Capítulo 7: Interacciones entre las células y su ambiente

Aunque la membrana plasmática constituye el límite entre una célula viva y su ambiente inerte, los materiales que se encuentran fuera de ésta tienen una función importante en la vida de un organismo. La mayor parte de las células de una planta o de un animal están organizadas en tejidos bien definidos en los que mantienen una relación definida entre sí y con los materiales extracelulares que están entre ellas. Incluso las células que no están fijas dentro de un tejido sólido, como los leucocitos que vigilan el cuerpo, deben interactuar en formas muy específicas con otras células y con materiales extracelulares con los que entran en contacto. Estas interacciones regulan actividades tan diversas como la migración, el crecimiento y la diferenciación de las células. Además determinan la organización tridimensional de los tejidos y órganos que surgen durante el desarrollo embrionario.

Este capítulo se enfoca en el ambiente extracelular y los tipos de interacciones en las que las células participan. La figura 7.1 muestra un corte esquemático de la piel humana y proporciona una visión general de varios de los temas que se tratan en este capítulo. La capa externa de la piel (la epidermis) es un tipo de tejido epitelial. Al igual que otros epitelios que recubren espacios dentro del cuerpo, la epidermis consiste sobre todo en densas acumulaciones de células adheridas entre sí, fijadas a una capa no celular subyacente mediante uniones especializadas (que se muestran en el recuadro superior de la fig. 7.1). Estos contactos proporcionan un mecanismo para que las células se adhieran y se comuniquen entre sí. En cambio la dermis (la capa más profunda de la piel) es un tipo de tejido conjuntivo que, al igual que otros (como los que forman los tendones o los cartílagos), está formado sobre todo por material extracelular, que incluye varias fibras distintas que interactúan entre sí de maneras específicas. Una mirada más cercana a una de las células dispersas (un fibroblasto) de la dermis muestra que la capa externa de la membrana plasmática contiene receptores que median las interacciones que ocurren entre ella y los componentes de su ambiente (mostrados en el recuadro inferior de la fig. 7.1). Estos receptores de la superficie celular interactúan con el medio externo y, además, su extremo interno está conectado con varias proteínas citoplásmicas. Los receptores con este tipo de unión doble son muy adecuados para transmitir mensajes entre las células y su ambiente.

Si se comienza un desplazamiento hacia fuera desde la membrana plasmática, se pueden examinar los tipos de elementos que rodean a diversos tipos de células. En el capítulo 4 se señaló que todas las proteínas que integran la membrana plasmática, así como ciertos lípidos de membrana, tienen cadenas de azúcares (oligosacáridos) de longitud variable que se proyectan al exterior de la membrana plasmática (fig. 4.4c). Estos carbohidratos forman parte de una capa aplicada a la superficie externa de la membrana plasmática, el glucocáliz (o cubierta celular) (fig. 7.2a). Este material extracelular es muy prominente en algunos tipos de células, como las epiteliales que recubren el tubo digestivo de los mamíferos (fig. 7.2b). Se cree que el glucocáliz media interacciones entre células y entre éstas y el sustrato, suministra protección mecánica a las células, sirve como barrera contra partículas que se mueven hacia la membrana plasmática y se une a factores reguladores importantes que actúan sobre la superficie celular.

Matriz extracelular

Muchos tipos de células animales están rodeados por una matriz extracelular (ECM, extracellular matrix), una red organizada de materiales que se encuentra más allá de la proximidad inmediata de la membrana plasmática (fig. 7.3). La ECM es más que material inerte de empaque o un pegamento inespecífico que mantiene las células unidas; a menudo tiene una función reguladora clave para determinar la forma y las actividades de las células. Por ejemplo, la digestión enzimática de la ECM que rodea a células epiteliales de la glándula mamaria o a células de cartílago cultivadas produce un descenso notorio de las actividades sintéticas y secretoras de las células. La adición de los materiales de la matriz extracelular a un cultivo puede restaurar el estado diferenciado de las células y su capacidad para sintetizar sus productos usuales (fig. 7.29).

Una de las matrices mejor definidas es la membrana basal (o lámina basal), una hoja continua de 50 a 200 nm de espesor que: (1) rodea las fibras nerviosas, los músculos y las células adiposas, (2) se encuentra debajo de la superficie basal de los tejidos epiteliales, como la epidermis de la piel (figs. 7.1 y 7.4a) o el recubrimiento de los aparatos digestivo y respiratorio y (3) se encuentra debajo del recubrimiento endotelial interno de los vasos sanguíneos. Las membranas basales confieren soporte mecánico a las células que se unen a ellas, generan señales que mantienen la supervivencia celular, sirven como sustrato para la migración celular, separan tejidos adyacentes dentro de un órgano y actúan como barrera al paso de macromoléculas. Con respecto a esta última actividad, las membranas basales participan de manera importante en la prevención de la salida de proteínas de la sangre hacia los tejidos. Esto es de especial importancia en los riñones, donde la sangre se filtra a gran presión por una membrana basal de doble capa que separa los capilares del glomérulo de la pared de los túbulos renales (fig. 7.4b). La insuficiencia renal crónica en los diabéticos puede ser resultado del engrosamiento anormal de las membranas basales que rodean a los glomérulos. Las membranas basales también sirven como barrera contra la invasión de tejidos por células cancerosas. La organización molecular de dichas esturcturas se describe más adelante (fig. 7.12). Las células que no están situadas en la membrana basal, como los fibroblastos del tejido conjuntivo, están rodeadas por lo general de una ECM menos organizada, que consiste en gran medida en fibrillas filiformes.

Aunque la matriz extracelular puede tomar diversas formas en diferentes tejidos y organismos, tiende a estar compuesta por macromoléculas similares. A diferencia de la mayor parte de las proteínas presentes dentro de las células, que son moléculas compactas y globulares, las del espacio extracelular casi siempre son fibrosas y extendidas. Estas proteínas se secretan hacia el espacio extracelular, donde son capaces de ensamblarse por sí mismas en una red tridimensional interconectada, que se muestra en la figura 7.5 y se explica en las secciones siguientes. Entre sus diversas funciones, las proteínas de la ECM sirven como andamios, vigas, cables y pegamento. Como se advierte en la descripción que se presenta en seguida, las alteraciones de la secuencia de aminoácidos de las proteínas extracelulares pueden ocasionar trastornos graves. Primero se describe el colágeno, una de las moléculas más importantes y ubicuas de la ECM.

Colágeno

Los colágenos conforman una familia de glucoproteínas fibrosas que sólo están presentes en las matrices extracelulares. Dichos péptidos se hallan en todo el reino animal y se distinguen por su gran resistencia a la tensión. Se estima que una fibra de colágeno de 1 mm de diámetro es capaz de mantener suspendido un peso de 10 kg sin romperse. El colágeno es la proteína individual más abundante en el cuerpo humano (constituye más de 25% de todas las proteínas), un hecho que refleja la presencia diseminada de los materiales extracelulares.

El colágeno lo producen sobre todo los fibroblastos (células que se encuentran en varios tipos de tejido conjuntivo), las células epiteliales y las de músculo liso. Se han identificado 27 tipos distintos de colágeno. Cada uno se limita a sitios particulares del cuerpo, pero a menudo hay dos o más clases distintas juntas en la misma ECM. Se alcanza una mayor complejidad funcional porque varios tipos de colágeno se combinan dentro de la misma fibra. Estas estructuras “heterotípicas” son el equivalente biológico a una aleación metálica. Es probable que las diferentes propiedades estructurales y mecánicas se deban a las diversas mezclas de colágeno en las fibras. Aunque hay muchas diferencias entre los integrantes de la familia del colágeno, todos comparten por lo menos dos rasgos estructurales importantes. Primero, todas las moléculas de colágeno son trímeros formados por tres cadenas polipeptídicas, llamadas cadenas α. Segundo, por lo menos en una parte de su extensión, las tres cadenas polipeptídicas están entretejidas entre sí para formar una hélice triple única, parecida a un bastón (fig. 7.6a).

Las cadenas α de las moléculas de colágeno contienen grandes cantidades de prolina y muchos de estos residuos son hidroxilados después de la síntesis del polipéptido, al igual que las lisinas. Los aminoácidos con grupos OH (hidroxilo) unidos son importantes para mantener la estabilidad de la triple hélice a través de la formación de enlaces de hidrógeno entre las cadenas componentes. La incapacidad de hidroxilar cadenas de colágeno tiene graves consecuencias para la estructura y la función de los tejidos conjuntivos. Esto se hace evidente en los síntomas del escorbuto, una enfermedad causada por deficiencia de vitamina C (ácido ascórbico), que se caracteriza por inflamación gingival y pérdida de dientes, cicatrización deficiente de heridas, fragilidad ósea y debilidad del recubrimiento de los vasos sanguíneos, lo que ocasiona hemorragias internas. El ácido ascórbico es necesario como cofactor para las enzimas que agregan grupos OH a los aminoácidos lisina y prolina del colágeno.

Varias clases de colágeno, incluidos los tipos I, II y III, se describen como colágenos fibrilares, puesto que se ensamblan en fibrillas rígidas parecidas a cables que a su vez se agrupan en fibras más gruesas, casi siempre lo bastante grandes para verse a través de un microscopio óptico. La figura 7.6b,c muestra el empaquetamiento paralelo de hileras de moléculas de colágeno dentro de fibrillas. Éstas se fortalecen mediante enlaces covalentes formados entre residuos de lisina e hidroxilisina ubicados en moléculas de colágeno adyacentes. Este proceso de formación de enlaces cruzados continúa durante toda la vida y es probable que contribuya a la disminución de la elasticidad de la piel y al aumento de la fragilidad ósea en los ancianos. Estudios recientes que examinan la superficie de las fibrillas de colágeno sugieren que éstas están formadas por hebras torcidas alrededor de un eje para formar una estructura más parecida a una cuerda de dimensiones en nanómetros que a un cable (fig. 7.6d).

Entre los diversos componentes de la ECM, las moléculas de colágeno proporcionan un marco insoluble que determina muchas de las propiedades mecánicas de la matriz. De hecho, a menudo las propiedades de un tejido particular pueden relacionarse con la organización tridimensional de estas moléculas de colágeno. Por ejemplo, los tendones (que conectan los músculos con los huesos) deben resistir fuerzas de tracción muy grandes durante la contracción muscular. Estos contienen una ECM en la que las fibras de colágeno se alinean de forma paralela a su eje longitudinal y a la dirección de las fuerzas de tracción. La córnea también es un tejido importante; debe servir como una capa durable y protectora en la superficie del globo ocular, pero también debe ser transparente para que la luz pueda pasar a través del cristalino y llegar hasta la retina. La gruesa capa media de la córnea es el estroma, que contiene fibrillas de colágeno relativamente cortas que se organizan en capas distintivas. La estructura en estratos del estroma es similar a la de la madera contrachapada; las fibrillas de cada capa están dispuestas de forma paralela entre sí, pero son perpendiculares a las fibrillas de las capas adyacentes (fig. 7.7). Esta estructura entrecruzada suministra fuerza a este delicado tejido, al tiempo que la uniformidad del tamaño y el empaquetamiento ordenado de las fibrillas reduce la dispersión de los rayos de luz, lo que hace posible la transparencia de la estructura.

