comunicantes no son conductos pasivos, inespecíficos. Al menos 20 genes diferentes codifican conexinas en seres humanos y la mutación en tales genes conduce a enfermedades muy selectivas en cuanto a los tejidos afectados y el tipo de comunicación generado entre las células (recuadro clínico 2-4). Los experimentos en ratones con deleción de una conexina particular mediante manipulación génica o sustitución con una conexina diferente, confirman que las subunidades particulares de conexinas que participan en la producción de conexonas, determinan su permeabilidad y selectividad. Es importante destacar que las conexiones también sirven de conducto para el paso regulado de moléculas pequeñas entre el citoplasma y el líquido extracelular. Tal desplazamiento permite que surjan vías adicionales de señales entre las células y el tejido en ambos sentidos.

NÚCLEO Y ESTRUCTURAS RELACIONADAS

En toda célula eucariota con capacidad para dividirse, se observa un núcleo. El núcleo está constituido en gran medida por cromosomas, estructuras que se encuentran en el interior del núcleo y que portan la información genética completa para todas las especies herederas, así como las características individuales del animal. Con la excepción de las células germinativas, los cromosomas se presentan en pares, originalmente uno proveniente de cada padre. Cada cromosoma está constituido por una molécula gigante de ácido desoxirribonucleico. Una tira de este último tiene casi 2 m de longitud, pero se acomoda en el núcleo gracias a los plegamientos a intervalos alrededor de un centro de proteínas de histona para dar origen a un nucleosoma. Hay casi 25 millones de nucleosomas en cada núcleo. La estructura de los cromosomas se ha vinculado con “un collar de cuentas”. Las cuentas son los nucleosomas y el DNA entre ellas es la cuerda. La totalidad del complejo de DNA y las proteínas se denomina cromatina. Durante la división celular, el enrollamiento en las histonas se hace más laxo, tal vez por acetilación de las histonas y se tornan visibles los pares de cromosomas, pero entre las divisiones celulares solo se observa cromatina agrupada en el núcleo. La unidad final de herencia corresponde a los genes en los cromosomas. Como se revisó en el capítulo 1, cada gen es una porción de molécula del DNA.

El núcleo de la mayor parte de las células contiene un nucléolo (fig. 2-1), una acumulación de gránulos ricos en ácido ribonucleico (RNA). En algunas células, el núcleo contiene varias de estas estructuras. El nucléolo es más prominente y numeroso en las células en crecimiento. Aquél es sitio de síntesis de ribosomas, las estructuras en el citoplasma en las cuales se sintetizan las proteínas.

El interior del núcleo tiene un esqueleto de filamentos finos que se encuentran unidos a la membrana nuclear o envoltura (fig. 2-1), la cual rodea el núcleo. Esta es una membrana doble y los espacios entre los pliegues se denominan cisternas perinucleares. La membrana es permeable sólo a las moléculas pequeñas. No obstante, contiene complejos de poros nucleares. Cada complejo tiene ocho repeticiones simétricas y está constituido por casi 100 proteínas organizadas para formar un conducto a través del cual ocurre el transporte de proteínas y de mRNA. Se conocen muchas vías de transporte e innumerables proteínas participan en ellas, entre otras las importinas y exportinas, que se han identificado y definido. Gran parte de la investigación presente se centra en el transporte hacia el interior y el exterior del núcleo y, en un futuro cercano, se logrará una mejor comprensión de este proceso.

RETÍCULO ENDOPLÁSMICO

El retículo endoplásmico es una serie compleja de túbulos en el citoplasma de la célula (fig. 2-1; fig. 2-10 y fig. 2-11). La extremidad interna de su membrana tiene continuidad con un segmento de la membrana nuclear, de forma que, en efecto, esta parte de la membrana nuclear es una cisterna de retículo endoplásmico. Las paredes tubulares se encuentran constituidas por membrana. En el retículo endoplásmico rugoso o granuloso, los ribosomas se hallan unidos al extremo citoplásmico de la membrana, en tanto el retículo endoplásmico liso o agranular carece de ribosomas. En el citoplasma, se observan ribosomas libres. El retículo endoplásmico rugoso participa en la síntesis de proteínas y en el plegamiento inicial de cadenas polipeptídicas mediante la formación de puentes de disulfuro. El retículo endoplásmico liso es el sitio de síntesis de esteroides en las células que producen dichas hormonas y corresponde al lugar donde ocurre la desintoxicación en algunas células. El retículo sarcoplásmico es un retículo endoplásmico modificado que desempeña una función importante en los músculos estriado y cardiaco. En particular, el retículo endoplásmico o sarcoplásmico puede secuestrar iones de Ca²⁺ y permite la liberación de moléculas de señalización en el citosol.

RIBOSOMAS

Estas estructuras en las células eucariotas miden casi 22 por 32 nm. Cada ribosoma está formado por una subunidad grande y una pequeña, las cuales, con base en la tasa de sedimentación durante la ultracentrifugación, reciben el nombre de subunidades 60S y 40S. Los ribosomas son estructuras complejas que contienen muchas proteínas diferentes y al menos tres RNA ribosómicos. Son sitios de síntesis proteínica. Los ribosomas que se unen al retículo endoplásmico sintetizan todas las proteínas transmembrana, la mayor parte de las proteínas secretadas y casi todas las proteínas que se almacenan en el aparato de Golgi, lisosomas y endosomas. Estas proteínas casi siempre tienen una señal peptídica hidrófoba en un extremo (fig. 2-10). Las cadenas polipeptídicas que forman estas proteínas son exteriorizadas hacia el retículo endoplásmico. Los ribosomas libres sintetizan proteínas citoplásmicas, como la hemoglobina y las proteínas halladas en los peroxisomas y las mitocondrias.

APARATO DE GOLGI Y DESPLAZAMIENTO DE VESÍCULAS

El aparato de Golgi es un cúmulo de cavidades (cisternas) rodeadas por membrana, dispuestas de manera similar a una pila de monedas (fig. 2-1). Todas las células eucariotas cuentan con uno o más aparatos de Golgi, casi siempre cerca del núcleo. Gran parte de la organización del aparato de Golgi se dirige a la glucosilación apropiada de proteínas y lípidos. Se conocen más de 200 enzimas que funcionan para añadir, retirar o modificar carbohidratos de las proteínas y los lípidos en el aparato de Golgi.

Este último es una estructura polarizada, con lados cis y trans (figs. 2-1; 2-10; 2-11). Las vesículas membranosas contienen proteínas de síntesis reciente, originadas en el retículo endoplásmico rugoso y se fusionan con las cisternas en el lado cis del aparato. Las proteínas pasan a través de otras vesículas hacia la cisterna media y, por último, hacia el lado trans, de donde pasan hacia el citoplasma. Del lado trans del aparato de Golgi, las vesículas son transportadas hacia los lisosomas y hacia el exterior de la célula a través de vías constitutivas y no constitutivas; en ambos métodos, participa la exocitosis. Por el contrario, las vesículas son captadas de la membrana celular por endocitosis y pasan a los endosomas, donde son recicladas.

El tránsito vesicular en el aparato de Golgi y entre otros compartimientos membranosos en la célula, es regulado por una combinación de mecanismos comunes junto con procesos especiales que determinan en qué parte de la célula se ubicarán. Una característica prominente es la participación de un grupo de proteínas reguladoras controladas por la unión a GTP o difosfato de guanosina (GDP) (proteínas G pequeñas) relacionadas con el ensamblaje y la liberación. Una segunda característica prominente es la presencia de proteínas denominadas SNARE (por el factor soluble de unión al receptor sensible a N-etilmaleimida). Los v-SNARE (por vesícula) sobre la membrana circular interactúan de manera similar a una “llave y su cerradura” con los t-SNARE (por la primera letra en inglés de “target” [“blanco”]. Las vesículas individuales también contienen proteínas o lípidos estructurales en su membrana, las cuales ayudan a dirigir los compartimientos membranosos específicos (p. ej., aparato de Golgi, membrana celular).

CONTROL DE CALIDAD

El proceso que participa en la síntesis, plegamiento y migración de proteínas a diversas partes de la célula es tan complejo, que sorprende la ausencia de más errores y anomalías. Este proceso funciona tan bien por los mecanismos que participan en el “control de calidad” en cada nivel. El DNA dañado se detecta y repara, o bien, se omite su traducción. Asimismo, se verifican diversos RNA durante el proceso de traducción. Por último, cuando una cadena proteínica se encuentra en el retículo endoplásmico y en el aparato de Golgi, se detectan y desdoblan las proteínas anómalas en los lisosomas y los proteosomas. El resultado neto es una precisión notable en la producción de proteínas necesarias para la función corporal normal.

