Capítulo 15: Señalización celular y transducción de señales: comunicación intercelular

El poeta inglés John Donne expresó su creencia en la interdependencia de los seres humanos con la frase “Ningún hombre es una isla”. Lo mismo puede decirse de las células que forman un organismo multicelular complejo. La mayor parte de las células de una planta o un animal se especializa en una o más funciones específicas. Muchos procesos biológicos exigen que varias células trabajen juntas y coordinen sus actividades. Para que esto sea posible, las células tienen que comunicarse entre sí, lo cual se logra mediante un proceso llamado señalización celular. La señalización celular hace posible que las células respondan en forma apropiada a estímulos ambientales específicos.

La señalización celular afecta todos los aspectos de la estructura y función celulares, una de las principales razones para que este capítulo se incluya casi al final del libro. Por un lado, para comprender una señal celular es necesario conocer otros tipos de actividad celular. Asimismo, la descripción de la señalización celular puede reunir varios procesos celulares que parecerían independientes. La señalización celular también está muy relacionada con la regulación del crecimiento y la división celular. Esto hace que el estudio de la señalización celular sea crucial para comprender de qué manera una célula puede perder la capacidad de controlar la división celular y convertirse en un tumor maligno.

Tal vez sea útil comenzar el análisis de este tema tan complejo, con la descripción de algunas de las características generales que comparten la mayor parte de las vías de señalización. Por lo general, las células se comunican entre sí mediante moléculas mensajeras extracelulares. Los mensajeros extracelulares pueden viajar una distancia corta y estimular células en estrecha proximidad con el origen del mensaje, o viajar por todo el cuerpo y potencialmente estimular células muy alejadas del origen. En el caso de la señalización autocrina, la célula que produce el mensajero expresa receptores en su superficie, los cuales pueden responder a ese mensaje (fig. 15.1a). En consecuencia, las células que liberan el mensaje se estimulan (o inhiben) a sí mismas. En la estimulación paracrina (fig. 15.1b), las moléculas mensajeras viajan sólo distancias cortas por el especio extracelular hasta células en estrecha proximidad con la célula que genera el mensaje. Las moléculas mensajeras paracrinas suelen estar limitadas en su capacidad de viajar por el cuerpo porque son inherentemente inestables, o son degradadas por enzimas, o se unen a la matriz extracelular. Finalmente, durante la señalización endocrina, las moléculas mensajeras llegan a sus células diana o blanco a través del torrente sanguíneo (fig. 15.1c). Los mensajeros endocrinos también se llaman hormonas, y suelen actuar en células blanco localizadas en sitios distantes del cuerpo.

En la figura 15.2 se incluye un recuento general de las vías de señalización celular. El envío y recepción de señales en la célula inicia con la liberación de una molécula mensajera por parte de ella, que se ocupa de enviar mensajes a otras células corporales (fase 1, figura 15.2). El entorno extracelular contiene cientos de moléculas informativas diferentes que van desde compuestos pequeños como esteroides y neurotransmisores, pasando por hormonas proteínicas solubles, pequeñas (como el glucagón y la insulina) hasta glucoproteínas enormes unidas a la superficie de otras células. Las células reaccionan solamente a un mensaje extracelular particular si expresan receptores que reconocen específicamente y se unen a la molécula mensajera (fase 2). La molécula que se une al receptor recibe el nombre de ligando. Tipos diferentes de células poseen receptores peculiares en número diverso, que les permiten reaccionar a distintos mensajeros extracelulares. Incluso células que poseen un receptor específico pueden reaccionar de manera muy diferente al mismo mensajero extracelular. Los hepatocitos y las células de músculo liso que poseen el receptor β₂ adrenérgico que se señala en la imagen de la página 617, tienen como peculiaridad que la activación de dicho receptor por parte de la adrenalina circulante permite que el hepatocito degrade el glucógeno, y por otra parte, haya relajación de la célula de músculo liso. Los resultados diferentes mencionados posteriores a la interacción con el mismo estímulo inicial pueden atribuirse a diferentes proteínas intracelulares que tienen como tarea intervenir en las respuestas de los dos tipos de células mencionadas. Por lo expuesto, el tipo de actividades que desarrollan las células depende de los estímulos que reciben y de la “maquinaria” intracelular que posee en el momento particular de su existencia.