En virtud de su abundancia y amplia distribución, no es sorprendente que alteraciones en la formación del colágeno fibrilar produzcan trastornos graves. Las quemaduras o las lesiones traumáticas de órganos internos pueden dar lugar a la acumulación de tejido de cicatrización, el cual consiste sobre todo en colágeno fibrilar. Una condición frecuente descrita como fibrosis es consecuencia de la producción excesiva de tejido conjuntivo que contiene colágeno. Este padecimiento aparece más a menudo en los pulmones (fibrosis pulmonar) y en el hígado (cirrosis), en donde el tejido normal es sustituido poco a poco por cicatrices con abundante colágeno.

Mutaciones en los genes que codifican el colágeno tipo I pueden ocasionar osteogénesis imperfecta, un trastorno que puede ser letal y que se caracteriza por fragilidad ósea extrema, piel delgada y tendones débiles. Mutaciones en los genes que codifican el colágeno de tipo II alteran las propiedades del tejido cartilaginoso y causan enanismo y deformidades esqueléticas. Mutaciones de otros genes de colágeno pueden provocar defectos diferentes, pero relacionados, en la estructura de la matriz colágena (llamados síndromes de Ehlers-Danlos). Las personas que padecen alguno de estos síndromes tienen articulaciones demasiado flexibles y piel muy extensible.

No todos los tipos de colágeno forman fibrillas. Uno de los colágenos no fibrilares es el de tipo IV, cuya distribución se limita a las membranas basales. Éstas son láminas delgadas de sostén en las que las moléculas de colágeno de tipo IV se organizan en redes que les confieren sostén mecánico y sirven como celosía para que se depositen otros materiales extracelulares (fig. 7.12). A diferencia del colágeno de tipo I que posee una hélice triple, larga y continua, el trímero de colágeno de tipo IV ostenta segmentos no helicoidales intercalados a lo largo de la molécula, además de dominios globulares en ambos extremos. Los segmentos no helicoidales hacen que la molécula sea flexible, en tanto que los extremos globulares sirven como sitios de interacción entre las moléculas, lo que le da su carácter complejo parecido a un enrejado (fig. 7.8). Se han identificado mutaciones en los genes del colágeno de tipo IV en pacientes con síndrome de Alport, una enfermedad renal hereditaria en la que se interrumpe la membrana basal de los glomérulos (fig. 7.4b).

Proteoglucanos

Además de colágeno, las membranas basales y otras matrices extracelulares casi siempre contienen grandes cantidades de algún complejo distintivo formado por proteínas y polisacáridos denominado proteoglucano. Un proteoglucano (fig. 7.9a) consiste en una molécula de proteína central (mostrada en negro en la fig. 7.9a) a la cual se le unen cadenas de glucosaminoglucanos (GAG) (que en la figura aparecen en rojo) mediante enlaces covalentes. Cada cadena de glucosaminoglucano se forma a partir de repeticiones de un disacárido; es decir, tiene una estructura -A-B-A-B-A- en la que A y B representan dos azúcares distintos. Los GAG son muy ácidos por la presencia de grupos sulfato y carboxilo unidos a los anillos de los carbohidratos (fig. 7.9b). Los proteoglucanos de la matriz extracelular pueden ensamblarse en complejos gigantes mediante la unión de sus proteínas centrales a una molécula de ácido hialurónico, un GAG que carece de sulfato (fig. 7.9c). La figura 7.9d muestra la apariencia microscópica de uno de estos complejos, que puede ocupar un volumen equivalente al de una célula bacteriana.

A causa de las cargas negativas producidas en los GAG sulfatados, los proteoglucanos se unen a cantidades enormes de cationes, los que a su vez se adhieren a numerosas moléculas de agua. Como resultado, los proteoglucanos forman un poroso gel hidratado que llena el espacio extracelular como material de empaquetamiento (fig. 7.5) y resiste las fuerzas de compresión. Esta propiedad complementa a la de las moléculas adyacentes de colágeno, que resisten las fuerzas de tracción y proporcionan un andamio para los proteoglucanos. En conjunto, los colágenos y los proteoglucanos le dan al cartílago y a otras matrices extracelulares fuerza y resistencia a la deformación. La matriz extracelular de los huesos también se compone de colágeno y proteoglucanos, pero se endurece por la impregnación con sales de fosfato de calcio. Los GAG sulfatados y los no sulfatados se ingieren de manera regular como complementos alimenticios, en un intento de mejorar el estado de la piel y de las articulaciones.

Fibronectina

El término matriz implica a una estructura formada por una red de componentes interactivos. La expresión resulta muy adecuada para la matriz extracelular, que contiene diversas proteínas (además de colágeno y proteoglucanos) que interactúan entre sí en formas muy específicas (fig. 7.5). La fibronectina, así como otras proteínas que se describen en este capítulo, consiste en un arreglo lineal de “bloques de construcción” distintos que le da a cada polipéptido una construcción modular (fig. 7.10a). Cada molécula de fibronectina se construye a partir de una secuencia de unos 30 módulos Fn plegables de manera independiente, dos de los cuales se muestran en el recuadro superior de la figura 7.10a. Aunque los módulos de tipo Fn se descubrieron por primera vez en la fibronectina, éstos forman parte de muchas otras proteínas, desde los factores de coagulación sanguínea hasta receptores de membrana (fig. 7.22). Como se describe en la página 59, la presencia de segmentos compartidos entre diversas proteínas insinúa que muchos genes actuales surgieron durante la evolución mediante la fusión de partes de genes ancestrales distintos. En la fibronectina, los 30 módulos estructurales se combinan para formar cinco o seis dominios funcionales más grandes, ilustrados por los cilindros de color de la figura 7.10a. Cada una de las dos cadenas polipeptídicas que forman la molécula de fibronectina contiene lo siguiente:

1. Sitios de unión para muchos componentes de la ECM, como fibras de colágeno, proteoglucanos y otras moléculas de fibronectina. Estos sitios de unión facilitan las interacciones que vinculan a estas moléculas diversas en una red estable e interconectada (fig. 7.5). Las actividades de fijación de las moléculas de fibronectina se intensifican por la acción de fuerzas mecánicas que tiran de ellas y así, despliegan sus módulos componentes. El desdoblamiento de tales módulos deja al descubierto sitios de unión que de otra manera permanecerían ocultos.

2. Sitios de unión para receptores localizados en la superficie celular. Estas áreas de unión fijan de manera estable la ECM a las células (fig. 7.5). La importancia de un sustrato para unión celular, compuesto de forma parcial por fibronectina, se ilustra en la micrografía inicial del capítulo (pág. 235). La célula endotelial cultivada que muestra esta fotografía adoptó una forma diferente a la que tendría en el cuerpo porque se extendió sobre una superficie con una cubierta cuadrada de fibronectina.

La importancia de la fibronectina y otras proteínas extracelulares resulta muy evidente cuando los tejidos realizan actividades dinámicas, como sucede durante el desarrollo embrionario. Éste se caracteriza por oleadas de migración celular durante las cuales distintas células siguen rutas diferentes de una parte del embrión a otra (fig. 7.11a). Las células migrantes son guiadas por proteínas, como la fibronectina, que están contenidas dentro del ambiente molecular por el que pasan. Por ejemplo, las células de la cresta neural (que migran fuera del sistema nervioso en desarrollo hacia todas las partes del embrión) cruzan trayectos ricos en fibrillas compuestas por moléculas de fibronectina interconectadas (fig. 7.10b). La importancia de esta proteína en la migración celular de la cresta neural es fácil de revelar con una caja de cultivo, como se muestra en la figura 7.10c. Varios órganos del cuerpo, incluidos las glándulas salivales, los riñones y los pulmones, se forman por un proceso de ramificación en el que la capa epitelial se divide por una serie de hendiduras (fig. 7.10d). La importancia de la fibronectina en la formación de estas grietas se ilustra en la figura 7.10e, que muestra una glándula salival que se incubó con anticuerpos que se unen con la fibronectina. La formación de hendiduras y la ramificación se inhiben por completo como resultado de la desactivación de las moléculas de fibronectina.

Laminina

Las lamininas forman una familia de glucoproteínas extracelulares que consisten en tres cadenas polipeptídicas diferentes unidas por enlaces disulfuro y que están organizadas en una molécula que se asemeja a una cruz con tres brazos cortos y uno largo (fig. 7.5). Se han identificado por lo menos 15 lamininas diferentes. Al igual que la fibronectina, las lamininas extracelulares influyen en grado notorio en el potencial migratorio, el crecimiento y la diferenciación de las células. Por ejemplo, las lamininas tienen una participación crucial en la migración de las células germinales primordiales (fig. 7.11a). Éstas se encuentran en el saco vitelino, que se localiza fuera del embrión mismo, y luego migran por la corriente sanguínea y los tejidos embrionarios hasta la gónada en desarrollo, donde al final dan origen a los espermatozoides u óvulos. Durante su migración, las células germinales primordiales atraviesan superficies muy ricas en laminina (fig. 7.11b), puesto que tienen una proteína superficial que se adhiere con fuerza a una de las subunidades de dicha molécula. En la figura 9.48a se ilustra la influencia de la laminina en el crecimiento de los nervios.

Además de la fuerte unión a los receptores de superficie celular, las lamininas pueden adherirse a otras moléculas de laminina, proteoglucanos y otros componentes de las membranas basales (fig. 7.5). Se cree que las moléculas de laminina y el colágeno de tipo IV forman redes separadas, pero interconectadas, como se muestra en la figura 7.12. Estas mallas entrelazadas confieren fuerza y flexibilidad a las membranas basales. De hecho, éstas no se pueden formar en embriones de ratón incapaces de formar laminina, lo que ocasiona la muerte embrionaria cerca del momento de la implantación.

Propiedades dinámicas de la ECM

Las micrografías y los diagramas presentados en la primera sección de este capítulo muestran la ECM como una estructura estática. Sin embargo, ésta puede mostrar de hecho propiedades dinámicas en el espacio y en el tiempo. Por ejemplo, desde el punto de vista espacial, las fibrillas de la ECM pueden incrementar varias veces su longitud normal cuando las células tiran de ellas y se contraen cuando se alivia la tensión. Desde el punto de vista temporal, los componentes de la ECM están sujetos a degradación y reconstrucción continuas. Estos procesos sirven para renovar la matriz y permitir su remodelación durante el desarrollo embrionario o después de una lesión hística. Incluso la matriz calcificada de los huesos humanos, que se considera como una estructura estable e inerte, está sujeta a reparación continua.

La degradación de materiales extracelulares, junto con las proteínas de la superficie celular, es tarea sobre todo de una familia de enzimas que contienen cinc llamadas metaloproteinasas de la matriz (MMP, matrix metalloproteinases), las cuales se secretan hacia el espacio extracelular o están fijadas a la membrana plasmática. Como grupo, las MMP pueden digerir casi todos los componentes diversos de la ECM, aunque los miembros individuales de la familia tienen un límite estrecho de moléculas extracelulares a las que pueden atacar. Aún no se comprenden bien las funciones fisiológicas de las MMP, pero se piensa que intervienen en la remodelación del embrión, la migración de células embrionarias, la reparación de heridas y la formación de vasos sanguíneos. Como es de esperarse de enzimas cuya función normal es destruir los materiales extracelulares, es probable que la actividad excesiva o inapropiada de las MMP cause enfermedades. De hecho, las MMP intervienen en varios trastornos (como la artritis y enfermedades dentales y gingivales) y en la progresión de tumores (pág. 256). Al menos tres padecimientos esqueléticos hereditarios se han vinculado con mutaciones en los genes de MMP.