APOPTOSIS

Además de la división y el crecimiento bajo control genético, las células pueden morir y ser absorbidas también bajo dicho control. Este proceso se denomina muerte celular programada o apoptosis (del griego, apo “a partir de” más ptosis “caída”). Es posible llamarlo “suicidio celular” en el sentido que los propios genes de la célula tienen una participación activa en su desaparición. Debe diferenciarse de la necrosis (“destrucción celular”), en la cual se destruyen células sanas por medio de procesos externos, como la inflamación.

La apoptosis es un proceso muy frecuente durante el desarrollo y en la edad adulta. En el sistema nervioso central se generan grandes cantidades de neuronas, las cuales más tarde mueren durante el proceso de remodelación que ocurre en el curso del desarrollo y la formación de sinapsis. En el sistema inmunitario, la apoptosis elimina clonas inapropiadas de las células inmunitarias y participa en los efectos líticos de los glucocorticoides en los linfocitos. La apoptosis es un factor de importancia en procesos como la eliminación de membranas interdigitales en la vida fetal y la regresión de sistemas de conductos a lo largo del desarrollo sexual en el feto. En adultos, participa en el desprendimiento cíclico del endometrio que produce la menstruación. En el epitelio, las células que pierden sus conexiones con la lámina basal y las células vecinas sufren apoptosis. Esto explica la muerte de los enterocitos, los cuales se desprenden de las puntas de las vellosidades intestinales. Tal vez ocurra apoptosis anómala en las enfermedades autoinmunitarias y neurodegenerativas, así como en el cáncer. Es de interés que la apoptosis se presente en invertebrados, lo cual incluye nematodos e insectos. No obstante, sus mecanismos moleculares son mucho más complejos que en los vertebrados.

Una vía final común para que ocurra apoptosis es la activación de las caspasas, un grupo de proteasas de cisteína. A la fecha, se han identificado muchas de éstas en mamíferos; en seres humanos, se han encontrado 11. Tales caspasas se observan en las células en forma de proenzimas inactivas, hasta que son activadas por la maquinaria celular. El resultado neto es la fragmentación de ácido desoxirribonucleico, condensación citoplásmica y de la cromatina y, por último, formación de vesículas en la membrana, con destrucción celular y eliminación de los restos celulares por los fagocitos (recuadro clínico 2-5).

Hay varios mecanismos de transporte a través de las membranas celulares. Las vías primarias incluyen exocitosis, endocitosis, movimiento por los conductos iónicos y transportes activos primario y secundario. Cada uno de estos se describe a continuación.

EXOCITOSIS

Las vesículas que contienen material para eliminar al exterior se dirigen a la membrana celular (fig. 2-11), donde se unen de forma similar a la descrita en el tránsito vesicular entre el aparato de Golgi a través de los mecanismos v-SNARE/t-SNARE. El área de fusión se rompe, se vierte el contenido de la vesícula hacia el exterior y se deja intacta la membrana celular. Este proceso es la exocitosis dependiente de Ca²⁺ (fig. 2-12).

Obsérvese que la secreción a partir de la célula ocurre por dos vías (fig. 2-11). En la vía no constitutiva, las proteínas provenientes del aparato de Golgi al inicio son introducidas en gránulos de secreción, donde sucede el procesamiento de prohormonas a hormonas maduras antes de la exocitosis. El otro camino, la vía constitutiva, abarca el transporte rápido de proteínas a la membrana celular en la modalidad de vesículas, con poco o ningún procesamiento o almacenamiento. En ocasiones, la vía no constitutiva se conoce como vía regulada, pero este término es confuso porque la eliminación hacia el exterior de proteínas por la vía constitutiva también se encuentra regulada.

ENDOCITOSIS

Es el proceso inverso a la exocitosis. Hay varios tipos de endocitosis que reciben su nombre con base en el tamaño de las partículas ingeridas, así como por las necesidades reguladoras para un proceso en particular. Dichos tipos incluyen fagocitosis, pinocitosis, endocitosis mediada por clatrina, captación dependiente de cavéolas y endocitosis no relacionada con clatrina-cavéolas.

La fagocitosis (“comer células”) es el proceso por el cual las bacterias, el tejido muerto o el material microscópico son englobados por células, como los leucocitos polimorfonucleares de la sangre. El material hace contacto con la membrana celular, que sufre invaginación. El sitio de invaginación se estrecha, dejando el material englobado en una vacuola rodeada por membrana y con la membrana celular intacta. La pinocitosis es un proceso similar en el cual las vesículas son de tamaño mucho menor y las sustancias ingeridas se encuentran en solución. La pequeña porción de la membrana que participa en el proceso no debe malinterpretarse, porque una célula que lleva a cabo pinocitosis activa (p. ej., macrófagos) puede ingerir el equivalente a la totalidad de su membrana celular en solo una hora.

La endocitosis mediada por clatrina se observa en indentaciones de la membrana en sitios donde se acumula clatrina. Esta última es una molécula trirradiada con una región central (fig. 2-13). Conforme progresa la endocitosis, las moléculas de clatrina forman una disposición geométrica que rodea la vesícula endocítica. En el cuello de la vesícula, participa la proteína transportadora de GTP dinamina, ya sea de manera directa o indirecta, para cerrar la vesícula. Una vez que esta se ha formado por completo, la clatrina se desprende y se recicla para la formación de otra vesícula. Las vesículas se fusionan y acumulan su contenido en un endosoma temprano (fig. 2-11). A partir del endosoma temprano, puede constituirse una nueva vesícula y regresar a la membrana celular. El endosoma temprano también puede transformarse en endosoma tardío y fusionarse con un lisosoma (fig. 2-11), en el cual el contenido pasa por la digestión mediante las proteasas lisosómicas. La endocitosis mediada por clatrina es la causa de la internalización de muchos receptores y ligandos unidos a ella, lo que incluye, por ejemplo, el factor de crecimiento nervioso y las lipoproteínas de baja densidad. Este proceso también desempeña una función sináptica importante.

La exocitosis al parecer agrega a la cantidad total de membrana que rodea la célula, y si la membrana no se retirara en alguna parte a un ritmo equivalente, la célula crecería. Sin embargo, el retiro de membrana ocurre por endocitosis y este acoplamiento de exocitosis-endocitosis mantiene el área superficial de la célula en su tamaño normal.

DOMINIOS LIPÍDICOS Y CAVÉOLAS

Algunas áreas de la membrana celular son especialmente ricas en colesterol y esfingolípidos y se les ha denominado dominios lipídicos. Dichos dominios tal vez sean precursores de las depresiones de la membrana con forma de matraz denominadas cavéolas cuando sus paredes se infiltran con una proteína denominada caveolina muy similar a la clatrina. Existe un debate considerable con respecto a las funciones de los dominios lipídicos y de las cavéolas y hay pruebas que participan en la regulación del colesterol y en la transcitosis. No obstante, es claro que el colesterol puede interactuar de manera directa con la caveolina, al limitar de manera eficaz la capacidad de la proteína para desplazarse sobre la membrana. La internalización por medio de cavéolas implica la unión de la carga a la caveolina y su regulación por la dinamina. Las cavéolas son prominentes en las células endoteliales, donde colaboran en la captación de nutrientes a partir de la sangre.

CUBIERTAS Y TRANSPORTE DE VESÍCULAS

Parece que todas las vesículas que participan en el transporte tienen una cubierta proteínica. En seres humanos, se han identificado 50 complejos de subunidades de cubiertas. Las vesículas que transportan proteínas desde la región trans del aparato de Golgi hacia los lisosomas tienen una cubierta de clatrina de proteína de ensamblaje 1 (AP-1) y las vesículas endocíticas que transportan hacia los endosomas tienen una cubierta de clatrina AP-2. Las vesículas que transportan entre el retículo endoplásmico y el aparato de Golgi tienen cubiertas proteínicas I y II (COPI y COPII). Algunas secuencias de aminoácidos o los grupos unidos en las proteínas de transporte se dirigen a las proteínas de ubicaciones particulares. Por ejemplo, la secuencia de aminoácidos asparagina-prolina-cualquier aminoácido-tirosina dirige el transporte desde la superficie celular hacia los endosomas y conduce los grupos de manosa-6-fosfato del aparato de Golgi a los receptores de manosa-6-fosfato (MPR, mannose-6-phosphate receptors) en los lisosomas.

Varias proteínas G pequeñas de la familia Rab son de especial importancia en el tránsito vesicular. Parecen guiar y facilitar la unión ordenada de estas vesículas. Para ilustrar la complejidad de la dirección del tránsito vesicular, los seres humanos tienen 60 proteínas Rab y 35 proteínas de factor soluble de unión al receptor sensible a N-etilmaleimida.