En casi todos los casos, la molécula mensajera extracelular se une a un receptor en la superficie exterior de la célula reaccionante; dicha interacción induce a un cambio de conformación en el receptor que hace que la señal se retransmita a través de la membrana, al dominio citoplásmico del receptor (fase 3, figura 15.2). Una vez que ha llegado a la superficie interna de la membrana plasmática, hay dos vías principales por las cuales se transmite la señal al interior de la célula, donde induce la respuesta adecuada. La vía particular que tome depende del tipo de receptor que se active. La explicación siguiente se enfoca en estas dos vías principales de transducción de señal, pero hay que tener presente que hay otras formas en las que las señales extracelulares pueden tener un efecto en la célula. Por ejemplo, en la página 169 se explica cómo actúan los neurotransmisores mediante la abertura de los conductos (canales) iónicos de la membrana plasmática y en la página 525 se describe cómo se difunden las hormonas esteroideas a través de la membrana plasmática y se unen con receptores intracelulares. En las dos vías principales explicadas en este capítulo:

• Un tipo de receptor (sección 15.3) transmite una señal del dominio citoplásmico a una enzima cercana (paso 4), la cual genera un segundo mensajero (paso 5). Como esto induce (efectúa) una reacción celular mediante la generación de un segundo mensajero, la enzima se conoce como efector. Los segundos mensajeros son sustancias pequeñas que casi siempre activan (o inactivan) proteínas específicas. Según sea su estructura química, un segundo mensajero puede difundirse por el citosol o permanecer incrustado en la bicapa lipídica de la membrana.

• Otro tipo de receptor (sección 15.4) transmite una señal mediante la transformación de su dominio citoplásmico en una estación de reclutamiento para las proteínas de señalización celular (paso 4a). Las proteínas interactúan entre sí o con componentes de una membrana celular mediante tipos específicos de dominios de interacción, como el dominio SH3 descrito en la página 62.

Los resultados son semejantes, transmita la señal un segundo mensajero o lo haga por reclutamiento proteínico; se activa una proteína colocada en el punto más alto de la vía de señalización intracelular (fase 6, figura 15.2). Las vías de señalización constituyen las “supercarreteras” informativas de las células. Cada vía consiste en una serie de proteínas peculiares que operan en sucesión (fase 7). Casi todas las “proteínas señalizadoras” poseen múltiples dominios que les permiten interactuar en forma dinámica con diferentes “equivalentes” de manera simultánea o seriada. Dicho tipo de construcción modular se ilustra en las proteínas Grb2 e IRS-1 en las figuras 15.20 y 15.25a. A diferencia de Grb2 e IRS-1 que actúan, de forma exclusiva, para mediar las interacciones interproteínicas, muchas proteínas señalizadoras también contienen dominios catalíticos, reguladores o de ambos tipos, que les permiten tener una función más activa en la vía de señales.

De manera típica, cada proteína en la vía de señalización actúa al modificar la conformación de proteínas ulteriores de la serie (o “corriente abajo”) fenómeno que activa o inhibe tal proteína (fig. 15.3). No debe sorprender, después de leer otro tema de biología celular, que las modificaciones de la conformación de las proteínas señalizadoras sea tarea de las proteínas cinasas y las proteínas fosfatasas que, de manera respectiva, agregan o eliminan grupos fosfatos de otras proteínas (fig. 15.3). El genoma humano codifica más de 500 proteínas cinasas diferentes y unas 150 proteínas fosfatasas distintas. Las primeras actúan típicamente por medio de una sola subunidad, en tanto que muchas de las segundas contienen una subunidad reguladora básica que es la que gobierna la especificidad por sustratos. Como consecuencia, una sola subunidad catalítica de fosfatasa puede generar muy diversas enzimas que separan grupos de fosfatos de diferentes sustratos proteínicos.