En la explicación previa se indicó que los componentes de la ECM, como la fibronectina, la laminina, los proteoglucanos y el colágeno, son capaces de unirse con receptores situados en la superficie celular (como en la fig. 7.5). La familia más importante de receptores que adhiere las células a su microambiente extracelular son las integrinas.

Integrinas

Las integrinas, que se encuentran sólo en animales, constituyen una familia de proteínas de membrana que tienen una función clave en la integración de los ambientes extracelular e intracelular. Por un lado de la membrana plasmática, las integrinas se unen a una gran variedad de moléculas (ligandos) que existen en el ambiente extracelular. Por el lado intracelular de la membrana, las integrinas interactúan en forma directa o indirecta con docenas de proteínas diferentes para influir en el curso de los fenómenos intracelulares. Las integrinas están compuestas por dos cadenas polipeptídicas transmembrana, una α y una β, que están unidas por enlaces no covalentes. Se han identificado 18 subunidades α y ocho subunidades β diferentes. Aunque en teoría podrían formarse más de 100 parejas posibles de subunidades α y β, sólo se han reconocido cerca de dos docenas de integrinas diferentes en las superficies celulares, cada una con una distribución específica en el cuerpo. Mientras muchas subunidades existen sólo como un heterodímero de integrina único, la subunidad β₁ se encuentra en 12 integrinas diferentes y la subunidad α_v en cinco de ellas (cuadro 7.1). La mayor parte de las células tiene diversas integrinas distintas y, por el contrario, la mayoría de las integrinas se halla en varios tipos celulares diferentes.

Las observaciones de las moléculas de integrina con microscopio electrónico iniciaron a finales del decenio de 1980 y sugirieron que las dos subunidades están orientadas de tal manera que forman una cabeza globular extracelular conectada con la membrana mediante un par de “piernas” alargadas (como se muestra en la fig. 7.5). Las extremidades de cada subunidad se extienden a través de la bicapa de lípidos como una sola hélice transmembrana y terminan en un pequeño dominio citoplásmico de unos 20 a 70 aminoácidos.¹ La primera cristalografía por rayos X de la porción extracelular de una integrina se publicó en 2001 y mostró un rasgo muy inesperado. En lugar de “permanecer vertical” como se predijo, la integrina α_vβ₃ se doblaba en forma notable en el nivel de las “rodillas”, de tal manera que la cabeza quedaba de frente a la superficie externa de la membrana plasmática (fig. 7.13a). Para comprender el significado de esta estructura doblada, es necesario explorar las propiedades de las integrinas.

Muchas integrinas, incluida la que aparece en la figura 7.13, sólo pueden existir en la superficie de una célula en su conformación inactiva. Dichas moléculas pueden activarse con rapidez por fenómenos que ocurren dentro de la célula, capaces de alterar la conformación de los dominios citoplásmicos de las subunidades de las integrinas. Dichos cambios se propagan por la molécula, lo que aumenta la afinidad de la integrina por un ligando extracelular. Por ejemplo, la agregación de plaquetas durante la coagulación sanguínea (fig. 7.15) ocurre sólo después de la activación citoplásmica de las integrinas α_IIbβ₃, lo cual incrementa su afinidad por el fibrinógeno. Este tipo de alteración de la afinidad de la integrina, desencadenada por cambios que suceden dentro de la célula, se conoce como señalización “de adentro hacia afuera”. En ausencia de este estímulo, la integrina permanece en estado inactivo, lo cual protege al cuerpo contra la formación inapropiada de un coágulo sanguíneo.

Cada vez hay más evidencia que sugiere que la conformación flexionada de la integrina que se muestra en la figura 7.13a corresponde al estado inactivo de la proteína, en el cual es incapaz de unirse a un ligando. De hecho, cuando se analiza una integrina α_vβ₃ con un ligando unido, ésta no posee la estructura doblada, sino que tiene una conformación vertical, como se ilustra en la figura 7.13b. El ligando se adhiere a la cabeza de la integrina en la hendidura donde las subunidades α y β se unen (fig. 7.14). Si las estructuras flexionada y vertical representan los estados inactivo y activo de una integrina, en dicho orden, entonces es importante considerar qué tipo de estímulo es capaz de inducir una transformación tan notable en la morfología de la proteína.

En la conformación inactiva “flexionada” los dominios transmembrana de las dos subunidades están muy cercanos y al parecer unidos por interacciones no covalentes entre los residuos de las dos hélices. Los dominios citoplásmicos de las integrinas se unen a proteínas de muy diversa índole; la talina, una de ellas, hace que se separen las subunidades α y β como se muestra en la estructura de la integrina activada en la figura 7.36b y en el modelo esquemático de la figura 7.14. Las mutaciones de la talina que bloquean su interacción con las subunidades de integrina β también impiden la activación de las integrinas y la adherencia a la ECM. Se piensa que la separación de las colas citoplásmicas y los dominios transmembrana de una integrina, que ocurre cuando se une la talina, inducen un cambio de conformación a través de las piernas de la integrina, de forma que la molécula asume una posición erecta en la que la cabeza de la proteína puede interactuar de manera específica con su ligando apropiado. Después del incremento de la actividad de integrinas individuales, éstas se agrupan, lo cual intensifica en gran medida la fuerza global de la interacción entre la superficie celular y sus ligandos extracelulares.

Se ha dicho que las integrinas intervienen en dos tipos importantes de actividades: adhesión de las células a sus sustratos (o a otras células) y trasmisión de señales entre el entorno y el interior de las células. En párrafos anteriores se expuso que la trasmisión de señales se hace de adentro hacia afuera, lo cual afecta en primera instancia las propiedades de ligamiento de las integrinas. La señalización también ocurre en dirección contraria, un fenómeno conocido como señalización “de afuera hacia adentro”. La unión del dominio extracelular de una integrina a un ligando como la fibronectina o el colágeno induce un cambio de conformación en el extremo citoplásmico contrario de la integrina, en particular la subunidad β. Las metamorfosis en el extremo citoplásmico a su vez alteran la forma en que la integrina interactúa con un hospedador de diferentes proteínas citoplásmicas y cómo modifica su actividad. Por ejemplo, las señales que van de afuera hacia adentro inducen cambios de conformación en la talina en el interior de la membrana, lo cual desencadena una cascada de fenómenos que culminan en la polimerización de filamentos de actina del citoesqueleto. En forma similar, la unión de las integrinas a un ligando extracelular puede inducir la activación de las proteínas cinasas citoplásmicas como la cinasa de adhesión focal (FAK, focal adhesion kinase) y la molécula Src (fig. 7.17c). Dichas cinasas pueden después fosforilar a otras proteínas e iniciar una reacción en cadena, la cual en algunos casos llega hasta el núcleo, en el que pueden ser activados grupos específicos de genes.

Las señales de afuera hacia adentro transmitidas por las integrinas (y por otras moléculas de la superficie celular) influyen en muchos aspectos del comportamiento celular, como la diferenciación, la motilidad, el crecimiento e incluso la supervivencia de la célula. La influencia de las integrinas en la longevidad celular se ilustra mejor si se comparan células benignas con malignas. Casi todas las células cancerígenas pueden desarrollarse mientras están suspendidas en un medio de cultivo líquido. Sin embargo, las células normales sólo pueden crecer y dividirse si se cultivan en un sustrato sólido; mueren cuando se colocan en suspensiones. Se cree que las células normales mueren cuando se cultivan en suspensión porque sus integrinas no pueden interactuar con los sustratos extracelulares y, como resultado, son incapaces de transmitir señales vitales al interior de ellas. Cuando las células se vuelven malignas, su supervivencia ya no depende de la unión de las integrinas. La participación de éstas en la transmisión de señales es un campo de investigación muy activo y se revisa con mayor detalle en la página 259.

En el cuadro 7.1 se enumeran varias integrinas conocidas y los ligandos extracelulares clave a los que se unen. El vínculo entre las integrinas y estos ligandos media la adhesión entre las células y su ambiente. Como células individuales pueden expresar diversas integrinas diferentes en su superficie, son capaces de unirse a distintos componentes extracelulares (fig. 7.5). A pesar de la superposición aparente que se observa en el cuadro 7.1, se cree que la mayor parte de las integrinas tiene funciones únicas, ya que ratones con genes inactivados (sección 18.17) que carecen de distintas subunidades de integrinas presentan fenotipos diferentes. Por ejemplo, ratones en los que se eliminó la subunidad α₈ exhiben defectos renales, aquellos sin α₄ padecen defectos cardiacos y los que carecen de α₅ presentan alteraciones vasculares.

Muchas de las proteínas extracelulares que se unen a las integrinas lo hacen porque contienen la secuencia de aminoácidos arginina-glicina-ácido aspártico (o en la nomenclatura abreviada de los aminoácidos, RGD). Este tripéptido está presente en los sitios de unión celular de los proteoglucanos, la fibronectina, las lamininas y varias proteínas extracelulares más. En la figura 7.10a se muestra el dominio de unión celular de la fibronectina con su asa extendida, que contiene RGD.

El descubrimiento de la importancia de la secuencia RGD abrió la puerta a nuevos caminos para el tratamiento de trastornos que afectan las interacciones entre receptores y ligandos. Cuando se lesiona la pared de un vaso sanguíneo, la región dañada se sella mediante la agregación controlada de plaquetas sanguíneas, fragmentos celulares sin núcleo que circulan en la sangre. Cuando la agregación de plaquetas ocurre en un momento o un lugar inapropiados, se puede formar un coágulo sanguíneo potencialmente peligroso (trombo) capaz de bloquear el flujo de sangre hacia órganos importantes y es una de las causas principales de infarto al miocardio y apoplejía. La agregación plaquetaria requiere que interactúen integrinas específicas de las plaquetas (α_IIbβ₃) con proteínas sanguíneas solubles que contienen RGD, como el fibrinógeno y el factor de von Willebrand, que actúan como conectores que mantienen unidas a las plaquetas (fig. 7.15, parte superior). Experimentos con animales indican que los péptidos que contienen RGD pueden inhibir la formación de coágulos sanguíneos porque impiden que las integrinas plaquetarias se unan a las proteínas sanguíneas (fig. 7.15, parte inferior). Estos hallazgos condujeron al diseño de una nueva clase de fármacos antitrombóticos (tirofiban y eptifibátido), que tienen una organización similar a la del tripéptido RGD, pero que se unen en forma selectiva a la integrina plaquetaria. La estructura de estos dos medicamentos se basa en compuestos presentes en el veneno de algunas serpientes. Por otra parte, un anticuerpo específico (ReoPro) dirigido contra el sitio de unión RGD de las integrinas α_IIbβ₃ también puede prevenir la formación de coágulos sanguíneos en ciertos pacientes que se someten a operaciones vasculares de alto riesgo. En la actualidad se prescribe un anticuerpo contra integrina distinto (natalizumab) para tratar la esclerosis múltiple (consúltese la sección “Perspectiva humana” del capítulo 17).

Los dominios citoplásmicos de las integrinas contienen sitios de unión para diversas proteínas localizadas en el citosol, incluidas varias que funcionan como adaptadores que unen la integrina con filamentos de actina del citoesqueleto (fig. 7.17). La participación de las integrinas en el establecimiento de la conexión entre la ECM y el citoesqueleto se observa mejor en dos estructuras especializadas: las adhesiones focales y los hemidesmosomas.