PERMEABILIDAD DE MEMBRANA Y PROTEÍNAS DE TRANSPORTE DE MEMBRANA

Una técnica importante que ha permitido avances notables en el conocimiento con respecto a las proteínas de transporte es el pinzamiento zonal de membrana. Se coloca una micropipeta en la membrana de una célula y se forma un sello estrecho con la membrana. La placa de esta última bajo la punta de la pipeta casi siempre contiene unas cuantas proteínas transportadoras; esto hace posible su estudio biofísico detallado (fig. 2-14). La célula puede dejarse intacta (pinzamiento zonal de membrana unido a la célula). Otro método consiste en producir la introducción de un segmento de membrana de la célula en una pipeta, con lo cual se genera una inversión. Una tercera alternativa es aplicar presión negativa a una porción de la membrana con la micropipeta aún unida al resto de la membrana celular, lo que da acceso directo al interior de la célula (registros con célula intacta).

Las moléculas pequeñas, no polares (incluidos O₂ y N₂) y las moléculas polares pequeñas sin carga, como CO₂, difunden a través de las membranas lipídicas de las células. No obstante, las membranas tienen permeabilidad muy limitada a otras sustancias. En lugar de eso, atraviesan las membranas por endocitosis y exocitosis y por la actividad de proteínas transportadoras muy específicas, las cuales corresponden a proteínas transmembrana que forman conductos iónicos o que transportan sustancias, como glucosa, urea y aminoácidos. La permeabilidad limitada aplica incluso al agua, en cuyo caso la simple difusión ocurre a través de diversos conductos acuosos en el cuerpo (acuaporinas). Como referencia, en el cuadro 2-2 se resumen los tamaños de los iones y de otras sustancias de importancia biológica.

Algunas proteínas transportadoras son conductos iónicos acuosos, aunque muchas tienen características especiales que las hacen selectivas para una sustancia dada, como Ca²⁺ o, en el caso de las acuaporinas, el agua. Estas proteínas que abarcan la totalidad de la membrana (o conjuntos de proteínas) tienen poros estrechamente regulados que pueden abrirse o cerrarse en respuesta a cambios locales (fig. 2-15). Algunos están regulados por alteraciones en el potencial de membrana (controlados por voltaje), en tanto que otros se abren o cierran en respuesta a ligandos (controlados por ligando). El ligando a menudo es externo (p. ej., un neurotransmisor u hormonas). Sin embargo, también puede ser interno; Ca²⁺ intracelular, monofosfato de adenosina cíclico (cAMP), lípidos o una proteína G generada en células que pueden unirse de manera directa a los conductos y activarlos. Algunos de estos se abren por distensión mecánica y tales conductos sensibles a las fuerzas mecánicas desempeñan una función importante en el movimiento celular.

Otras proteínas son transportadoras, la cuales se unen a iones y a otras moléculas que después modifican su configuración al desplazarse entre el lado vinculado a un lado de la membrana celular hasta el otro extremo. Las moléculas se mueven de áreas con alta concentración a regiones con baja concentración (siguiendo su gradiente químico) y los cationes se desplazan a las regiones con carga negativa, en tanto los aniones se desplazan a las zonas con carga positiva (siguiendo su gradiente eléctrico). Cuando una proteína transportadora desplaza sustancias en la dirección de sus gradientes químicos o eléctricos, no se necesita el consumo de energía y el proceso se denomina difusión facilitada. Un ejemplo clásico es el transporte de la glucosa por el transportador de dicho carbohidrato, el cual desplaza glucosa siguiendo su gradiente de concentración desde el líquido extracelular al citoplasma de la célula. Otros transportadores acarrean sustancias contra sus gradientes químico y eléctrico. Esta modalidad de transporte necesita energía y se denomina transporte activo. En las células animales, tal energía es proporcionada casi de modo exclusivo por la hidrólisis de ATP. Por tanto, no es de sorprender que muchas moléculas transportadoras sean ATPasas, enzimas que catalizan la hidrólisis del ATP. Una de estas ATPasas es la sodio-potasio adenosina trifosfatasa (Na, K ATPasa) también conocida como bomba de sodio-potasio. Asimismo, hay adenosina trifosfatasa en la mucosa gástrica y en los túbulos renales. La adenosina trifosfatasa de iones calcio extrae dichos iones de las células. Las ATPasas de protones tornan ácidos muchos organelos intracelulares, lo cual incluye partes del aparato de Golgi y los lisosomas.

Algunas proteínas transportadoras se denominan transportadores simples porque solo transportan una sustancia; en cambio, otras se denominan cotransportador unidireccional porque su transporte precisa de la unión de más de una sustancia para que la proteína transportadora y las sustancias sean conducidas a través de la membrana en conjunto. Un ejemplo es el transporte simultáneo en la mucosa intestinal por difusión facilitada de sodio y glucosa por las células de la mucosa. Otros se denominan cotransportador bidireccional porque intercambian una sustancia por otra.

CONDUCTOS IÓNICOS

Hay conductos iónicos específicos para potasio, sodio, calcio y cloro, así como conductos que no son selectivos para cationes o aniones. Cada tipo de conducto se encuentra en múltiples formas con diversas propiedades. La mayor parte está constituida por subunidades idénticas o muy similares. En la figura 2-16 se muestra la estructura de múltiples unidades de varios tipos de conductos en un diagrama que representa un corte transversal.

Casi todos los conductos de potasio son tetrámeros, con cada una de las cuatro subunidades, formando una parte del poro a través del cual pasan los iones de potasio. El análisis estructural de los conductos de este elemento controlados por voltaje en bacterias indica que cada una de las cuatro subunidades tiene una extensión con forma de pala que contiene cuatro cargas. Cuando el conducto se cierra, las extensiones se encuentran cerca del interior de la célula con carga negativa. Cuando se reduce el potencial de membrana, las “palas” que contienen la carga se doblan a través de la membrana hacia su superficie exterior, lo cual propicia la abertura del conducto. Este conducto bacteriano de potasio es muy similar a los conductos de potasio controlados por voltaje en diversas especies, incluidos los mamíferos. En el conducto iónico de acetilcolina y en otros conductos para cationes controlados por ligando o conductos aniónicos, el poro está formado por cinco subunidades. Los miembros de la familia C1C de los conductos de cloro son dímeros, pero tienen dos poros, uno en cada subunidad. Por último, las acuaporinas son tetrámeros, con un poro de agua en cada una de las subunidades. En fecha reciente, se han clonado varios conductos iónicos con actividad enzimática intrínseca. Se han descrito más de 30 diferentes conductos controlados por voltaje o regulados por nucleótidos cíclicos de iones de sodio y potasio de este tipo. En la figura 2-17, se muestra un esquema representativo de los conductos de iones de sodio, calcio y potasio.

Se encontró otra familia de conductos de iones de sodio con diferente estructura en la membrana apical de las células epiteliales en riñones, colon, pulmones y cerebro. Los conductos epiteliales de sodio (ENaC) están constituidos por tres subunidades codificadas a su vez por tres genes diferentes. Cada una de las subunidades probablemente abarca la membrana en dos ocasiones y los extremos amino terminal y carboxilo terminal se encuentran en el interior de la célula. La subunidad α transporta iones sodio, en tanto que las subunidades β y γ no lo hacen. No obstante, la adición de dichas subunidades incrementa el transporte de iones sodio a través de la subunidad α y casi siempre se les denomina conductos de sodio susceptibles de inhibición por amilorida. Los conductos epiteliales de sodio en el riñón desempeñan una función importante en la regulación del volumen de líquido extracelular por la aldosterona. Los ratones con bloqueo génico de los conductos epiteliales de sodio nacen con vida, pero fallecen con rapidez porque no pueden desplazar sodio y agua fuera de sus pulmones.

Los seres humanos tienen varios tipos de conductos de iones cloro. Los conductos diméricos C1C se encuentran en plantas, bacterias y animales y existen nueve genes diferentes para C1C en seres humanos. Otros conductos para los iones cloro poseen la misma forma pentamérica, como el receptor de acetilcolina; los ejemplos incluyen el ácido aminobutírico γ A (GABA_A) y los receptores de glicina en el sistema nervioso central (SNC). El regulador de la conductancia transmembrana de la fibrosis quística (CFTR, cystic fibrosis transmembrane conductance regulator), que en el caso de la fibrosis quística sufre mutación, es también un conducto de cloro. Las mutaciones de conductos iónicos causan diversas conductopatías, las cuales son enfermedades que afectan sobre todo los tejidos muscular y cerebral y producen parálisis episódica o crisis convulsivas pero también se han observado en tejidos no excitables (recuadro clínico 2-6).