Muchas proteínas cinasas transfieren grupos fosfatos a residuos serínicos o treonínicos de sus sustratos proteínicos, pero un importante grupo de cinasas (alrededor de 90 en humanos) fosforila residuos tirosínicos. Algunas proteínas cinasas y fosfatasas son proteínas citoplásmicas solubles, en tanto que otras son parte integral de la membrana. En la célula, muchas de las cinasas están en estado de autoinhibición. Según la cinasa particular, tales enzimas pueden ser activadas dentro de la célula con modificación covalente o por interacciones con otras proteínas, moléculas pequeñas o lípidos de membranas. Es un hecho destacable que a pesar de que miles de proteínas dentro de las células contienen residuos aminoácidos con la posibilidad de ser fosforilados, cada proteína cinasa o fosfatasa tiene la capacidad de reconocer sólo sus sustratos específicos y no intervenir absolutamente en los demás. Algunas proteínas cinasas y fosfatasas incluyen innumerables proteínas como sustratos, en tanto que otras fosforilan o desfosforilan un solo residuo aminoácido de un solo sustrato proteínico. Muchos de los sustratos proteínicos de tales enzimas por sí mismas son enzimas (muy a menudo otras cinasas y fosfatasas), pero los sustratos también incluyen conductos iónicos, factores de transcripción y tipos diversos de proteínas reguladoras. Se piensa que, como mínimo, 50% de las proteínas transmembrana y citoplásmicas están fosforiladas en uno o más sitios. La fosforilación proteínica cambia el comportamiento de las proteínas en varias formas particulares. La fosforilación activa o inactiva una enzima, aumenta o disminuye las interacciones proteínicas, induce una proteína a desplazarse de un compartimiento subcelular a otro, o actúa como señal que induce la degradación proteínica. Se han utilizado las vías proteómicas a gran escala (pág. 70) para identificar los sustratos de varias proteínas cinasas y los residuos específicos fosforilados en varios tejidos. En un estudio reciente de nueve tejidos murinos diferentes, se identificaron más de 6 000 fosfoproteínas que tenían cerca de 36 000 sitios de fosforilación. Este amplio suceso de la fosforilación proteínica y su supuesta importancia se advierten en la figura 15.4, que indica la notable diferencia de la frecuencia de fosforilación de tirosina en algunas proteínas en dos tipos distintos de células cancerosas. El problema fundamental es conocer la participación de las modificaciones postraduccionales y en las actividades de diferentes tipos de células.

Al final, las señales transmitidas por estas vías de señalización llegan a las proteínas blanco (paso 8, fig. 15.2) que intervienen en procesos celulares básicos (paso 9). De acuerdo con el tipo de célula y de mensaje, la respuesta iniciada por la proteína blanco puede precipitar un cambio en la expresión génica, una alteración en la actividad de las enzimas metabólicas, una nueva configuración del citoesqueleto, un aumento o descenso de la movilidad celular, un cambio de la permeabilidad iónica, activación de la síntesis del DNA (ácido desoxirribonucleico) e incluso la muerte de la célula. Virtualmente todas las actividades que realiza la célula están reguladas por señales que se originan en la superficie celular. Este proceso general, en el que la información propagada por moléculas mensajeras extracelulares se traduce en cambios que ocurren dentro de una célula, se conoce como transducción de señal.

Por último, la señalización debe terminarse. Esto es importante porque las células deben responder a nuevos mensajes. El primer paso consiste en eliminar la molécula mensajera extracelular. Para hacerlo, ciertas células producen enzimas extracelulares que destruyen mensajeros extracelulares específicos. En otros casos, los receptores activados se interiorizan (pág. 624). Una vez dentro de la célula, el receptor puede degradarse junto con su ligando, lo cual atenúa la sensibilidad de la célula a los estímulos subsecuentes.

Hay muchas moléculas que pueden funcionar como portadoras extracelulares de información. Entre ellas se incluyen:

• Aminoácidos y derivados de aminoácidos. Los ejemplos incluyen glutamato, glicina, acetilcolina, adrenalina, dopamina y hormona tiroidea. Estas moléculas actúan como neurotransmisores y hormonas.

• Gases, como NO y CO.

• Los esteroides, que se derivan del colesterol. Las hormonas esteroideas regulan la diferenciación sexual, el embarazo, el metabolismo de los carbohidratos y la excreción de iones sodio y potasio.