Adhesiones focales y hemidesmosomas: fijación de las células a su sustrato

Es mucho más fácil estudiar las interacciones de las células con el fondo de una caja de cultivo que con una matriz extracelular localizada dentro de un animal. Por consiguiente, gran parte del conocimiento actual sobre las interacciones entre la célula y la matriz se obtuvo del estudio de células adheridas a varios sustratos in vitro. En la figura 7.16 se muestran las etapas de la unión de una célula a la superficie de un recipiente de cultivo. Al principio, la célula tiene una forma redondeada, esto casi siempre sucede con células animales suspendidas en un medio acuoso. Una vez que la célula hace contacto con el sustrato, emite proyecciones que forman uniones cada vez más estables. Con el tiempo, la célula se aplana y se extiende sobre el sustrato.

Cuando fibroblastos o células epiteliales se extienden sobre el fondo de una caja de cultivo, su superficie inferior no se presiona de manera uniforme contra el sustrato; en cambio, las células se fijan a la superficie de la caja sólo en sitios dispersos y aislados, conocidos como adhesiones focales (fig. 7.17a). Éstas son estructuras dinámicas que pueden romperse con facilidad si se estimula el movimiento o la mitosis de la célula adherida. La membrana plasmática de la región de una adhesión focal contiene grandes cúmulos de integrinas (p. ej., talina, actinina α y vinculina). Los dominios citoplásmicos de las integrinas se conectan mediante varios adaptadores a los filamentos de actina del citoesqueleto (fig. 7.17b,c). Es probable que las adhesiones focales actúen como un tipo de estructura sensible, que reúne información sobre las propiedades físicas y químicas del ambiente extracelular y transmite esa información al interior de la célula, lo cual puede inducir cambios en la adhesión, la proliferación y la supervivencia de las células. Las adhesiones focales también se han implicado en la locomoción celular, durante la cual las integrinas desarrollan interacciones transitorias con materiales extracelulares (fig. 9.73b).

Las adhesiones focales son capaces de crear fuerzas mecánicas o responder a ellas, lo cual podría esperarse de una estructura que contiene actina y miosina, dos de las principales proteínas contráctiles de la célula. La figura 7.18a muestra un fibroblasto cultivado, unido a una superficie de gel que puede deformarse por fuerzas locales. La superficie original contenía un patrón de rejilla uniforme, que se distorsionó mediante fuerzas de sujeción-tracción generadas por las adhesiones focales en la superficie inferior de la célula. La figura 7.18b muestra un fibroblasto sobre un lecho de postes recubiertos de fibronectina, que son flexibles y pueden desplazarse de manera independiente. En esta micrografía es posible observar que las puntas de los postes se desvían como consecuencia de las fuerzas de tracción que ejerce la célula.

Al actuar en dirección contraria, las fuerzas mecánicas aplicadas a la superficie celular pueden ser transformadas, por la acción de adhesiones focales, en señales bioquímicas en el citoplasma. El proceso de conversión de señales mencionado ha recibido el nombre de mecanotransducción, en donde las adhesiones focales actúan como sensores mecánicos al reconocer las propiedades físicas del entorno. La capacidad de las células para reaccionar a fuerzas físicas es importante en muchos comportamientos celulares. Esto se ilustra en un estudio en el que se permitió que las células se unieran a cuentas cubiertas de fibronectina. Cuando las cuentas rodeadas de membrana fueron jaladas mediante una pinza óptica (pág. 143), el estímulo mecánico se transmitió al interior de la célula, en donde generó una onda de activación de la cinasa Src. Se piensa que la mecanotransducción es mediada por cambios conformacionales de algunas de las proteínas adaptadoras, como la talina, y es inducida por la distensión. Los cambios de conformación mencionados exponen importantes sitios de unión en las proteínas que estaban escondidos y ello permite el reclutamiento de moléculas de proteínas adicionales al complejo de adherencia.

La figura 7.17c ilustra la forma en que la tracción de una molécula de fibronectina o de colágeno puede activar cinasas de proteínas (como FAK o Src), las cuales a su vez fosforilarían varias sustancias. La activación de las cinasas de proteínas transmite señales a toda la célula, incluido el núcleo, donde puede inducir cambios en la expresión génica. La activación de la FAK, o de la molécula Src, es capaz de modificar en gran medida el comportamiento celular. La importancia de las propiedades físicas del ambiente de una célula, y cómo éstas influencian en el comportamiento celular, se ilustra en un estudio en el que células madre mesenquimatosas (MSC, mesenchymal stem cells) de médula ósea de adulto se cultivaron en sustratos con diferentes grados de elasticidad (o rigidez). Cuando se cultivaron en un sustrato blando y flexible, como el que podría encontrar una célula dentro del cerebro en desarrollo, las MSC se diferenciaron en células nerviosas. Cuando se sembraron en un sustrato más rígido, estas mismas células se diferenciaron de células musculares. Por último, cuando se cultivaron en un medio todavía más rígido, como el que alojaría a las células que van a convertirse en tejido esquelético como cartílago o hueso, las MSC se diferenciaron en osteoblastos, los cuales dan origen a células óseas.

Las adhesiones focales se encuentran con mayor frecuencia en células que crecen in vitro, aunque existen tipos similares de contactos adhesivos en ciertos tejidos, como el músculo y el tendón. Dentro del cuerpo, la unión más fuerte entre una célula y su matriz extracelular se halla en la superficie basal de las células epiteliales, en los puntos donde las células se fijan a la membrana basal subyacente mediante una estructura adhesiva especializada llamada hemidesmosoma (figs. 7.1 y 7.19). Los hemidesmosomas contienen una placa densa en la superficie interna de la membrana plasmática, con filamentos que salen hacia el citoplasma. A diferencia de los filamentos de las adhesiones focales que se forman con actina, los filamentos de los hemidesmosomas son más gruesos y están formados por la proteína queratina. Los filamentos que contienen queratina se clasifican como filamentos intermedios, que ejercen sobre todo una función de sostén (como se explica con detalle en la sección 9.4). Los filamentos de queratina del hemidesmosoma se unen a la matriz extracelular mediante integrinas que cruzan toda la membrana, incluida la α₆β₄ (fig. 7.19b). Al igual que sus contrapartes en las adhesiones focales, estas integrinas también transmiten señales desde la ECM que influyen en la forma y las actividades de las células epiteliales unidas.

La importancia de los hemidesmosomas se demuestra en una enfermedad rara, el penfigoide ampolloso, en la que los individuos producen anticuerpos que se unen a las proteínas que están presentes en estas estructuras adhesivas (los antígenos del penfigoide ampolloso). Las anormalidades causadas por la producción de anticuerpos dirigidos contra los propios tejidos (autoanticuerpos) se llaman trastornos autoinmunitarios y son el origen de una gran variedad de alteraciones. En este caso, la presencia de autoanticuerpos hace que la capa inferior de la epidermis pierda su adhesión con la membrana basal (y por lo tanto, de la capa de tejido conjuntivo de la dermis). La fuga de líquido hacia el espacio por debajo de la epidermis da origen a la grave formación de vesículas en la piel. Una enfermedad hereditaria vesicante similar, la epidermólisis ampollosa, puede ocurrir en pacientes con anomalías genéticas en cualquiera de las proteínas de los hemidesmosomas, incluidas las subunidades α₆ o β₄ de integrina, el colágeno de tipo VII o la laminina-5.

El examen de un corte delgado de un órgano mayor de algún animal revela una configuración compleja que incluye diferentes tipos de células. Es poco lo que se sabe de los mecanismos que permiten generar las disposiciones celulares tridimensionales complejas que se encuentran en los órganos en desarrollo. Se presume que este proceso depende en buena medida de interacciones selectivas entre células del mismo tipo, así como entre células de tipos diferentes. Es evidente que las células pueden reconocer las superficies de otras células y así interactuar con unas e ignoran a otras.

Es muy difícil estudiar las interacciones celulares que ocurren dentro de los diminutos órganos de un embrión en desarrollo. Los intentos iniciales para comprender el reconocimiento y la adhesión entre células se llevaron a cabo a través de la extracción un órgano en desarrollo de un embrión de pollo o un anfibio, para disociar los tejidos y obtener una suspensión de células individuales; luego se identificó la capacidad de éstas para reagruparse en cultivo. En experimentos donde se disociaron y se mezclaron células de dos órganos diferentes en desarrollo, al principio éstas se agregaban para formar un cúmulo mixto. Sin embargo, con el tiempo, las células se desplazaban dentro del agregado y al final se “segregaban”, de manera que cada célula se adhería sólo a células de su mismo tipo (fig. 7.20). Una vez separadas en un cúmulo homogéneo, estas células embrionarias se diferenciaban a menudo en muchas de las estructuras que habrían formado en el embrión intacto.

Se sabía poco acerca de la naturaleza de las moléculas que median la adhesión intercelular hasta que se desarrollaron técnicas para purificar las proteínas integrales de membrana y, en fecha más reciente, para el aislamiento y la clonación de genes que codifican estas proteínas. Ahora ya se han reconocido docenas de proteínas diferentes que participan en la adhesión celular. Se cree que las disposiciones distintas de estas moléculas en las superficies de tipos diferentes de células son la causa de las interacciones específicas entre células dentro de tejidos complejos. Cuatro familias distintas de proteínas integrales de membrana tienen una función crucial en la mediación de la adhesión intercelular: (1) las selectinas, (2) ciertos integrantes de la superfamilia de las inmunoglobulinas (IgSF, immunoglobulin superfamily), (3) algunos miembros de la familia de las integrinas y (4) las cadherinas.

Selectinas

Durante el decenio de 1960 se descubrió que linfocitos disecados de ganglios linfáticos periféricos (marcados con una sustancia radiactiva) e inyectados de nueva cuenta al cuerpo, regresaban a los sitios de donde provenían, un fenómeno que se denominó “migración de los linfocitos dirigida al origen”. Más tarde se encontró que este fenómeno podía estudiarse in vitro si se permitía que los linfocitos se adhirieran a cortes congelados de órganos linfoides. En estas condiciones experimentales, los linfocitos se adherían de manera selectiva al recubrimiento endotelial de las vénulas (las venas más pequeñas) de los ganglios linfáticos periféricos. Dicha unión podía bloquearse con anticuerpos que se unen a una glucoproteína específica llamada selectina L, localizada en la superficie de los linfocitos.

Las selectinas forman una familia de glucoproteínas integrales de la membrana que reconocen una disposición particular de azúcares en los oligosacáridos que sobresalen de la superficie de otras células y se unen a ella (pág. 129). El nombre de esta clase de receptores superficiales proviene de la palabra “lectina”, un término general para un compuesto que se une a grupos de carbohidratos específicos. Las selectinas tienen una pequeña fracción citoplásmica, un solo dominio transmembrana y un segmento extracelular grande que consiste en varios módulos separados, incluido el dominio más externo que actúa como la lectina (fig. 7.21). Existen tres selectinas conocidas: la selectina E, presente en las células endoteliales; la selectina P, que se encuentra en las plaquetas y las células endoteliales, y la selectina L, que se halla en los leucocitos. Las tres selectinas reconocen un grupo particular de azúcares (fig. 7.21c) que se encuentra en los extremos de las cadenas de carbohidratos de ciertas glucoproteínas complejas. Para que las selectinas se unan a sus ligandos de carbohidratos es necesaria la presencia de calcio. Como grupo, las selectinas median interacciones transitorias entre los leucocitos circulantes y las paredes vasculares en sitios de inflamación y coagulación. La captura de un leucocito es una tarea difícil, ya que estas células fluyen en la sangre a una velocidad considerable. Las selectinas son adecuadas para realizar esta función porque los enlaces que forman con sus ligandos se fortalecen cuando la interacción se somete a tensión mecánica, como ocurre cuando el leucocito es jalado de un sitio determinado en la pared vascular. La función de las selectinas en el proceso de inflamación se describe mejor en la sección “Perspectiva humana”, en la página 255.