Na, K ATPasa

Como se mencionó antes, esta trifosfatasa cataliza la hidrólisis de ATP a difosfato de adenosina (ADP) y utiliza la energía para desplazar tres iones de sodio hacia el exterior de la célula e introducir a esta dos iones potasio por cada molécula de ATP hidrolizado. Esta es una bomba electrógena que desplaza tres cargas positivas fuera de la célula por cada dos que mueve al interior y, por tanto, se dice que tiene una tasa de acoplamiento de 3:2. Se encuentra en todas las partes del cuerpo; su actividad es inhibida por la ouabaína y los glucósidos digitálicos relacionados que se utilizan en el tratamiento de la insuficiencia cardiaca. Es un heterodímero constituido por una subunidad α con un peso molecular de casi 100 000 y una subunidad β con peso molecular cercano a 55 000. Ambas se extienden a través de la membrana celular (fig. 2-18). La separación de las subunidades elimina la actividad. La subunidad β es una glucoproteína, en tanto que el transporte de iones de sodio y potasio ocurre a través de la subunidad α. La subunidad β tiene un dominio único que abarca la membrana y tres sitios de glucosilación extracelular, todos los cuales parecen estar unidos a residuos de carbohidratos. Estos residuos constituyen casi una tercera parte de su peso molecular. La subunidad α probablemente abarque la membrana celular 10 veces, con los extremos amino y carboxilo terminales ubicados en el espacio intracelular. Esta subunidad tiene sitios de fijación intracelulares para iones de sodio y ATP, así como un sitio de fosforilación; también posee sitios de unión extracelular para iones de potasio y ouabaína. El ligando endógeno del sitio de fijación de la ouabaína es inestable.

Cuando el ion sodio se une a la subunidad α, el ATP también lo hace y se convierte a difosfato de adenosina con la transferencia de un fosfato a Asp 376, el sitio de fosforilación. Esto causa un cambio en la configuración de la proteína, con la salida de iones sodio al líquido extracelular. Más tarde, el ion potasio se une en el espacio extracelular, ocasionando la desfosforilación de la subunidad α, la cual regresa a su conformación previa, liberando iones potasio hacia el citoplasma.

Las subunidades α y β son heterogéneas y hasta el momento se han descrito las subunidades α₁, α₂, α₃, β₁, β₂ y β₃. La isoforma α₁ se encuentra en las membranas de la mayor parte de las células, en tanto que la subunidad α₂ está presente en los tejidos muscular, cardiaco, adiposo y cerebral, en tanto la α₃ se halla en el tejido cardiaco y cerebral. La subunidad β₁ está ampliamente distribuida, pero no está presente en algunos astrocitos, células vestibulares del oído interno y músculos glucolíticos de fasciculación rápida. Los músculos de fasciculación rápida contienen solo subunidades β₂. Las diferentes subunidades α y β de la adenosina trifosfatasa de sodio-potasio en diversos tejidos probablemente significan la especialización para funciones en tejidos específicos.

REGULACIÓN DE LA Na, K ATPasa

La cantidad de iones sodio que suele hallarse en las células no es suficiente para saturar la bomba, de modo que si se incrementa la concentración de iones sodio, estos se bombean fuera de la célula. La actividad de la bomba es afectada por moléculas de segundo mensajero (p. ej., monofosfato de adenosina cíclico o diacilglicerol [DAG]). La magnitud y la dirección de los efectos alterados de la bomba varían con las circunstancias experimentales. Las hormonas tiroideas incrementan la actividad de la bomba por una acción genómica al aumentar la formación de moléculas de Na, K ATPasa. La aldosterona también eleva el número de bombas, aunque este efecto probablemente sea de segundo orden. La dopamina en los riñones inhibe la bomba mediante fosforilación, lo cual favorece la natriuresis. La insulina disminuye la actividad de la bomba, tal vez por diferentes mecanismos.

TRANSPORTE ACTIVO SECUNDARIO

En muchas situaciones, el transporte activo de iones sodio se vincula con el transporte de otras sustancias (transporte activo secundario). Por ejemplo, las membranas luminales de las células de la mucosa del intestino delgado contienen cotransportador unidireccional que llevan glucosa hacia las células solo si el sodio se une a la proteína y esta es transportada hacia la célula en el mismo momento. Desde las células, la glucosa alcanza al torrente sanguíneo. El gradiente electroquímico para el ion sodio se mantiene por transporte activo de dicho ion fuera de las células de la mucosa y hasta el líquido extracelular. Otros ejemplos se muestran en la figura 2-19. En el corazón, la adenosina trifosfatasa de sodio-potasio afecta de manera indirecta el transporte de iones calcio. Un cotransportador bidireccional en la membrana de las células musculares cardiacas suele intercambiar iones calcio intracelulares por iones sodio extracelulares.

El transporte activo de sodio y potasio constituye uno de los procesos que consumen más energía en el cuerpo. En promedio, utiliza casi 24% de la energía usada por las células y en las neuronas representa 70%. Esto constituye gran parte del metabolismo basal. La principal consecuencia del uso de esta energía es el establecimiento de un gradiente electroquímico en las células.

TRANSPORTE A TRAVÉS DEL EPITELIO

En el tubo digestivo, aparato respiratorio, túbulos renales y otras estructuras revestidas de células del epitelio polarizado, las sustancias penetran en un lado de la célula y salen por el otro, con lo cual se desplazan las sustancias de un lado del epitelio al otro. Para que ocurra transporte transepitelial, las células deben vincularse mediante uniones estrechas y tienen diferentes conductos iónicos y proteínas transportadoras en diversas partes de sus membranas. La mayor parte de los casos de transporte activo secundario mencionados en el párrafo previo implica el desplazamiento transepitelial de iones y de otras moléculas.

TRANSPORTE ESPECIALIZADO A TRAVÉS DE LA PARED CAPILAR

La pared capilar que separa el plasma del líquido intersticial es distinta de las membranas celulares que separan el líquido intersticial de líquido intracelular porque la diferencia de presiones entre estas hace de la filtración un factor significativo en el desplazamiento de agua y solutos. Por definición, la filtración es un proceso donde el líquido es forzado a través de una membrana o de otra barrera por la diferencia de presiones entre los dos lados.

La estructura de la pared capilar varía de un lecho vascular a otro. No obstante, en el músculo estriado y muchos otros órganos, el agua y los solutos relativamente pequeños son las únicas sustancias que atraviesan la pared con facilidad. Las aberturas en las uniones entre las células endoteliales son demasiado pequeñas para permitir que las proteínas plasmáticas y otras sustancias coloides pasen a través de ellas en cifras significativas. Los coloides tienen pesos moleculares altos y se hallan en grandes cantidades. Pequeñas cantidades de estos cruzan la pared capilar por transporte vesicular, pero tal hecho tiene un efecto pequeño. Por tanto, la pared capilar se comporta como una membrana impermeable a los coloides y ellos ejercen una presión osmótica de casi 25 mmHg. La presión coloidosmótica por coloides plasmáticos se denomina presión oncótica. La filtración a través de la membrana capilar es consecuencia de la presión hidrostática en el sistema vascular, a la cual se opone la presión oncótica. En el capítulo 31 se describe con detalle el equilibrio entre las presiones hidrostática y oncótica y el control del intercambio a través de la pared capilar.

TRANSCITOSIS

Las vesículas se encuentran en el citoplasma de las células endoteliales; moléculas proteínicas marcadas que se inyectaron en el torrente sanguíneo se han encontrado en las vesículas y en el espacio intersticial. Esto indica que pequeñas cantidades de proteínas se transportan fuera de los capilares a través de las células endoteliales por endocitosis en el lado capilar, seguida de exocitosis en el lado intersticial de las células. El mecanismo de transporte utiliza vesículas que en apariencia están recubiertas con caveolina; este proceso se denomina transcitosis, transporte vesicular o citopempsis.