• Eicosanoides, son moléculas no polares que contienen 20 carbonos derivados de un ácido graso llamado ácido araquidónico. Los eicosanoides regulan diversos procesos, como el dolor, la inflamación, la presión sanguínea y la coagulación de la sangre. Existen varios fármacos que están disponibles sin prescripción médica y son empleados para tratar cefaleas e inflamación, éstos inhiben la síntesis de los eicosanoides.

• Una gran variedad de polipéptidos y proteínas. Algunos de éstos se encuentran como proteínas transmembrana en la superficie de una célula que interactúa (pág. 251). Otros son parte de la matriz extracelular o se relacionan con ella. Por último, una gran cantidad de proteínas se excreta hacia el ambiente extracelular, donde participa en la regulación de procesos como la división celular, la diferenciación, la reacción inmunitaria o la muerte y supervivencia de las células.

Las moléculas de señalización extracelular por lo común se reconocen, aunque no siempre, por receptores específicos que se hallan en la superficie de la célula que responde. Como se ilustra en la figura 15.2, los receptores se unen con gran afinidad con sus moléculas de señalización y traducen esta interacción en la superficie externa de la célula en cambios que ocurren dentro de ella. A continuación se describen los receptores que evolucionaron para mediar la transducción de las señales.

• Los receptores unidos a proteína G (GPCR, G-protein coupled receptors) son una enorme familia de receptores que contienen siete hélices α transmembrana. Estos receptores traducen la unión de moléculas extracelulares de señalización en la activación de proteínas de unión con GTP (trifosfato de guanosina). Las proteínas de unión con GTP (o proteínas G) se describen en relación con el desprendimiento y fusión de vesículas en el capítulo 8, la dinámica de los microtúbulos en el capítulo 9, la síntesis de proteína en los capítulos 8 y 11 y el transporte entre el núcleo y el citoplasma en el capítulo 12. En este capítulo se explora su función en la transmisión de mensajes a lo largo de “circuitos de información celular”.

• La proteína tirosina cinasa receptora (RTK) representa una segunda clase de receptores que evolucionaron para traducir la presencia de moléculas mensajeras extracelulares en cambios dentro de la célula. La unión de un ligando extracelular específico con una RTK casi siempre resulta en la dimerización del receptor, seguida de la activación del dominio proteína cinasa del receptor, el cual se vincula con su región citoplásmica. Cuando se activan, estas enzimas fosforilan sustratos proteínicos citoplásmicos, lo que altera su actividad, localización o capacidad para interactuar con otras proteínas dentro de la célula.

• Los conductos activados por un ligando representan la tercera clase de receptores en la superficie celular que se unen con ligandos extracelulares. La unión con el ligando regula de manera directa la capacidad de estas proteínas para conducir un flujo de iones a través de la membrana plasmática. Un flujo iónico a través de la membrana puede precipitar un cambio temporal en el potencial de membrana, lo cual afecta la actividad de otras proteínas de membrana, por ejemplo, los conductos activados por voltaje. Esta secuencia de fenómenos es la base para la formación de un impulso nervioso (pág. 166). Además, la entrada de ciertos iones, como Ca²⁺, puede cambiar la actividad de enzimas citoplásmicas particulares. Como se explica en la sección 4.8, los conductos activados por un ligando funcionan como receptores para los neurotransmisores.

• Los receptores para hormonas esteroideas funcionan como factores de transcripción regulados por un ligando. Las hormonas esteroideas se difunden a través de la membrana plasmática y se unen con sus receptores, que se encuentran en el citoplasma. La unión con la hormona induce un cambio en la conformación, esto provoca que el complejo hormona-receptor se mueva hacia el núcleo y se una con elementos presentes en los promotores o intensificadores de los genes de respuesta hormonal (fig. 12.47). Esta interacción da origen a aumento o descenso del ritmo de transcripción de los genes.

• Por último, hay varios tipos de receptores que actúan por mecanismos únicos. Algunos de estos receptores, como los receptores de los linfocitos (células) B y T que participan en la reacción a los antígenos extraños, se relacionan con moléculas de señalización conocidas como cinasas citoplásmicas de proteína tirosina. Este capítulo se concentra en los GPCR y RTK.