Superfamilia de las inmunoglobulinas

El descubrimiento de la estructura de los anticuerpos sanguíneos en el decenio de 1960 fue uno de los hitos para la comprensión de la respuesta inmunitaria. Los anticuerpos son proteínas llamadas inmunoglobulinas (Ig), que están formados por cadenas de polipéptidos compuestas de varios dominios similares, llamados Ig. Cada uno de éstos está formado por 70 a 110 aminoácidos organizados en una estructura plegada muy ajustada, como se muestra en el recuadro de la figura 7.22. El genoma humano codifica 765 dominios Ig distintos, lo que lo vuelve el dominio más abundante en las proteínas humanas. Consideradas en conjunto, estas proteínas son miembros de la superfamilia de las inmunoglobulinas o IgSF. La mayor parte de los miembros de esta estirpe participa en varios aspectos de la función inmunitaria, pero algunos median la adhesión intercelular independiente de calcio. De hecho, el descubrimiento de los dominios similares a Ig en los receptores de adhesión celular en los invertebrados (animales que carecen de un sistema inmunitario típico) sugiere que las proteínas similares a las inmunoglobulinas evolucionaron al principio a manera de mediadores de adhesión celular y sólo después adquirieron sus funciones como efectores del sistema inmunitario de los vertebrados.

La mayor parte de las moléculas de adhesión celular de la IgSF media interacciones específicas entre los linfocitos y las células necesarias para establecer una respuesta inmunitaria (macrófagos, otros linfocitos y células efectoras). Sin embargo, algunos integrantes de esta superfamilia, como la molécula de adhesión celular vascular (VCAM, vascular cell-adhesion molecule), la molécula de adhesión celular neural (NCAM, neural cell-adhesion molecule) y la molécula L1, median la adhesión entre células no inmunitarias. Por ejemplo, la NCAM y la L1 tienen funciones importantes en el crecimiento nervioso, la formación de sinapsis y otros fenómenos durante el desarrollo del sistema nervioso. Al igual que la fibronectina y muchas otras proteínas participantes en la adhesión celular, las moléculas de adhesión de la IgSF tienen una construcción modular (fig. 7.22) y están formadas por dominios individuales con una estructura similar a la de los dominios de otras proteínas.

La importancia de la molécula L1 en el desarrollo neural se reveló de varias maneras. En los seres humanos, mutaciones en el gen L1 pueden tener consecuencias devastadoras. En los casos extremos, los niños nacen con hidrocefalia letal. Los niños con mutaciones menos graves casi siempre tienen retraso mental y dificultad para controlar los movimientos de las extremidades (espasticidad). Las necropsias de pacientes que murieron a causa de deficiencia de L1 revelan una situación notable: los individuos afectados a menudo carecen de dos haces nerviosos grandes, uno que corre entre las dos mitades del cerebro y otro que va del cerebro a la médula espinal. La ausencia de estos haces nerviosos sugiere que la molécula L1 está implicada en la dirección del crecimiento de los axones dentro del sistema nervioso embrionario.

Varios tipos de proteínas sirven como ligandos para las moléculas de la IgSF que están en la superficie celular. Como se describió antes, la mayor parte de las integrinas facilita la adhesión de las células con el sustrato, pero unas cuantas median la adhesión entre células mediante la unión con proteínas de otras células. Por ejemplo, la integrina α₄β₁ localizada en la superficie de los leucocitos se une a la VCAM, una proteína de la IgSF ubicada en el recubrimiento endotelial de ciertos vasos sanguíneos (pág. 255).

Cadherinas

Las cadherinas son una gran familia de glucoproteínas que median procesos de adhesión intercelular dependientes de Ca²⁺ y transmiten señales de la ECM al citoplasma. Las cadherinas unen células de tipo similar, sobre todo mediante la unión con la misma cadherina presente en la superficie de la célula contigua. Esta propiedad de las cadherinas se demostró por primera vez con la aplicación de ingeniería genética en células que en condiciones normales no se adherían entre sí, para que expresaran una de varias cadherinas diferentes. Luego se hicieron numerosas combinaciones de células y se vigilaron sus interacciones. Se encontró que las que expresan una especie de cadherina se adhieren en forma preferencial con otras células que expresan la misma cadherina.

Al igual que las selectinas y las moléculas de la IgSF, las cadherinas poseen una construcción modular. Las mejor estudiadas son las cadherinas “típicas” E (epitelial), N (neural) y P (placentaria). Éstas contienen un segmento extracelular relativamente grande formado por cinco dominios consecutivos de tamaño y estructura similares, una porción transmembranosa única y un pequeño dominio citoplásmico (fig. 7.23). El último a menudo se relaciona con miembros de la familia de las cateninas (proteínas citosólicas), que pueden tener dos funciones: fijar a las cadherinas al citoesqueleto (fig. 7.26) y transmitir señales al citoplasma y al núcleo.

En la figura 7.23 se presentan algunos modelos de adhesión mediada por cadherinas. Ensayos estructurales indican que cadherinas de la misma superficie celular se unen de manera lateral para formar dímeros paralelos. Dichos estudios también contribuyeron a esclarecer la función del calcio, que se conoce desde hace décadas como factor esencial para la adhesión intercelular. Como se indica en la figura 7.23, los iones de dicho elemento forman puentes entre dominios sucesivos de una molécula determinada. Estos iones mantienen la porción extracelular de cada cadherina en una conformación rígida necesaria para la adhesión celular. La unión de las células se debe a la interacción de los dominios extracelulares de las cadherinas de células adyacentes para formar una “cremallera de adhesión celular”. Se suscitó una controversia considerable acerca del grado en el que las cadherinas de células adyacentes se superponen una con otra, lo cual es la razón de que la figura 7.23 muestre varias configuraciones alternativas. Es posible que distintos tipos de células participen en interacciones de diversa índole, de manera que algunas o todas las configuraciones mostradas en la figura 7.23 pueden ocurrir en un organismo. Tal y como las interdigitaciones de la cadherina pueden compararse con una cremallera, los cúmulos de cadherina pueden compararse con el velcro; mientras mayor sea el número de cadherinas en un cúmulo, mayor es la fuerza de adhesión entre las células adyacentes.

Se piensa que las uniones mediadas por cadherinas explican la capacidad que tienen células similares para segregarse de cúmulos mixtos, como se ilustró en la figura 7.20. De hecho, las cadherinas podrían ser el factor de mayor importancia para modelar células en los tejidos cohesivos en el embrión y conservarlos ensamblados en el adulto. Como se expone en la sección “Perspectiva humana”, la pérdida de la función de las cadherinas podría ser un factor fundamental para la propagación de neoplasias malignas.

El desarrollo embrionario se caracteriza por cambios en la expresión génica, en la forma y en la movilidad de la células, en la adherencia de las mismas y en otros aspectos más. Se piensa que las cadherinas median muchos de los cambios dinámicos que ocurren en los contactos adherentes, los cuales son necesarios para construir los tejidos y los órganos del embrión, proceso conocido como morfogénesis. Por ejemplo, algunos de los fenómenos morfogenéticos que ocurren durante el desarrollo embrionario involucran a un grupo de células que cambian de un epitelio (capa celular adherente, estacionaria y con polarización apical-basal) a un mesénquima (células migratorias, no polarizadas, no adherentes y solitarias), o viceversa. La formación del mesodermo durante la gastrulación en un embrión de pollo o de un mamífero ilustra la transición epitelio-mesénquima (EMT, epithelial-mesenchymal transition). Por lo general, estas células se desprenden de una capa epitelial adhesiva (llamada epiblasto) localizada en la superficie dorsal del embrión temprano y migran a las regiones interiores como células mesenquimatosas (fig. 7.24a,b). Éstas al final darán origen a tejidos mesodérmicos, como la sangre, los músculos y los huesos. Las células del epiblasto expresan cadherinas E en su superficie, lo cual al parecer fomenta la estrecha relación que hay entre ellas. Antes de separarse del epiblasto, las futuras células mesodérmicas dejan de expresar cadherina E, lo cual se cree que favorece su liberación del epitelio y su transformación en células mesenquimatosas (fig. 7.24a). En una etapa ulterior del desarrollo, la formación del sistema nervioso primitivo (otro fenómeno importante) también se caracteriza por cambios en la expresión de cadherinas. Después de la gastrulación, la superficie dorsal del embrión queda cubierta por una capa de epitelio simple que se convertirá en los tejidos ectodérmicos del animal (incluidos la piel y el sistema nervioso). En esta fase, las células de la región central de dicho estrato suspenden la expresión de cadherina E y empiezan a producir cadherina N (fig. 7.24c). En etapas subsiguientes, las células epiteliales que expresan cadherina N se separan de sus vecinas a ambos lados y ruedan al tubo neural, el cual se convertirá en el cerebro y la médula espinal del animal. Se cree que las cadherinas (y otras moléculas de adhesión celular) tienen una función clave en estos fenómenos porque cambian las propiedades adhesivas de las células.

Aunque las cadherinas tienen una típica distribución difusa sobre las superficies de dos células adherentes, también participan en la formación de uniones intercelulares especializadas, las cuales son el tema de la sección siguiente.

Uniones adherentes y desmosomas: fijación de unas células con otras

Las células de ciertos tejidos, en especial las de los epitelios y del músculo cardiaco, son muy difíciles de separar unas de otras porque se mantienen juntas mediante especializadas uniones adhesivas dependientes de calcio. Hay dos tipos principales de uniones intercelulares: uniones adherentes y desmosomas. Además de las uniones adherentes, las células epiteliales contienen con frecuencia otros tipos de uniones celulares que también se localizan sobre sus superficies laterales, cerca de la luz apical (fig. 7.25). Cuando estas uniones se ordenan en un arreglo específico, este tipo de especialización superficial se denomina complejo de unión. Las estructuras y las funciones de las dos uniones adhesivas del complejo se describen en los párrafos siguientes, mientras que la discusión de los otros tipos de uniones epiteliales (uniones de oclusión y uniones comunicantes) se presenta más adelante en este capítulo.

Las uniones adherentes se hallan en varios sitios del cuerpo. Son muy frecuentes en los epitelios, como el del intestino, donde se encuentran como “cinturones” (o zonulae adherentes [sing., zonula adherens]) que rodean a cada una de las células cerca de su superficie apical y las unen entre sí (fig. 7.25a). En una unión adherente, las células se mantienen adheridas mediante enlaces dependientes de calcio formados entre los dominios extracelulares de moléculas de cadherina, que ocupan un espacio de 30 nm entre las células vecinas (fig. 7.26). Como lo ilustra la figura 7.26, el dominio citoplásmico de estas cadherinas se une mediante cateninas α y β a diversas proteínas citoplásmicas, incluidos los filamentos de actina del citoesqueleto. Por lo tanto, al igual que las integrinas de una adhesión focal, los cúmulos de cadherina de una unión adherente: (1) conectan el ambiente exterior con el citoesqueleto de actina y (2) proporcionan una vía potencial para que se transmitan las señales del exterior celular al citoplasma. Como ejemplo, las uniones adherentes situadas entre las células endoteliales que recubren las paredes de los vasos sanguíneos transmiten señales que aseguran la supervivencia de las células. Los ratones que carecen de una cadherina de las células endoteliales son incapaces de transmitir estas señales de supervivencia y mueren durante la etapa embrionaria como consecuencia de la eliminación de las células que recubren los vasos sanguíneos.