Las células se comunican una con otra a través de mensajeros químicos. En un tejido dado, algunos mensajeros se desplazan de una célula a otra a través de uniones intercelulares comunicantes sin llegar al líquido extracelular. Además, las células son afectadas por mensajeros químicos secretados en el líquido extracelular o por contacto directo de una célula con otra. Los mensajeros químicos casi siempre se unen a proteínas receptoras en la superficie celular o, en algunos casos, en el citoplasma o en el núcleo, lo cual desencadena una secuencia de cambios intracelulares que generan sus efectos fisiológicos. Tres tipos generales de comunicación intracelular son mediados por mensajeros en el líquido extracelular: 1) comunicación neural, en la cual los neurotransmisores se liberan en las uniones sinápticas de las células nerviosas y actúan a través de una hendidura sináptica estrecha en la célula postsináptica, 2) comunicación endocrina, en que las hormonas y los factores de crecimiento llegan a las células a través de la sangre circulante o de la linfa y 3) comunicación paracrina, en la cual los productos de las células difunden hacia el líquido extracelular para afectar las células cercanas pero con cierta distancia (fig. 2-20). Asimismo, las células secretan mensajeros químicos que en algunas situaciones se unen a los receptores en la misma célula, es decir, la célula secreta el mensajero (comunicación autocrina). Los mensajeros químicos incluyen aminas, aminoácidos, esteroides, polipéptidos y, en algunos casos, lípidos, nucleótidos púricos y pirimidínicos. Nótese que en varias partes del organismo, el mismo mensajero químico puede tener funciones, como neurotransmisor, mediador paracrino, hormonas excretadas por neuronas hacia el torrente sanguíneo (neurohormonal) y hormonas excretadas por células glandulares hacia el torrente sanguíneo.

Una modalidad adicional de comunicación intercelular se denomina comunicación yuxtacrina. Algunas células expresan múltiples repeticiones de factores de crecimiento, como el factor transformador del crecimiento α (TGF α) en las proteínas transmembrana extracelulares que proporcionan un sitio de fijación para las células. Otras células tienen receptores para el factor transformador del crecimiento α en otra célula, lo cual las une a las dos. Esto puede ser de importancia en la producción de focos locales de crecimiento en los tejidos.

RECEPTORES PARA MENSAJEROS QUÍMICOS

Por lo general, el reconocimiento de mensajeros químicos por las células inicia con la interacción con un receptor en la célula. Se han identificado más de 20 familias de receptores para mensajeros químicos. Estas proteínas no son componentes estáticos de la célula, sino que su número se incrementa o disminuye en respuesta a diversos estímulos y sus propiedades cambian con la modificación de las condiciones fisiológicas. Cuando una hormona o un neurotransmisor está presente en cantidades excesivas, la cifra de receptores activos casi siempre disminuye (regulación descendente); en cambio, cuando hay deficiencia de mensajeros químicos ocurre un incremento del número de receptores activos (regulación ascendente). En sus actividades sobre la corteza suprarrenal, la angiotensina II es una excepción; más que disminuir, aumenta el número de receptores en la glándula suprarrenal. En el caso de receptores de membrana, la endocitosis mediada por receptores es la causa de la regulación descendente en algunas situaciones; cuando aparece endocitosis de complejos ligando-receptor (internalización), hay desplazamiento lateral de la membrana, con el fin de cubrir los huecos. Esto disminuye el número de receptores en la membrana. Algunos receptores se reciclan después de la internalización, pero otros son sustituidos por síntesis en la célula. Un tipo diferente de regulación descendente es la desensibilización, en la cual hay modificación química de los receptores de modo que los torna menos reactivos.

MECANISMOS DE ACCIÓN DE LOS MENSAJEROS QUÍMICOS

La interacción entre receptor y ligando suele ser el inicio de la respuesta celular. Este acontecimiento se manifiesta como respuestas secundarias en la célula, las cuales pueden dividirse en cuatro categorías amplias: 1) activación de conductos iónicos; 2) activación de proteína G; 3) activación de las funciones enzimáticas en la célula, o 4) activación directa de la transcripción. En cada uno de estos grupos, las respuestas pueden ser muy variadas. En el cuadro 2-3, se resumen algunos de los mecanismos habituales usados por los mensajeros químicos para llevar a cabo sus efectos intracelulares. Los ligandos, como acetilcolina, se unen de manera directa a los conductos iónicos en las membranas celulares, con cambio de su conductancia. Las hormonas tiroideas y esteroides, el 1,25-dihidrocolecalciferol y los retinoides penetran a la célula y actúan en una u otra de las familias de receptores nucleares o citoplásmicos con relación estructural. Los receptores activados se unen a DNA, el cual incrementa la transcripción de mRNA selectos. Muchos otros ligandos en el líquido extracelular se vinculan con receptores en la superficie celular y desencadenan la liberación de mediadores intracelulares como monofosfato de adenosina cíclico, trifosfato de inositol (IP₃) y diacilglicerol, los cuales inician los cambios en la función celular. Como consecuencia, los ligandos extracelulares se denominan “primeros mensajeros” y los mediadores intracelulares se llaman “segundos mensajeros”. Estos últimos originan muchos cambios a corto plazo en la función celular al alterar la función enzimática, desencadenar la exocitosis y acciones similares, pero también pueden conducir a alteración de la transcripción de varios genes. Diversos cambios enzimáticos, interacciones proteínicas o cambios de segundo mensajero pueden activarse en el interior de la célula de manera ordenada, después del reconocimiento del primer mensajero por el receptor. La vía de señalización celular resultante proporciona la amplificación de la señal primaria y la distribución de la señal a los sitios apropiados en la célula. Las vías de señalización celular amplia también dan la oportunidad para la retroalimentación y la regulación finas de la señal con el objeto de obtener la respuesta fisiológica correcta por parte de la célula.

Después de la traducción, la modificación más predominante en las proteínas, la fosforilación, es un tema frecuente en cuanto a las vías de señalización celular. La fosforilación celular se halla bajo el control de los grupos de proteínas: cinasas, enzimas que catalizan la fosforilación de residuos de tirosina o serina y treonina en las proteínas (o en algunos casos, en los lípidos) y fosfatasas, proteínas que eliminan fosfato de las proteínas (o de los lípidos). Algunas de las familias de receptores más grandes son las cinasas. Los receptores de tirosina cinasa inician la fosforilación de los residuos de tirosina en los receptores complementarios después de la unión del ligando. Los receptores de serina-treonina cinasa inician la fosforilación en la serina o treonina en los receptores complementarios luego de la unión con el ligando.

Los receptores de citocinas tienen vinculación directa con un grupo de proteína cinasa que se activa después de la unión de la citocina. Además, los cambios de segundo mensajero pueden ocasionar fosforilación adicional en la vía de señalización. Se han descrito más de 500 proteínas cinasas. En el cuadro 2-4 se resumen algunas de las principales que son de importancia en la señalización celular de mamíferos. En general, la adición de grupos fosfato cambia la conformación de las proteínas, al alterar sus funciones y, como consecuencia, las funciones de la célula. La relación entre la fosforilación y la desfosforilación de las proteínas celulares hace posible un control transitorio de la activación de la vía de señalización celular. En ocasiones, esto se denomina “temporizador de fosfato”. La disregulación de este último y de la señalización celular ulterior en la célula es causa de enfermedades (recuadro clínico 2-7).

ESTIMULACIÓN DE LA TRANSCRIPCIÓN

Un resultado habitual de la señalización celular es la activación de la transcripción y la traducción subsiguiente. Se conocen tres vías distintas para mensajeros primarios para alterar la transcripción de las células. En primer lugar, como en el caso de las hormonas tiroideas o esteroides, el mensajero primario es capaz de atravesar la membrana celular y unirse con receptores nucleares, mediante interacción directa con el DNA con el propósito de alterar la expresión genética. Una segunda vía para la transcripción génica es la activación de la proteína cinasa citoplásmica, la cual se desplaza hasta el núcleo para fosforilar un factor de transcripción latente para su activación. Esta vía es el punto final común de la señalización que va a través de la cascada de la proteína cinasa activada por mitógeno (MAP). La proteína cinasa activada por mitógeno puede desencadenar su acción después de diversas interacciones entre ligando y receptor a través de una señalización de segundo mensajero. Esto incluye una serie de tres cinasas que coordinan una fosforilación escalonada para activar una a una las proteínas en el citosol de manera seriada. La fosforilación de la última proteína cinasa activada por mitógeno de la serie permite la migración al núcleo, donde causa la fosforilación de un factor de transcripción latente. Una tercera vía común es la activación de un factor de transcripción latente en el citosol, el cual más tarde migra al núcleo y altera la transcripción. Esta vía es compartida por diversos grupos de factores de transcripción, entre los cuales se incluye el factor nuclear κ B (NFκB, nuclear factor kappa B; activado después de la unión al receptor de la familia del factor de necrosis tumoral y de otros tipos) y transductores de señales de la transcripción activada (STAT, signal transducers of activated transcription; activados después de la unión con el receptor de citocinas). En todos los casos, la unión del factor de transcripción activado con el ácido desoxirribonucleico incrementa (o en algunos casos, disminuye) la transcripción de mRNA codificado por el gen al cual se une. Los mRNA se traducen en los ribosomas con la producción de cantidades crecientes de proteínas que modifican la función celular.