Los receptores unidos a proteína G (GPCR, G protein-coupled receptors) se denominan así porque interactúan en conjunto con las proteínas G, como se explica más adelante. Los miembros de la familia GPCR también se conocen como receptores transmembrana de siete dominios (7TM) porque contienen siete hélices transmembrana (fig. 15.5). Se han identificado miles de distintos GPCR en organismos, desde las levaduras hasta las plantas fanerógamas y mamíferos, y en conjunto regulan un espectro extraordinario de procesos celulares. De hecho, los GPCR constituyen la superfamilia individual más grande de proteínas codificadas por genomas animales. Entre los ligandos naturales que se unen con GPCR figura un grupo diverso de hormonas tanto en plantas como en animales, neurotransmisores, derivados del opio, quimioatrayentes (moléculas que atraen células fagocíticas del sistema inmunitario), odorantes y saborizantes (moléculas detectadas por los receptores olfatorios y gustativos que inducen los sentidos del olfato y el gusto) y fotones. El cuadro 15.1 presenta una lista de algunos de los ligandos que operan mediante esta vía y los efectores a través de los cuales actúan.

Transducción de la señal por receptores unidos a proteína G

Receptores

Los receptores acoplados a la proteína G poseen normalmente la siguiente topología. Su terminación amino aparece fuera de la célula; las siete hélices α que atraviesan la membrana plasmática están unidas por asas (“bucles”) de longitud variable, y la terminación carboxilo aparece en el interior de la célula (fig. 15.5). Se han identificado tres bucles en el exterior de la célula que en conjunto forman el “depósito” de unión con ligando, cuya estructura varía en diferentes receptores unidos a la proteína G (GPCR). También se identifican tres bucles en el lado citoplásmico de la membrana plasmática que aportan sitios de unión para las proteínas de señalización intracelular.

Por diversas razones técnicas, resulta muy difícil preparar cristales de GPCR no modificados que son adecuados para el análisis cristalográfico radiográfico. Durante muchos años la rodopsina constituía el único miembro de la superfamilia del cual se pudo conocer su estructura cristalina radiográfica. Dicho pigmento tiene una estructura extraordinariamente estable en cuanto a GPCR y ello se debe al hecho de que su ligando (un grupo de retinal) está unido permanentemente a la proteína y la molécula proteínica existe únicamente con una sola conformación inactiva en caso de no haber estímulo (p. ej., en la oscuridad). Desde 2007, como producto de años de esfuerzo por parte de grupos de investigadores, en las publicaciones aparecieron numerosas estructuras cristalinas de GPCR. En su mayor parte tales estructuras indicaron que GPCR estaba en estado inactivo, pero publicaciones recientes han descrito las estructuras de versiones modificadas de varios de tales receptores en estado activo. También ha surgido un cúmulo de datos estructurales y espectroscópicos (como los descritos en la página 135) que han permitido conocer algunos de los cambios de conformación que suceden conforme se activa GPCR y se une a una proteína G.

Brian Kobilka y col., de la Stanford University mostraron por primera vez la estructura cristalina radiográfica de GPCR activo con su proteína G unida, y tal imagen es la que se incluye en la página 617 que encabeza este capítulo. Esta última es estabilizada por interacciones no covalentes entre las hélices α transmembrana. La unión a un ligando afecta tales interacciones, lo cual hace que el receptor asuma una conformación activa. Esto requiere de rotaciones y corrimientos de las hélices α transmembrana unas respecto de otras. Dado que están unidas a las asas citoplásmicas, la rotación o el desplazamiento de estas hélices α transmembrana unas respecto a otras causa cambios en la conformación de las asas citoplásmicas. Esto a su vez ocasiona aumento en la afinidad del receptor por una proteína G que está presente en la superficie citoplásmica de la membrana plasmática (fig. 15.5b). Como consecuencia, el receptor unido con el ligando forma un complejo receptor-proteína G (fig. 15.6, paso 1). La interacción con el receptor induce un cambio en la conformación de la subunidad α de una proteína G, con lo que se libera GDP (difosfato de guanosina) y luego se une una molécula de GTP (paso 2). Mientras permanece en estado activo, un solo receptor puede activar varias moléculas de proteína G, lo que representa un medio para la amplificación de la señal (se describe mejor en la página 632).