Los desmosomas (o maculae adherentes [sing., macula adherens]) son uniones adhesivas con forma de disco de 1 μm de diámetro (fig. 7.27a), que se encuentran en diversos tejidos. Los desmosomas son muy abundantes en los tejidos sometidos a tensión mecánica, como el músculo cardiaco y las capas epiteliales de la piel y el cuello uterino. Al igual que las uniones adherentes, los desmosomas contienen cadherinas que unen dos células a través de una brecha intercelular estrecha. Las cadherinas de los desmosomas (conocidas como desmogleínas y desmocolinas) poseen una estructura de dominios diferente a la de las cadherinas comunes que se encuentran en las uniones adherentes (fig. 7.27b). Las placas citoplásmicas densas de la superficie interna de las membranas plasmáticas sirven como sitios de fijación para filamentos intermedios curvos similares a los de los hemidesmosomas (fig. 7.19). La red tridimensional de filamentos intermedios parecidos a cuerdas suministra continuidad estructural y resistencia a la tracción a toda la lámina de células. Los filamentos intermedios se unen a los dominios citoplásmicos de las cadherinas del desmosoma mediante proteínas adicionales, como se muestra en la figura 7.27b. La importancia de las cadherinas para el mantenimiento de la integridad estructural de un epitelio se ilustra en una enfermedad autoinmunitaria (pénfigo vulgar), en la que se producen anticuerpos contra una de las desmogleínas. La enfermedad se caracteriza por la pérdida de adhesión entre las células de la epidermis y la grave formación de vesículas en la piel.

Función de los receptores de adhesión celular en la señalización transmembranosa

La figura 7.28 presenta un resumen de algunos de los puntos que se han explicado en este capítulo. La representación muestra cada uno de los cuatro tipos de moléculas de adhesión descritas y sus interacciones con los materiales extracelulares y citoplásmicos. Una de las funciones de las proteínas integrales de la membrana es transferir información a través de la membrana plasmática, un proceso que se conoce como señalización transmembranosa. Aunque este tema se analiza con detalle en el capítulo 15, puede señalarse que los cuatro tipos de moléculas de adhesión celular ilustrados en la figura 7.28 tienen la capacidad de realizar esta función. Por ejemplo, las integrinas y las cadherinas pueden transmitir señales del ambiente extracelular al citoplasma mediante enlaces con el citoesqueleto y con moléculas reguladoras del citosol, como las cinasas de proteínas y las proteínas G. Las primeras activan (o inhiben) a sus proteínas blanco mediante fosforilación, mientras que las segundas capacitan (o inhabilitan) a sus moléculas diana mediante interacciones físicas (fig. 15.21b). La unión de una integrina a su ligando puede inducir diversas reacciones dentro de una célula, incluidos cambios en el pH citoplásmico o en la concentración de Ca²⁺, la fosforilación de proteínas y la expresión de genes. A su vez, estas modificaciones pueden alterar el potencial celular de crecimiento, la actividad migratoria, el estado de diferenciación o la supervivencia. Este tipo de fenómeno se ilustra con las células de las glándulas mamarias que se presentan en la figura 7.29. Cuando estas células se retiran de una glándula mamaria y se cultivan sin aditivos, pierden su capacidad para sintetizar las proteínas de la leche y se ven como cuerpos aplanados e indiferenciados (fig. 7.29a). Cuando estas mismas células indiferenciadas se siembran en presencia de ciertas moléculas extracelulares (p. ej., laminina), recuperan su apariencia diferenciada y se organizan en estructuras glandulares productoras de leche (fig. 7.29b). Se cree que la laminina estimula las células mamarias mediante la unión con integrinas de la superficie celular y la activación de las cinasas localizadas en la superficie interna de la membrana (fig. 7.17c).

Un epitelio simple, como el recubrimiento intestinal o pulmonar, está formado por una capa de células que se adhieren con firmeza entre sí para formar una lámina celular delgada. Desde hace varios años, los biólogos saben que cuando ciertos tipos de epitelio, como el de la piel de rana o el de la pared vesical, se montan entre dos compartimientos que contienen diferentes concentraciones de solutos, se observa muy poca difusión de iones o materiales a través de la pared del epitelio de un compartimiento al otro. Dada la impermeabilidad de las membranas plasmáticas, no es sorprendente que los solutos no puedan difundirse con libertad a través de las células de una capa epitelial. Empero, ¿por qué no son capaces de pasar entre las células mediante la vía paracelular (como en la fig. 7.30a)? La razón se tornó aparente en el decenio de 1960 con el descubrimiento de uniones especializadas llamadas uniones ocluyentes (o zonulae occludentes [sing., zonula occludens])entre células epiteliales contiguas.

Las uniones ocluyentes (TJ, tight junctions) se localizan en el extremo apical del complejo de unión entre células epiteliales adyacentes (fig. 7.25). En la figura 7.30a se muestra una micrografía electrónica de un corte de una unión ocluyente, que incluye las membranas plasmáticas de las células adyacentes. En el recuadro se observa una amplificación detallada que muestra la interacción entre las membranas de una unión ocluyente. Es claro que las membranas adyacentes hacen contacto en puntos intermitentes, en lugar de estar fusionadas en una superficie amplia. Como se indica en la figura 7.30b, los puntos de contacto entre las células son sitios en los que proteínas integrales de dos membranas adyacentes se encuentran unas a otras en el espacio extracelular.

La técnica de criofractura, que permite la observación de las caras internas de una membrana (fig. 4.15), muestra que las membranas plasmáticas de una TJ contienen hebras interconectadas (fig. 7.30c) que discurren paralelas entre sí y con la superficie apical del epitelio. Las fibras (o hendiduras en la cara opuesta de una membrana fracturada) corresponden a pares de hileras de proteínas integrales de membrana alineadas, que se ilustran en el recuadro de la figura 7.30b. Las proteínas integrales de las TJ forman fibrillas continuas que rodean por completo a la célula, como un sello, y establecen contacto con las células próximas por todos lados (fig. 7.30d). Como resultado, las TJ sirven como barrera a la difusión libre de agua y solutos del compartimiento extracelular por un lado de una hoja epitelial. Las uniones ocluyentes (o estrechas) también sirven como “vallas” que ayudan a mantener el carácter polarizado de las células epiteliales (fig. 4.30). Esta función la realizan mediante el bloqueo de la difusión de proteínas integrales entre el dominio apical de la membrana plasmática y sus dominios lateral y basal. Como otros sitios de adhesión celular, las TJ también participan en vías de señalización que regulan numerosos procesos celulares.

No todas las uniones ocluyentes poseen las mismas propiedades de permeabilidad. Parte de la explicación puede verse mediante microscopia electrónica: TJ con varias hebras paralelas (como la de la fig. 7.30c) tienden a formar mejores sellos que las uniones con sólo una o dos hebras. No obstante, el asunto implica más que el número de hebras. Algunas TJ son permeables a iones o solutos específicos a los que otras uniones ocluyentes son impermeables. Estudios recientes brindan información considerable sobre las bases moleculares de la permeabilidad de las TJ.

Hasta 1998 se pensó que las hebras de las TJ se componían de una sola proteína, la ocludina. Después se encontró que células cultivadas que carecían del gen para dicha proteína, y que por lo tanto no la producían, aún podían formar hebras de la zonula occludens con estructura y función normales. Estudios posteriores realizados por Shoichiro Tsukita y colaboradores, en la Universidad de Kyoto, condujeron al descubrimiento de una familia de proteínas llamadas claudinas, que son el componente principal de las hebras en las TJ. La micrografía electrónica de la figura 7.31 muestra que la ocludina y la claudina están juntas dentro de las fibrillas lineales de una TJ. Se han identificado por lo menos 24 claudinas distintas y las diferencias en su distribución podrían explicar la permeabilidad diversa de las uniones ocluyentes. Por ejemplo, sólo una pequeña región de un túbulo renal humano, conocida como porción gruesa de la rama ascendente (TAL, thick ascending limb), tiene TJ permeables a iones magnesio (Mg²⁺). Se cree que las asas de las moléculas de claudina que se extienden al espacio extracelular forman los poros en la TAL que tienen permeabilidad selectiva para iones Mg²⁺. Esta idea se apoya en el hallazgo de un miembro específico de la familia de estas moléculas, la claudina 16, que se expresa sobre todo en la porción gruesa del asa ascendente. La importancia de la claudina 16 en la función renal se reveló en estudios de pacientes que sufren una rara enfermedad caracterizada por niveles demasiado bajos de Mg²⁺ en la sangre. Se observó que estos individuos padecen mutaciones en ambas copias del gen claudina 16. El nivel sanguíneo de Mg²⁺ es bajo porque las TJ que contienen la claudina anormal son impermeables al magnesio. Como resultado, este ion importante no se resorbe del túbulo y se excreta en la orina.

En 2002 se descubrió otra función relevante de las uniones ocluyentes. Durante décadas se pensó que la impermeabilidad de la piel de los mamíferos al agua era propiedad de la capa externa cornificada de la piel (fig. 7.1) que contiene filamentos de proteína muy aglomerados y lípidos relacionados. Sin embargo, se descubrió que los ratones que carecen del gen de la claudina 1 morían poco después de nacer a causa de deshidratación. Investigaciones posteriores revelaron que las células de una de las capas más externas de la epidermis normal están conectadas entre sí mediante TJ. Los animales que carecían del gen de la claudina 1 fueron incapaces de desarrollar TJ epidérmicas impermeables y, como resultado, perdieron agua de manera descontrolada.

Las uniones ocluyentes también están presentes entre las células endoteliales que recubren las paredes de los capilares. Estas adhesiones son muy evidentes en el cerebro, donde ayudan a formar la barrera hematoencefálica, que impide el paso de sustancias de la corriente sanguínea al cerebro. Aunque es probable que iones pequeños e incluso las moléculas de agua no puedan penetrar esta barrera, las células del sistema inmunitario pueden cruzar el endotelio a través de estas uniones. Se cree que dichas células envían una señal que abre la zonula occludens y permite que pasen. Aunque protege al cerebro contra solutos indeseables, la barrera hematoencefálica también impide el acceso de fármacos al sistema nervioso central. Por consiguiente, uno de los objetivos principales de la industria farmacéutica es desarrollar fármacos que abran en forma transitoria las TJ del cerebro para permitir el paso de sustancias terapéuticas.

Las uniones comunicantes son sitios entre las células animales especializados para la comunicación intercelular. Las micrografías electrónicas revelan que las uniones comunicantes son áreas en las que las membranas plasmáticas de células adyacentes se aproximan de forma notoria una a la otra (hasta unos 3 nm), pero no establecen contacto directo. En cambio, la brecha entre las células se cubre con hebras muy finas (fig. 7.32a) que en realidad son “tuberías” moleculares que pasan por las membranas plasmáticas adyacentes y se abren al citoplasma de las células contiguas (fig. 7.32b).

Las uniones comunicantes tienen una composición molecular simple; se componen sólo de una proteína integral de membrana llamada conexina. Las conexinas se organizan en complejos de unidades múltiples llamados conexones que cruzan por completo la membrana (fig. 7.32b). Cada conexón está formada por seis subunidades de conexina dispuestas en un anillo alrededor de una abertura central, o annulus, que mide alrededor de 1.5 nm de diámetro en su extremo extracelular (fig. 7.32c, izquierda).