CALCIO INTRACELULAR COMO SEGUNDO MENSAJERO

Este ion regula gran número de procesos fisiológicos que son tan diversos como la proliferación, señalización neural, aprendizaje, contracción, secreción y fertilización, de modo que la regulación de iones calcio intracelulares es de gran importancia. La concentración de iones calcio libres en el citoplasma en reposo se conserva en casi 100 nmol/L. La concentración de estos iones en el líquido intersticial es de casi 12 000 veces la concentración citoplásmica (1 200 000 nmol/L) de manera que hay un gradiente de concentración directo hacia el interior de la célula, así como un gradiente eléctrico en el mismo sentido. Gran parte del ion calcio intracelular se almacena en concentraciones relativamente altas en el retículo endoplásmico y en otros organelos (fig. 2-21) y estos organelos proporcionan un medio de almacenamiento por el cual el calcio puede movilizarse a través de conductos controlados por ligando para incrementar la concentración de dicho ion libre en el citoplasma. El incremento de calcio citoplásmico hace que se una a las proteínas transportadoras de calcio y las active, lo que quizá tenga efectos directos en la fisiología celular o tal vez activen a otras proteínas, casi siempre proteína cinasa con el propósito de activar vías de señalización celular adicionales.

El calcio puede entrar en la célula desde el líquido extracelular, en contra de su gradiente electroquímico, a través de diversos conductos para este ion. Algunos de estos son controlados por ligando y otros por voltaje. Hay células donde también existen conductos activados por distensión.

Muchos segundos mensajeros actúan al incrementar la concentración citoplásmica de iones calcio. El aumento se origina de la liberación de dichos iones de las reservas intracelulares (sobre todo el retículo endoplásmico), al incrementar la entrada de iones calcio hacia las células o por ambos mecanismos. El trifosfato de inositol es un segundo mensajero de gran importancia que hace posible la liberación de calcio en el retículo endoplásmico a través de activación directa de conductos activados por ligandos, por el receptor trifosfato de inositol. En efecto, la generación de un segundo mensajero (trifosfato de inositol) puede conducir a la liberación de otro segundo mensajero (iones calcio). En muchos tejidos, la liberación transitoria de estos iones de las reservas internas en el citoplasma desencadena la abertura de los conductos de calcio en la membrana celular (conductos de calcio controlados por reservas [SOCC]). La entrada de iones calcio en el interior de la célula sustituye la totalidad de calcio intracelular y rellena el retículo endoplásmico. Investigaciones recientes han identificado las relaciones físicas entre SOCC y las interacciones reguladoras de proteínas provenientes del retículo endoplásmico que “regulan” tales conductos.

Al igual que con otras moléculas que actúan como segundos mensajeros, el incremento de calcio en el citosol es rápido y es seguido por un decremento rápido. El movimiento de dichos iones fuera del citosol (a través de la membrana plasmática o de la membrana de almacenamiento interno) requiere el desplazamiento en contra de su gradiente electroquímico y necesita de energía. El desplazamiento de iones calcio fuera de la célula es facilitado por la adenosina trifosfatasa de calcio (Ca²⁺ ATPasa) de la membrana plasmática. También puede transportarse por un cotransportador bidireccional que intercambia tres iones sodio por cada ion de calcio estimulado por la energía almacenada en el gradiente electroquímico de iones sodio. El desplazamiento de calcio en las reservas internas parece ser acción de la adenosina trifosfatasa de calcio del retículo sarcoplásmico o endoplásmico, también conocida como bomba SERCA.

PROTEÍNAS TRANSPORTADORAS DE CALCIO

Se han descrito muchas proteínas diferentes que transportan calcio, estas incluyen troponina, calmodulina y calbindina. La troponina es la proteína transportadora de calcio que participa en la contracción del músculo estriado (véase cap. 5). La calmodulina contiene 148 residuos de aminoácidos (fig. 2-22) y tiene cuatro dominios fijadores de calcio. Es singular porque el residuo de aminoácido 115 trimetilado está muy conservado y se encuentra en plantas y animales. Cuando la calmodulina se une al calcio, es capaz de activar cinco diferentes cinasas dependientes de calmodulina (CaMK; cuadro 2-4), entre otras proteínas. Una de las cinasas es la cinasa de cadena ligera de miosina, que fosforila a la miosina. Esto favorece la contracción del músculo liso. La cinasa dependiente de calmodulina I (CaMKI) y la cinasa dependiente de calmodulina II (CaMKII) participan en la función sináptica y la cinasa dependiente de calmodulina III (CaMKIII) se desempeña en la síntesis de proteínas. Otra proteína activada por calmodulina es la calcineurina, una fosfatasa que desactiva los conductos de calcio por desfosforilación. También posee una función prominente en la activación de los linfocitos T y es inhibida por algunos inmunodepresores.

MECANISMOS DE LAS DIVERSAS ACTIVIDADES DEL CALCIO

Parece difícil comprender cómo este ion intracelular puede tener efectos tan variados como segundo mensajero. Parte de la explicación es que el calcio puede generar diferentes efectos en altas y bajas concentraciones. Este ion es susceptible de encontrarse en altas concentraciones en el sitio de su liberación de un organelo o conducto (estallido de iones calcio) y la reducción subsiguiente de sus valores después de su difusión en toda la célula. Algunos de los cambios generados duran más que el aumento en la concentración intracelular de calcio por la manera en que se unen a algunas de las proteínas transportadoras de calcio. Además, una vez liberadas, las concentraciones intracelulares de calcio con frecuencia varían a intervalos regulares y hay indicios que la secuencia y, en menor medida, la amplitud de las variaciones codifica la información para los mecanismos efectores. Por último, los incrementos en la concentración intracelular de calcio pueden expandirse a las células vecinas en forma de cola, con producción de fenómenos coordinados, como el latido rítmico en los cilios en el epitelio de las vías respiratorias.

PROTEÍNAS G

Una modalidad frecuente de generar una señal para obtener un efecto biológico en el interior de la célula es a través de las proteínas reguladoras de nucleótidos, las cuales son sensibles de activarse luego de la unión a GTP (proteínas G). Cuando una señal activadora llega a una proteína G, la proteína intercambia GDP por GTP. El complejo GTP-proteína desencadena el efecto activador de la proteína G. La actividad inherente de la guanosina trifosfatasa (GTPasa) de la proteína convierte GTP a GDP, con restablecimiento de la proteína G a un estado de reposo e inactividad. Las proteínas G pueden dividirse en dos grupos principales que participan en la señalización celular: proteínas G pequeñas y proteínas G heterotriméricas. Otros grupos que tienen regulación similar y que son importantes en la fisiología celular incluyen factores de elongación, dinamina y translocación de GTPasas.

Hay seis familias diferentes de proteínas G pequeñas (o GTPasas pequeñas), las cuales están sumamente reguladas. Las proteínas activadoras de GTPasa activadora de proteínas (GAP) tienden a inactivar proteínas G pequeñas al favorecer la hidrólisis del GTP a difosfato de guanosina en un sitio de acción central. Los factores intercambiadores de guanina (GEF) tienden a activar proteínas G pequeñas al favorecer el intercambio de GDP por GTP en el sitio activo. Algunas de las proteínas G pequeñas contienen modificaciones lipídicas que ayudan a fijarlas a las membranas, en tanto que otras son libres para difundir a través del citosol. Las proteínas G pequeñas participan en muchas funciones celulares. Miembros de la familia Rab regulan la tasa de tránsito vesicular entre el retículo endoplásmico, el aparato de Golgi, los lisosomas, los endosomas y la membrana celular. Otra familia de proteínas transportadoras pequeñas de GTP, la familia Rho/Rac, media interacciones entre el citoesqueleto y la membrana celular. La familia Ras, regula el crecimiento al transmitir las señales de la membrana celular al núcleo.

Otra familia de proteínas G, las grandes proteínas G heterotriméricas, acoplan receptores de superficie celular con unidades catalíticas que catalizan la formación intracelular de segundos mensajeros o que acoplan los receptores directamente a los conductos iónicos. Pese al conocimiento de las proteínas G pequeñas descritas antes, las proteínas G heterotriméricas con frecuencia se denominan de manera corta como “proteína G”, porque fueron las primeras en ser identificadas. Las proteínas G heterotriméricas están constituidas por tres subunidades designadas como α, β y γ (fig. 2-23). Las subunidades α y γ tienen modificaciones lipídicas que las fijan a las proteínas de la membrana plasmática. La subunidad α se une a GDP. Cuando un ligando se vincula con un receptor acoplado a proteína G (GPCR, G-protein–coupled receptor), este GDP es intercambiado por GTP y la subunidad α se separa de las subunidades combinadas β y γ. La subunidad α separada desencadena muchos efectos biológicos. Las subunidades β y γ tienen vinculación estrecha en la célula y, en conjunto, forman una molécula de señalización que también activa diversos efectores. La actividad intrínseca de la GTPasa de la subunidad α convierte GTP a GDP y esto conduce a una nueva asociación de las subunidades β y γ con la subunidad α y la terminación de la activación del efector. La actividad de GTPasa de la subunidad α puede acelerarse por la familia de reguladores de señalización de la proteína G (RGS, regulators of G proteín signaling).