Proteínas G

Las proteínas G heterotriméricas fueron descubiertas, purificadas y caracterizadas por Martin Rodbell y col., en los National Institutes of Health, y Alfred Gilman en la University of Virginia. Estas proteínas se conocen como proteínas G porque se unen con nucleótidos de guanina, sea GDP o GTP. Se describen como heterotriméricas porque poseen tres subunidades polipeptídicas diferentes, llamadas α, β y γ. Esta propiedad las distingue de las pequeñas proteínas monoméricas G, como Ras, que se revisan más adelante en este capítulo. Las proteínas G heterotriméricas se mantienen en la membrana plasmática mediante cadenas de lípidos que se unen en forma covalente con las subunidades α y γ (fig. 15.5a).

El sitio para la unión con un nucleótido de guanina se encuentra en la subunidad G_α. La sustitución de GDP por GTP después de la interacción con un GPCR activado causa un cambio en la conformación en la subunidad G_α. En su conformación unida con GTP, la subunidad G_α presenta una baja afinidad por G_βγ, por lo que se disocia del complejo. Cada subunidad G_α separada (unida con GTP) está libre para activar a una proteína efectora, como la adenilciclasa (fig. 15.6, paso 3). En este caso, la activación del efector conduce a la producción del segundo mensajero AMP (monofosfato de adenosina) cíclico (paso 4). Otros efectores incluyen fosfolipasa C-β y fosfodiesterasa de GMP cíclico (véase más adelante). A su vez, los segundos mensajeros activan una o más proteínas celulares de señalización.

Se dice que una proteína G está “encendida” o activada cuando su subunidad está unida a GTP. Las subunidades G_α pueden desactivarse a sí mismas por hidrólisis de GTP a GDP y fosfato inorgánico (Pi) (fig. 15.6, paso 5). Esto da por resultado un cambio conformacional que causa un decremento en la afinidad por el efector y un aumento en la afinidad por la subunidad γ. Así, después de la hidrólisis del GTP, la subunidad G_α se disocia del efector y vuelve a unirse a la subunidad βγ para volver a formar la proteína G heterotrimérica inactiva (paso 6). En cierto sentido, las proteínas G heterotriméricas funcionan como temporizadores moleculares. Se encienden mediante la interacción con un receptor activado y se apagan con la hidrólisis del GTP unido después de cierto tiempo. Mientras permanecen activas, las subunidades G_α pueden encender a los efectores corriente abajo.

Las proteínas G heterotriméricas poseen cuatro formas, G_s, G_q, G_i y G_12/13. Esta clasificación se basa en las subunidades G_α y los efectores con las que se unen. La respuesta particular inducida por un GPCR activado depende del tipo de proteína G con la que interactúe, aunque algunos GPCR pueden interactuar con distintas proteínas G y desencadenar más de una respuesta fisiológica. Los miembros de la familia G_s se unen con receptores para la adenilciclasa. La adenilciclasa se activa con las subunidades G_α unidas con GTP. Los miembros de la familia G_q contienen subunidades G_α que activan PLCβ. Este último hidroliza al difosfato de fosfatidilinositol, con lo que se obtiene trifosfato de inositol y diacilglicerol (pág. 630). Las subunidades G_i activadas funcionan por inhibición de la adenilciclasa. Los miembros de G_12/13 no están tan bien caracterizados como las otras familias de proteínas G, aunque su activación inapropiada se ha vinculado con proliferación celular excesiva y transformación maligna. Después de su separación de la subunidad G_α, el complejo βγ también tiene una función de señal y puede unirse por lo menos con cuatro tipos de efectores diferentes: PLCβ, conductos iónicos para K⁺ y adenilciclasa.