Durante la formación de las uniones comunicantes, los conexones de las membranas plasmáticas de células adyacentes se unen de manera estrecha entre sí mediante amplias interacciones no covalentes de los dominios extracelulares de las subunidades de conexina. Una vez alineados, los conexones con membranas plasmáticas apuestas forman conductos intercelulares completos que conectan el citoplasma de una célula con el de la célula vecina (fig. 7.32b). Grandes cantidades de conexones se agrupan en regiones específicas de la membrana, forman placas de uniones comunicantes que pueden visualizarse cuando la membrana se divide por la mitad mediante criofractura (fig. 7.32d).

Las uniones comunicantes (o de hendidura) son sitios de comunicación entre los citoplasmas de células adyacentes. La existencia de comunicación intercelular mediante uniones de hendidura (GJIC, gap-junction intercellular communication) se revela mediante el paso de corrientes iónicas o tintes de bajo peso molecular, como la fluoresceína, de una célula a sus vecinas (fig. 7.33). Las uniones comunicantes de los mamíferos permiten la difusión de moléculas con masa molecular menor de unos 1 000 Da. Comparados con los conductos iónicos tan selectivos que conectan a la célula con el medio externo (pág. 153), los conductos de las uniones comunicantes son relativamente no selectivos. Así como los conductos iónicos pueden abrirse o cerrarse, también se cree que los conductos de las uniones comunicantes son controlados. Es probable que el cierre del canal esté controlado sobre todo por la fosforilación de subunidades de conexina. El cierre también puede iniciarse por cambios en el voltaje o concentraciones altas anormales de Ca²⁺ (fig. 7.32c, derecha).

En el capítulo 4 se explicó cómo las células de músculo estriado se estimulan con sustancias liberadas de los extremos de células nerviosas cercanas. La estimulación de las células de músculo cardiaco o liso ocurre a través de un proceso diferente, en el que intervienen las uniones comunicantes. La contracción del corazón de los mamíferos es estimulada por un impulso eléctrico generado en una pequeña región de músculo cardiaco especializado llamada nodo sinoauricular, que actúa como el marcapasos del corazón. El impulso se propaga con rapidez cuando una corriente de iones fluye por las uniones comunicantes de una célula miocárdica a otras, lo que hace que las células se contraigan en sincronía. De igual manera, el flujo de iones por las uniones comunicantes que conectan las células de músculo liso en la pared del esófago o el intestino, permite la generación de ondas peristálticas coordinadas que se mueven por todo lo largo de la pared.²

Las uniones comunicantes ponen en contacto citoplásmico estrecho a muchas células de un tejido. Esto tiene consecuencias fisiológicas de importancia porque varias sustancias con intensa actividad reguladora, como el AMP cíclico y los fosfatos de inositol (cap. 15), son lo bastante pequeñas para caber por los conductos de las uniones comunicantes. Como resultado, éstas tienen la capacidad de integrar las actividades de células individuales de un tejido para que funcionen como una unidad. Por ejemplo, si sólo unas cuantas células cerca de un vaso sanguíneo particular reciben el estímulo de una hormona, el estímulo puede transmitirse con rapidez a todas las células del tejido. Las uniones comunicantes también permiten que las células mantengan una cooperación metabólica al compartir metabolitos importantes, como ATP, fosfatos de azúcares, aminoácidos y muchas coenzimas que son lo bastante pequeñas para pasar por estos conductos intercelulares. Esto tiene especial importancia en tejidos avasculares (es decir, que carecen de vasos sanguíneos), como es el caso del cristalino del ojo.

Las conexinas (Cx), proteínas con las que se forman las uniones comunicantes, pertenecen a una familia multigénica. Se han identificado cerca de 20 conexinas con distintas distribuciones en tejidos específicos. Los conexones formados por diferentes conexinas muestran diferencias de conductancia, permeabilidad y regulación. En algunos casos, los conexones de las células vecinas que se forman de conexinas diferentes pueden ensamblarse y formar conductos funcionales, y en otros casos no sucede así. Estas diferencias de compatibilidad pueden tener funciones relevantes en la promoción o prevención de la comunicación entre distintos tipos de células en un órgano. Por ejemplo, los conexones que unen las células miocárdicas se componen de conexina Cx43, mientras que aquellos que unen las células que integran el sistema de conducción eléctrica en el corazón están formados por Cx40. Como estas dos conexinas crean conexones incompatibles, los dos tipos de células mantienen un aislamiento eléctrico entre sí, aunque tienen contacto físico. Hay varios trastornos hereditarios relacionados con mutaciones en los genes que codifican conexinas. Las consecuencias de estos padecimientos incluyen sordera, ceguera, anormalidades de la piel y degeneración nerviosa.

En los últimos años se ha descubierto un tipo nuevo de sistema de comunicación, que consiste en túbulos finos muy elongados que pueden conducir proteínas de la superficie celular, vesículas citoplásmicas y señales de calcio de una célula a otra a lo largo de grandes distancias. También transmiten partículas víricas infecciosas y priones de una célula a otra. Hasta la fecha se han estudiado tales nanotubos tuneliformes, como se les ha llamado, en células cultivadas (como en la figura 7.34) y por ello no se sabe si desempeñan alguna función fisiológica importante.

Plasmodesmos

A diferencia de las células animales, que establecen contactos estrechos entre sí, las células vegetales están separadas unas de otras por una barrera notable, la pared celular. Por lo tanto, no es sorprendente que las plantas carezcan de las moléculas de adhesión celular que se han descrito en este capítulo. Aunque las plantas no poseen las uniones especializadas que se observan en los tejidos animales, la mayor parte de las células vegetales se conecta entre sí mediante plasmodesmos. Estos son conductos citoplásmicos que pasan a través de las paredes de células adyacentes. La figura 7.35a,b muestra un plasmodesmo simple (p. ej., no ramificado). Dichas comunicaciones están recubiertas con membrana plasmática y casi siempre contienen una estructura central densa, el desmotúbulo, derivada del retículo endoplásmico liso de las dos células. Al igual que las uniones de hendidura que se observan entre las células animales, los plasmodesmos sirven como sitios de comunicación intercelular, puesto que algunas sustancias pasan por el anillo que rodea al desmotúbulo.

Durante muchos años se pensó que los plasmodesmos eran impermeables a moléculas que medían más de 1 000 daltones (1 kDa). Esta conclusión se basa en estudios en los que se inyectaron en células pigmentos de tamaños diferentes. Ensayos más recientes sugieren que los plasmodesmos permiten el paso de moléculas mucho más grandes (hasta de 50 kDa) entre las células, debido a que sus poros son capaces de dilatarse. El primer esbozo de esta propiedad dinámica se obtuvo de estudios realizados en la década de 1980 con virus vegetales que se diseminan de una célula a otra a través de los plasmodesmos. Se observó que los virus codificaban una proteína de movimiento que interactúa con la pared de los plasmodesmos y aumenta el diámetro del poro. Análisis posteriores revelaron que las células vegetales producen sus propias proteínas de movimiento, que median el transporte de proteínas y moléculas de RNA de una célula a otra. Algunas de estas macromoléculas llegan al sistema vascular de las plantas, donde participan en actividades globales, como la producción de nuevas hojas y flores o la defensa contra patógenos. En la figura 7.35c se documenta el movimiento de una proteína (marcada con fluorescencia verde) desde un tipo de tejido vegetal (la estela) donde se le sintetizó, hasta un tejido adyacente (la endodermis). Se observa que la molécula se concentra en los núcleos esféricos de la capa única de células endodérmicas, donde estimula la transcripción génica.

Debido a que una membrana plasmática de lípidos y proteínas de unos 10 nm de grosor ofrece sólo protección mínima al contenido celular, no es sorprendente que las células “desnudas” sean estructuras muy frágiles. Las células de casi todos los organismos distintos de los animales están encerradas en una envoltura protectora. Los protozoarios tienen una cubierta externa gruesa, mientras que las bacterias, los hongos y las plantas poseen paredes celulares distintivas. La siguiente descripción se limita a las paredes celulares de las plantas, que fueron las primeras estructuras celulares en observarse con un microscopio óptico (pág. 2).

Las paredes celulares vegetales tienen muchas funciones vitales. Como se explica en la página 150, las células de estos organismos desarrollan presión turgente que empuja contra su pared circundante. Como resultado, la pared le da a la célula su forma poliédrica característica (fig. 7.36a). Además de proporcionar soporte a células individuales, dichas paredes actúan de manera colectiva como “esqueleto” para toda la planta. De hecho, un árbol sin paredes celulares podría compararse en todos los sentidos con una persona sin huesos. Las paredes celulares median las interacciones entre las células y también las protegen contra daño por abrasión mecánica y por patógenos. Al igual que la matriz extracelular que rodea la superficie de una célula animal, la pared celular vegetal es fuente de señales que modifican las actividades de las células con las que tiene contacto.

Muchas veces, las paredes celulares vegetales se comparan con materiales fabricados, como el concreto reforzado o la fibra de vidrio, porque tienen elementos fibrosos incluidos en una matriz similar a una gelatina. La celulosa, cuya estructura se describió en la página 47, representa el componente fibroso de la pared celular, mientras que las proteínas y la pectina (descrita más adelante) forman la matriz. Las moléculas de celulosa se organizan en microfibrillas parecidas a barras (fig. 7.36b,c) que confieren rigidez a la pared celular y brindan resistencia a las fuerzas de tracción. Cada microfibrilla mide unos 5 nm de diámetro y casi siempre se compone de 36 moléculas de celulosa orientadas en forma paralela entre sí, unidas mediante enlaces de hidrógeno. Las paredes de muchas células vegetales están formadas por túnicas en las que las microfibrillas de un estrato se orientan de forma casi perpendicular a las fibras de las capas adyacentes (fig. 7.36b).

Las moléculas de celulosa se polimerizan en la superficie celular. Las subunidades de glucosa se agregan al final de una molécula de celulosa en crecimiento, mediante la acción de una enzima de múltiples subunidades llamada sintasa de celulosa. Las subunidades de la enzima están organizadas en un anillo de seis elementos, o roseta, que está embebido en la membrana plasmática (fig. 7.37a,b). En cambio, los materiales de la matriz se sintetizan dentro del citoplasma (fig. 7.37c) y se trasladan a la superficie celular en vesículas secretoras. La matriz es muy compleja y se requieren cientos de enzimas para su síntesis y degradación. La matriz de la pared celular se compone de tres tipos de macromoléculas (fig. 7.36c):

1. Las hemicelulosas son polisacáridos ramificados cuya columna central consiste en un azúcar, como la glucosa, y cadenas laterales de otros carbohidratos, como la xilosa. Las moléculas de hemicelulosa se unen a las superficies de las microfibrillas de celulosa y establecen enlaces cruzados con ellas para formar una red estructural resistente.

2. Las pectinas son un grupo heterogéneo de polisacáridos con cargas negativas que contienen ácido galacturónico. Como los glucosaminoglucanos de las matrices celulares animales, las pectinas retienen el agua y así forman una gelatina muy hidratada que llena los espacios que hay entre los elementos fibrosos. Cuando una planta sufre el ataque de patógenos, los fragmentos de las pectinas liberadas de la pared desencadenan una reacción defensiva en las células vegetales. La pectina purificada se usa en el mercado para suministrar consistencia gelatinosa a jaleas y mermeladas.