Las proteínas G heterotriméricas transmiten señales de más de 1 000 receptores acoplados a proteína G y sus efectores en las células incluyen conductos iónicos y enzimas. Hay 20 genes para la subunidad α, seis para la subunidad β y 12 para la γ, lo cual permite la formación de más de 1 400 combinaciones α, β y γ. No todas las combinaciones ocurren en la célula, pero se han registrado correctamente más de 20 diferentes proteínas G heterotriméricas en la señalización celular. Estas pueden dividirse en cinco familias, cada una de las cuales tiene un grupo relativamente característico de efectores.

RECEPTORES ACOPLADOS A PROTEÍNAS G

Todos los receptores heterotriméricos acoplados a proteína G, identificados hasta la fecha, son proteínas que abarcan las membranas celulares siete veces. Por su estructura, se han denominado receptores de siete hélices o receptores serpentinos. Se ha clonado gran número de éstos y sus funciones son múltiples y diversas; lo anterior lo destaca la extensa variedad de ligandos que actúan en GPCR (cuadro 2-5). En la figura 2-24 se incluyen las estructuras de cuatro GPCR. Estos receptores se ensamblan en una estructura con forma de barril. Hasta la unión con el ligando, un cambio conformacional activa una proteína G heterotrimérica en reposo relacionada con una hoja citoplásmica de la membrana plasmática. La activación de un solo receptor puede producir una, 10 o más proteínas G heterotriméricas, lo cual hace posible la amplificación y la transducción de primer mensajero. Los receptores unidos pueden inactivarse hasta limitar la intensidad de la señalización celular. Esto con frecuencia ocurre a través de la fosforilación del lado citoplásmico del receptor. Dada la diversidad e importancia de las vías de señalización celular, los GPCR constituyen “objetivos” fundamentales en el descubrimiento y la síntesis de fármacos (recuadro clínico 2-8).

TRIFOSFATO DE INOSITOL Y DIACILGLICEROL COMO SEGUNDOS MENSAJEROS

A menudo el IP₃ es el vínculo entre la unión del ligando a la membrana que actúa a través de los iones calcio con incremento rápido en la concentración citoplásmica de este ion. Cuando uno de estos ligandos se une a su receptor, la activación del receptor origina la actividad de la fosfolipasa C (PLC) en la síntesis interna de la membrana. Los ligandos unidos a los receptores acoplados a proteína G pueden hacer esto a través de proteínas G_q heterotriméricas, en tanto que los ligandos que se unen a receptores de la tirosina cinasa pueden realizar esto a través de otras vías de señalización celular.

La fosfolipasa C tiene al menos ocho isoformas; fosfolipasa C β es activada por proteínas G heterotriméricas, en tanto que las formas fosfolipasa C γ inician su actividad a través de los receptores de tirosina cinasa. Las isoformas fosfolipasa C pueden catalizar la hidrólisis del lípido de membrana 4,5-difosfato de fosfatidilinositol (PIP₂) para formar trifosfato de inositol y diacilglicerol (DAG) (fig. 2-25). El trifosfato de inositol difunde al retículo endoplásmico, donde desencadena la liberación de iones calcio en el citoplasma por la unión con el receptor de trifosfato de inositol, un conducto de calcio controlado por ligando (fig. 2-26). El diacilglicerol también es un segundo mensajero; éste permanece en la membrana celular, donde activa una de varias isoformas de proteína cinasa C.

MONOFOSFATO DE ADENOSINA CÍCLICO

Otro segundo mensajero de importancia es el monofosfato de adenosina cíclico (AMP cíclico [cAMP]; fig. 2-27). El cAMP se forma a partir de ATP por la acción de la enzima adenilil ciclasa y se convierte a la forma fisiológicamente inactiva 5’AMP por actividad de la enzima fosfodiesterasa. Algunas de las isoformas de fosfodiesterasa que desdoblan cAMP son inhibidas por metilxantinas, como cafeína y teofilina. Como consecuencia, estos compuestos pueden aumentar los efectos hormonales y de transmisión mediados por cAMP. El AMP cíclico activa una de las proteínas cinasas dependientes de nucleótidos cíclicos (proteína cinasa A [PKA]) que, al igual que la proteína cinasa C, cataliza la fosforilación de proteínas, cambia su conformación y altera su actividad. Además, la subunidad catalítica activa de la PKA desplaza al núcleo y origina la fosforilación de la proteína transportadora de elementos de respuesta al monofosfato de adenosina cíclico (CREB). Este factor de transcripción se une al ácido desoxirribonucleico y altera la transcripción de diversos genes.

PRODUCCIÓN DE cAMP POR LA ADENILIL CICLASA

La adenilil ciclasa es una proteína de la membrana que tiene 12 regiones transmembrana. Se han descrito 10 isoformas de esta enzima y cada una posee propiedades reguladoras distintas, lo cual hace posible que la vía de cAMP se ajuste a las necesidades específicas de los tejidos. Las proteínas G heterotriméricas estimuladoras (G_s) generan activación, en tanto las proteínas G heterotriméricas inhibidoras (G_i) inactivan a la adenilil ciclasa (fig. 2-28). Cuando se une el ligando apropiado al receptor estimulador, la subunidad G_s α activa una de las adenilil ciclasas. En cambio, cuando el ligando apropiado se vincula con un receptor inhibidor, la subunidad G₁ α inhibe a la adenilil ciclasa. Los receptores son específicos y responden con umbrales bajos sólo a un ligando o un grupo selecto de ligandos relacionados. No obstante, las proteínas G heterotriméricas median los efectos estimuladores e inhibidores originados por diferentes ligandos. Además, ocurre un efecto cruzado entre el sistema de fosfolipasa C y el sistema de adenilil ciclasa, porque varias de las isoformas de esta última son estimuladas por calmodulina. Por último, los efectos de la PKA y de la proteína cinasa C son muy amplios y pueden afectarse de manera directa o indirecta por la actividad de la adenilil ciclasa. La relación estrecha entre la activación de las proteínas G y la adenilil ciclasa permite la regulación espacial de la producción de cAMP. Todos estos acontecimientos y otros hacen posible el ajuste fino de la respuesta de dicho monofosfato para un resultado fisiológico particular en la célula.

Dos toxinas bacterianas tienen efectos importantes sobre la adenilil ciclasa y son mediadas por proteínas G. Una subunidad A de la toxina del cólera cataliza la transferencia de ADP ribosa a un residuo de arginina en la mitad de la subunidad α de G_s. Esto bloquea la actividad de GTPasa, con estimulación prolongada de la adenilil ciclasa. La toxina de tos ferina cataliza la ribosilación de ADP de un residuo de cisteína cerca de la región carboxilo terminal de la subunidad α de G_i. Además de las implicaciones de estas alteraciones en procesos patológicos, ambas toxinas se utilizan para investigación básica de la función de proteínas G. El compuesto forskolina también estimula la adenilil ciclasa por acción directa en la enzima, y a menudo se usa en estudios de investigación para valorar las contribuciones de la adenilil ciclasa/cAMP a la fisiología celular.

GUANILIL CICLASA

Otro nucleótido cíclico de importancia fisiológica es el monofosfato de guanosina cíclico (GMP cíclico o cGMP); es importante en las células de los conos y los bastones para la visión. Asimismo, hay conductos iónicos regulados por cGMP y este activa la cinasa dependiente de cGMP, con la producción de diversos efectos fisiológicos.

Las guanilil ciclasas constituyen una familia de enzimas que cataliza la formación de cGMP. Se conocen dos formas (fig. 2-29). Una tiene un dominio extracelular amino terminal que es un receptor, un dominio único transmembrana y una porción citoplásmica con actividad catalítica de guanilil ciclasa. Se han identificado tres de tales guanilil ciclasas. Dos son receptores para péptido natriurético auricular (ANP, atrial natriuretic peptide; también conocido como factor natriurético auricular) y un tercero se une a la enterotoxina de Escherichia coli y al polipéptido gastrointestinal guanilina. La otra forma de guanilil ciclasa es soluble, contiene un grupo hem y no está unida a la membrana. Parece haber varias isoformas de enzimas intracelulares, que son activadas por el óxido nítrico (NO) y los compuestos que lo contienen.