Terminación de la respuesta

Ya se mostró que la unión con ligandos conduce a la activación del receptor. Los receptores activados encienden las proteínas G y éstas a su vez a los efectores. Para prevenir la estimulación excesiva es necesario que se bloqueen los receptores para que no continúen la activación de las proteínas G. Para recuperar la sensibilidad a estímulos futuros, el receptor, la proteína G y el efector deben regresar a su estado inactivo. La desensibilización, proceso que bloquea a los receptores activos para que suspendan la activación adicional de las proteínas G, ocurre en dos pasos. En el primero, el dominio citoplásmico del GPCR activado se fosforila por acción de un tipo específico de cinasa, la cinasa del receptor unido a proteína G (GRK) (fig. 15.6, paso 7). Las GRK forman una pequeña familia de cinasas proteínicas de serina-treonina que reconocen de forma específica a los GPCR activados.

La fosforilación del GPCR establece las bases para el segundo paso, que es la unión de proteínas llamadas arrestinas (fig. 15.6, paso 8). Las arrestinas constituyen un pequeño grupo de proteínas que se unen con los GPCR y compiten por la unión con las proteínas G heterotriméricas. Como consecuencia, la unión de la arrestina previene la activación adicional de más proteínas G. Esta acción se conoce como desensibilización porque la célula deja de responder al estímulo, mientras que ese estímulo aún actúa en la superficie externa de la célula. La desensibilización es uno de los mecanismos que le permite a una célula responder a un cambio en su ambiente en lugar de continuar su “disparo” de modo indefinido en presencia de un ambiente inmutable. La importancia de la desensibilización se ilustra por la observación de que las mutaciones que interfieren con la fosforilación de la rodopsina por una GRK conducen a la muerte de las células fotorreceptoras en la retina. Se cree que este tipo de muerte celular en la retina es una de las causas de la ceguera secundaria a la retinitis pigmentosa.

Las arrestinas pueden describirse como “centros” proteínicos (pág. 62), porque pueden unirse a muy diversas proteínas que intervienen en los procesos intracelulares. Al estar unidas a GPCR fosforilados (fase 1, fig. 15.7), las moléculas de arrestina pueden unirse a moléculas del adaptador AP2 situadas en las “depresiones” revestidas de clatrina (pág. 310). La interacción entre la arrestina ligada y las depresiones revestidas de clatrina (fase 2) induce la captación de GPCR fosforilados al interior de la célula por medio de endocitosis. Según las circunstancias, los receptores que han sido separados de la superficie por acción de endocitosis tienen varias culminaciones diferentes. En algunos casos, los receptores transcurren por la vía endocítica al interior de endosomas (pág. 312), en que las moléculas de arrestina acompañantes actúan como una estructura de andamiaje para el ensamblaje de complejos de señalización citoplásmica. La vía MAPK que se expone con mayor detalle en apartados ulteriores, según expertos, es activada por GPCR unidos a arrestina y localizados dentro de los endosomas (fase 3). El descubrimiento de “endosomas señalizadores” causó sorpresa a los investigadores en el campo de señales celulares que habían elaborado en el supuesto de que GPCR (y también RTK) fueran capaces sólo de la transducción de señales cuando estaban en la superficie celular. Se sabe ahora que al parecer las señales transmitidas desde los endosomas poseen diferentes propiedades y funciones fisiológicas, en comparación de las que nacen de la membrana plasmática. Como una segunda culminación, los receptores internalizados pueden “pasar” de los endosomas a los lisosomas, sitio en que son degradados (fase 4). Si los receptores son degradados, las células pierden (cuando menos temporalmente) sensibilidad para el ligando en cuestión. Por último, según lo señala un tercer esquema, los GPCR ligados a arrestina pueden ser desfosforilados y devueltos a la membrana plasmática (fase 5). Si retornan los receptores a la superficie celular, las células conservan su sensibilidad al ligando (situación conocida como resensibilización).