3. Las proteínas, cuyas funciones aún no se comprenden bien, median las actividades dinámicas. Una clase, las expansinas, facilitan el crecimiento celular. Estas moléculas inducen la relajación localizada de la pared celular, lo que hace posible que la célula se alargue en ese sitio como respuesta a la presión de turgencia generada dentro de la célula. Las cinasas de proteínas relacionadas con la pared celular cruzan la membrana plasmática y se cree que transmiten señales de la pared celular al citoplasma.

Los porcentajes de estos materiales diversos en las paredes celulares son muy variables y dependen del tipo de planta, de la clase de células y de la etapa en la que se encuentra la pared. Al igual que la matriz extracelular de los tejidos conjuntivos animales, las paredes de las células vegetales son estructuras dinámicas que pueden modificarse en respuesta a las condiciones cambiantes del ambiente.

Las paredes de las células se originan como una placa celular delgada (descrita en la fig. 14.38) que se forma entre las membranas plasmáticas de células hijas recién formadas después de la mitosis. La pared celular madura con la incorporación de materiales adicionales que se ensamblan dentro de la célula y se secretan hacia el espacio extracelular. Además de proporcionar sostén mecánico y protección contra agentes extraños, la pared de una célula vegetal joven e indiferenciada debe ser capaz de crecer al mismo ritmo que ésta. Las cubiertas de las células que están en crecimiento se llaman paredes primarias y tienen la capacidad de extenderse, una característica que no poseen las paredes secundarias más gruesas que rodean a muchas células vegetales maduras. La transformación de una pared celular primaria a secundaria ocurre cuando aumenta el contenido de celulosa de ésta y, en la mayoría de los casos, también se incorpora un polímero con fenol llamado lignina. Esta última suministra soporte estructural y es el principal componente de la madera. La lignina de las paredes de las células que conducen agua al xilema confiere el sostén necesario para desplazar agua por la planta.

El espacio extracelular se extiende desde la superficie externa de la membrana plasmática y contiene diversos materiales secretados que influyen en el comportamiento celular. Los tejidos epiteliales descansan sobre una membrana basal, la cual consiste en una red delgada de materiales extracelulares entretejidos. Varios tipos de tejido conjuntivo, incluidos los tendones, el cartílago y el estroma corneal, contienen una matriz extracelular expansiva que le confiere sus propiedades características a los tejidos (pág. 235).

Los principales componentes de las matrices extracelulares incluyen diferentes tipos de colágeno, proteoglucanos y diversas proteínas (como la fibronectina y la laminina). Cada una de las proteínas de la ECM tiene una construcción modular integrada por dominios que contienen sitios de unión para adherirse entre sí y para receptores del exterior de la célula. Como resultado, estos diversos materiales interactúan para formar una red entrelazada que se une a la superficie celular. Los colágenos son proteínas fibrosas muy abundantes que dan a la matriz extracelular la capacidad para resistir fuerzas de tracción. Los proteoglucanos son proteínas unidas a glucosaminoglucanos y sirven como material de empaque amorfo que llena el espacio extracelular (pág. 236).

Las integrinas son receptores ubicados en la superficie celular que median interacciones entre las células y el sustrato. Las integrinas son proteínas heterodiméricas integrales de la membrana cuyos dominios citoplásmicos interactúan con los componentes del citoesqueleto, mientras que sus fragmentos localizados en el exterior de la célula poseen sitios de unión para varios materiales extracelulares. Cambios internos dentro de una célula envían señales “de adentro hacia afuera” que activan a las integrinas para que se unan a sus ligandos. Esta activación se acompaña de un cambio drástico de la estructura de las integrinas, de una conformación flexionada a una vertical. Por el contrario, la unión de un ligando extracelular a su integrina correspondiente puede enviar señales “de afuera hacia adentro” que inician cambios en la actividad celular (pág. 244).

Las células se unen a su sustrato mediante especializaciones de la superficie celular, como las adhesiones focales y los hemidesmosomas. Las adhesiones focales son sitios de unión en los que la membrana plasmática contiene cúmulos de integrinas unidas a microfilamentos de actina del citoesqueleto. Los hemidesmosomas son sitios de unión en los que la membrana plasmática exhibe aglomeraciones de integrinas que se conectan a la membrana basal en su superficie externa. Éstos se unen de forma indirecta a filamentos intermedios con queratina de la superficie interna. Ambos tipos de adhesiones también son sitios de posible señalización celular (pág. 247).

La adhesión entre células está mediada por varias familias distintas de proteínas integrales de membrana, incluidas las selectinas, las integrinas, las cadherinas y miembros de la superfamilia de las inmunoglobulinas (IgSF). Las selectinas se unen a conjuntos específicos de grupos de carbohidratos que sobresalen de las superficies de otras células. Asimismo, median interacciones transitorias dependientes de calcio entre los leucocitos circulantes y las paredes de los vasos sanguíneos en sitios de inflamación y coagulación. Las moléculas de adhesión celular de la IgSF median uniones intercelulares independientes del calcio. Una de estas proteínas puede interactuar con una integrina, con la misma proteína o con otra molécula de su misma familia. Las cadherinas median la adhesión intercelular dependiente de calcio al unirse a moléculas de la misma especie en otras células, lo que facilita la formación de tejidos constituidos por tipos similares de células (pág. 250).

Las células se adhieren con fuerza unas a otras por la formación de uniones adherentes especializadas y desmosomas. Las uniones adherentes rodean a una célula cerca de su superficie apical, lo que le permite entrar en contacto con todas sus vecinas. Las membranas plasmáticas de las uniones adherentes contienen conjuntos de cadherinas que se unen a los filamentos de actina del citoesqueleto mediante proteínas intermediarias. Los desmosomas son parches que se forman entre las células. Estas estructuras (que se observan como placas citoplásmicas densas en las superficies internas de las membranas) son sitios en los que se concentran cadherinas, las cuales se unen mediante proteínas intermediarias a los filamentos intermedios, que forman asas a través de las placas citoplásmicas (pág. 257).

Las uniones ocluyentes son sitios de contacto especializados que bloquean la difusión de solutos entre las células de un epitelio. Un corte transversal a través de una unión ocluyente muestra que las superficies externas de las células adyacentes entran en contacto directo en puntos intermitentes. El análisis de las membranas mediante criofractura muestra que los sitios contienen hileras de partículas alineadas, que forman cadenas dentro de las membranas plasmáticas de células adyacentes (pág. 260).

Las uniones comunicantes y los plasmodesmos son sitios especializados para transmitir señales entre células adyacentes en animales y plantas, respectivamente. Las membranas plasmáticas de una unión comunicante contienen conductos formados por una estructura hexagonal de subunidades de conexina, que constituyen un conexón. Estos conectan el citoplasma de una célula con el de la célula adyacente. El conducto central de un conexón posibilita la difusión directa de sustancias de hasta 1 000 Da. El paso de corrientes iónicas a través de las uniones comunicantes tiene una función central en muchos procesos fisiológicos, incluida la propagación de potenciales en el tejido muscular cardiaco. Los plasmodesmos son conductos citoplásmicos cilíndricos que se extienden entre células vegetales adyacentes, a través de la pared celular intermedia. En condiciones normales, estos conductos permiten el paso libre de moléculas de unos 1 000 Da, pero pueden dilatarse por efecto de proteínas específicas para permitir el paso de macromoléculas (pág. 262).

Las células vegetales están rodeadas por una pared celular compleja formada por diversos materiales secretados que suministran soporte mecánico y las protegen. Las microfibrillas de celulosa, compuestas por haces de moléculas de celulosa secretadas por enzimas que están dentro de la membrana plasmática, proporcionan rigidez y resistencia a la tracción. Las moléculas de hemicelulosa forman enlaces cruzados con las fibras de celulosa, mientras que las pectinas forman un gel con muchos enlaces cruzados que rellena los espacios que hay entre los elementos fibrosos de la pared celular. Al igual que las matrices extracelulares de las células animales, las paredes de las células vegetales son estructuras dinámicas que pueden modificarse en respuesta a las condiciones cambiantes del ambiente (pág. 266).

1. Muchas veces la adhesión celular puede bloquearse in vitro si se tratan las células con agentes específicos. ¿Cuáles de las siguientes sustancias se esperaría que interfirieran con las adhesiones celulares mediadas por las selectinas y las moléculas L1? Las sustancias son tripsina, que digiere proteínas; un péptido que contiene RGD; neuraminidasa, que elimina el ácido siálico de un oligosacárido; colagenasa, que digiere colágeno; hialuronidasa, que digiere el ácido hialurónico; EGTA, que se une a los iones Ca²⁺ del medio.

2. ¿Qué sustancia se debería agregar a un medio de cultivo para bloquear la migración de células de la cresta neural?, ¿Que se podría añadir para bloquear la adhesión de fibroblastos al sustrato?

3. Los ratones que carecen de un gen para la fibronectina no sobreviven después de la etapa embrionaria temprana. Mencione dos procesos que podrían estar afectados en estos embriones.

4. Asúmase que la molécula A, que tiene una masa molecular de 1 500 Da, pudo penetrar los conductos de una unión comunicante. Sin embargo, la molécula B, cuya masa molecular es de sólo 1 200 Da, no pudo difundirse entre las mismas células. ¿Qué diferencia entre estas moléculas podría explicar tales resultados?

5. ¿Qué similitudes hay en la construcción de las matrices extracelulares de los animales y las paredes celulares de las plantas?

6. Se ha observado que dos enfermedades autoinmunitarias diferentes se manifiestan por la formación de vesículas en la piel; en una se producen anticuerpos contra un componente de los hemidesmosomas y en la otra anticuerpos que eliminan un elemento de los desmosomas. ¿Por qué dichos trastornos tienen síntomas similares?

7. ¿Cuál de las diversas moléculas que median la adhesión celular tiene más probabilidad de ser la causa del tipo de selección demostrada por las células de la figura 7.20?, ¿por qué?, ¿cómo probaría su conclusión?

8. La hormona estimulante del folículo (FSH, follicle-stimulating hormone) es una molécula hipofisaria que actúa sobre las células foliculares de los ovarios para iniciar la síntesis de AMP cíclico, el cual estimula varios cambios metabólicos. En condiciones normales, la FSH no tiene efecto alguno sobre las células de músculo cardiaco. Sin embargo, cuando las células foliculares ováricas y las células miocárdicas crecen juntas en un cultivo mixto, se ha observado que las últimas se contraen después de la adición de FSH al medio. ¿Cómo podría explicarse esta observación?

9. ¿Por qué las células animales son capaces de sobrevivir sin los tipos de paredes celulares que se encuentran en casi cualquier otro grupo de organismos?

10. ¿Por qué se esperaría que el descenso de la temperatura del medio en el cual crecen las células afectara su capacidad para formar uniones comunicantes entre sí?

11. Ciertas uniones celulares se forman como cinturones, mientras que otras crean placas aisladas. ¿Cómo se relacionan estos dos tipos de disposiciones estructurales con las funciones de las uniones respectivas?

12. Propóngase algún mecanismo que explique por qué el virus del mosaico del tabaco puede alterar la permeabilidad de un plasmodesmo. ¿Cómo podría evaluarse dicha propuesta?

13. Al parecer los eritrocitos (glóbulos rojos), un tipo de célula presente en organismos vertebrados, carecen de integrinas. ¿Es este hallazgo sorprendente?, ¿por qué?