FACTORES DE CRECIMIENTO

Los factores de crecimiento se han tornado gradualmente más importantes en muchos aspectos de la fisiología. Son polipéptidos y proteínas que por conveniencia se dividen en tres grupos. Uno de ellos está constituido por agentes que favorecen la multiplicación o el desarrollo de diversos tipos de células, como el factor de crecimiento nervioso (NGF), factor de crecimiento similar a la insulina tipo I (IGF-I), activinas e inhibinas y el factor de crecimiento epidérmico (EGF). Se han descrito más de 20 de estos factores. Las citocinas conforman un segundo grupo de factores, que son producidos por macrófagos y linfocitos, así como por otras células; son importantes en la regulación del sistema inmunitario (véase cap. 3). De nuevo, se han descrito más de 20 sustancias de este grupo. El tercer grupo está constituido por factores estimuladores de las colonias, que regulan la proliferación y la maduración de eritrocitos y leucocitos.

Los receptores para factor de crecimiento epidérmico, factor de crecimiento derivado de plaquetas (PDGF, platelet-derived growth factor) y muchos otros factores que aceleran la multiplicación y el crecimiento celulares, tienen un solo dominio que abarca la membrana, con un dominio intracelular de tirosina cinasa (fig. 2-29). Cuando el ligando se une a un receptor de tirosina cinasa, en primer lugar causa la dimerización de los receptores similares. La dimerización origina activación parcial de los dominios intracelulares de tirosina cinasa y la fosforilación cruzada para la activación plena de cada uno. Una de las vías activadas por fosforilación conduce, a través de Ras (una proteína G pequeña), a proteína cinasa activada por mitógeno (MAP) y, por último, a la producción de factores de transcripción en el núcleo que alteran la expresión genética (fig. 2-30).

Los receptores para citocinas y los factores estimuladores de las colonias difieren de los otros factores de crecimiento en cuanto a que la mayor parte de ellos no tiene dominios de tirosina cinasa en sus porciones citoplásmicas y algunos muestran poca o ninguna cola citoplásmica. No obstante, inician la actividad de la tirosina cinasa en el citoplasma. En particular, activan las denominadas tirosinas cinasas de Janus (JAK) en el citoplasma (fig. 2-31). Estas a su vez fosforilan proteínas transductoras de señales de la transcripción activada (STAT). Estas últimas, fosforiladas, forman homodímeros y heterodímeros y se desplazan hacia el núcleo, donde actúan como factores de transcripción. Hay cuatro JAK conocidos para mamíferos y siete proteínas transductoras de señales de la transcripción activada conocidas. Es de interés que la vía cinasas de tirosina Janus-proteínas transductoras de señales de la transcripción activada (JAK-STAT) puede activarse por la hormona de crecimiento y es otra vía directa importante de la superficie celular al núcleo. Es de importancia que las vías de Ras y JAK-STAT son complejas y hay comunicación cruzada entre ellas y con otras vías de señalización mencionadas antes.

Por último, nótese que el tema de segundos mensajeros y señalización intracelular es sumamente complejo, con múltiples vías e interacciones. En un libro como este, sólo es posible enumerar y mencionar en general la información que será útil para que el lector comprenda el resto de los aspectos de la fisiología (recuadro clínico 2-9).

HOMEOSTASIS

El entorno real de las células corporales es el componente intersticial de líquido extracelular. El funcionamiento normal de las células depende de la constancia de este líquido y no es de sorprender que los animales multicelulares hayan desarrollado un número inmenso de mecanismos reguladores para mantenerlo en equilibrio. Para describir “los diversos procesos fisiológicos que sirven para restablecer el estado normal, una vez que éste ha sido alterado”, W. B. Cannon acuñó el término homeostasis. Las propiedades amortiguadoras de los líquidos corporales y los ajustes renales y respiratorios para corregir la presencia de cantidades excesivas de ácidos o álcalis son ejemplos de mecanismos homeostáticos. Hay incontables ejemplos y gran parte de la fisiología revisa los mecanismos reguladores que actúan para preservar el equilibrio del medio interno. Muchos de estos procesos reguladores operan con base en el principio de retroalimentación negativa; las desviaciones de un punto de ajuste normal dado se detectan por un sensor y las señales provenientes de éste desencadenan cambios compensadores que continúan hasta que se alcanza de nuevo el punto de ajuste.

• La célula y los organelos intracelulares están rodeados de membranas semipermeables. Las membranas biológicas poseen un centro de bicapa de lípidos, lleno de proteínas estructurales y funcionales, mismas que contribuyen en gran medida a las propiedades semipermeables de las membranas mencionadas.

• Las células contienen diversos organelos que realizan funciones especializadas. El núcleo es un organelo que contiene el DNA celular y es el sitio de transcripción. El retículo endoplásmico y el aparato de Golgi son importantes en el “procesamiento” de proteínas y el envío de estas últimas hacia compartimientos intracelulares específicos. Los lisosomas y los peroxisomas son organelos de membrana que contribuyen al procesamiento de proteínas y lípidos. Las mitocondrias son organelos que permiten la fosforilación oxidativa en células eucariotas y también son importantes en la señalización celular especializada.

• El citoesqueleto es una red constituida por tres tipos de filamentos que proporciona integridad estructural a la célula y un medio para el desplazamiento de los organelos y de otras estructuras. Los filamentos de actina son importantes en la contracción celular, migración y señalización. Los filamentos de actina también proporcionan la estructura básica para la contracción muscular. Los filamentos intermedios son sobre todo de tipo estructural. Los microtúbulos proveen una estructura dinámica a las células que permite el movimiento de los componentes celulares en el interior de la misma.

• Hay tres superfamilias de proteínas motoras en la célula que utilizan la energía del ATP para producir fuerza, movimiento, o ambos. La miosina es un generador de fuerza para la contracción de la célula muscular. Las miosinas celulares que interactúan con el citoesqueleto (sobre todo filamentos delgados) para participar en la contracción y en el movimiento del contenido celular. Las cinesinas y las dineínas celulares son proteínas motoras que interactúan principalmente con los microtúbulos para desplazar la carga alrededor de las células.

• Las moléculas de adhesión celular colaboran en mantener unidas las células una con otra o con la matriz extracelular y para hacer posible el inicio de la señalización celular. Hay cuatro familias principales de estas proteínas: integrinas, inmunoglobulinas, caderinas y selectinas.

• Las células contienen diferentes complejos proteínicos que actúan como conexiones con otras células o con la matriz extracelular. Las uniones estrechas proporcionan cúmulos intercelulares que unen a las células en una barrera hística regulada y también suministran un mecanismo de barrera para el movimiento de las proteínas en la membrana celular. Las uniones celulares intercomunican las células de modo que ocurra el paso directo de moléculas pequeñas entre dos células. Los desmosomas y las uniones adherentes son estructuras especializadas que conservan unidas a las células. Los hemidesmosomas y las adhesiones focales unen las células a su lámina basal.

• La exocitosis y endocitosis son fenómenos de la función vesicular que hacen posible el movimiento de proteínas y lípidos en el interior y el exterior de la célula y en la membrana plasmática. La exocitosis puede ser constitutiva o no constitutiva; ambas corresponden a procesos regulados que requieren proteínas especializadas para la función vesicular. La endocitosis es la formación de vesículas en la membrana plasmática para captar el material del espacio extracelular hacia el interior de la célula.

• Las células pueden comunicarse con otras a través de mensajeros químicos. Por lo regular, los mensajeros individuales (ligandos) se unen a un receptor en la membrana plasmática para iniciar los cambios intracelulares que conducen a los cambios fisiológicos. Las familias de receptores de membrana plasmática incluyen los conductos iónicos, receptores acoplados a proteína G o a diversos receptores vinculados con enzimas (p. ej., receptores de tirosina cinasa). Hay receptores citosólicos adicionales (p. ej., receptores de esteroides) que pueden unirse a compuestos embebidos en la membrana. La activación de receptores propicia cambios celulares que abarcan modificaciones en el potencial de membrana, activación de proteínas G heterotriméricas, incremento de las moléculas de segundo mensajero o el inicio de la transcripción.

• Los segundos mensajeros son moléculas que sufren cambios rápidos en su concentración en la célula después del reconocimiento de un mensajero primario. Moléculas que con frecuencia actúan como segundo mensajero incluyen iones calcio, cAMP, cGMP, trifosfato de inositol (IP₃) y óxido nítrico (NO).