La señalización por la subunidad G_α activada se termina por un mecanismo menos complejo: la molécula de GTP unida tan sólo se hidroliza a GDP (paso 5, fig. 15.6). Por consiguiente, la fuerza y duración de la señal dependen en parte de la velocidad de hidrólisis del GTP por la subunidad G_α. Las subunidades G_α tienen una débil actividad de GTP-asa, lo cual les permite hidrolizar lentamente el GTP unido y desactivarse a sí mismas. La terminación de la reacción se acelera por los reguladores de la señalización de proteína G (RGS). La interacción con una proteína RGS aumenta la velocidad de hidrólisis de la GTP-asa por la subunidad G_α. Una vez que se hidroliza la GTP, la G_α-GDP se vincula de nueva cuenta con las subunidades G_βγ para reformar el complejo trimérico inactivo (paso 6) como se expuso antes. Esto devuelve el sistema a su estado de reposo.

El mecanismo para transmitir señales a través de la membrana plasmática mediante las proteínas G tiene un origen evolutivo ancestral y está muy bien conservado. Esto lo ilustra un experimento en el que células de levadura se modificaron mediante ingeniería genética, para expresar un receptor para la hormona humana somatostatina. Cuando estas células de levadura se trataron con somatostatina, los receptores de mamíferos en la superficie celular interactuaron con las proteínas G heterotriméricas de levaduras en la superficie interna de la membrana y desencadenaron una respuesta que condujo a la proliferación de las células de levadura.

Los efectos de ciertas mutaciones en la función de los receptores unidos a proteína G se explican en la sección Perspectiva humana.

Toxinas bacterianas Como las proteínas G son tan importantes para la fisiología normal de los organismos multicelulares, representan blancos excelentes para los patógenos bacterianos. Por ejemplo, la toxina del cólera (producida por la bacteria Vibrio cholerae) ejerce su efecto mediante la modificación de las subunidades G_α e inhibición de su actividad de GTP-asa en las células del epitelio intestinal. Como resultado, las moléculas de adenilil ciclasa permanecen en el modo activado, lo que agita al cAMP, que hace que las células epiteliales secreten grandes cantidades de líquido hacia la luz intestinal. La pérdida de agua consecuente con esta respuesta inapropiada conduce a menudo a la muerte por deshidratación.

La toxina de la tos ferina es uno de los diversos factores de virulencia producidos por Bordetella pertussis, un microorganismo que causa la tos ferina. Esta enfermedad es una infección debilitante de las vías respiratorias que se presenta en 50 millones de personas en todo el mundo cada año y causa la muerte de cerca de 350 000 de estos casos en ese mismo lapso. La toxina tosferínica también desactiva subunidades de G_α, lo que interfiere con la vía de señalización que lleva al hospedador a establecer una respuesta defensiva contra la infección bacteriana.

Segundos mensajeros

Descubrimiento del AMP cíclico, prototipo de segundo mensajero

¿De qué forma la unión de una hormona con la membrana plasmática cambia la actividad de las enzimas citoplásmicas, como la glucógeno fosforilasa, una enzima participante en el metabolismo del glucógeno? La respuesta a esta pregunta se obtuvo tras los estudios que comenzaron a mediados del decenio de 1950 en los laboratorios de Earl Sutherland y col., de la Case Western Reserve University, y de Edwin Krebs y Edmond Fischer, de la Washington University. El objetivo de Sutherland era desarrollar un sistema in vitro para estudiar las reacciones fisiológicas a las hormonas. Después de un considerable esfuerzo, pudo activar la glucógeno fosforilasa en una preparación de células rotas que se habían incubado con glucagón o adrenalina. Esta preparación de células rotas pudo dividirse por centrifugación, en una fracción de partículas consistente sobre todo en membranas celulares, y una fracción de sobrenadante soluble. Aunque había glucógeno fosforilasa sólo en la fracción sobrenadante, el material en partículas era necesario para obtener la respuesta hormonal. Los experimentos posteriores indicaron que la respuesta ocurrió por lo menos en dos pasos. Si la fracción de partículas de un homogeneizado de hígado se aislaba e incubaba con la hormona, se liberaba cierta sustancia que, cuando se agregaba a la fracción sobrenadante, activaba las moléculas solubles de la glucógeno fosforilasa. Sutherland identificó la sustancia liberada por las membranas de la fracción de partículas como monofosfato de adenosina cíclico (AMP cíclico o cAMP). Este descubrimiento se anunció como el principio del estudio de la transducción de la señal. Como se explica más adelante, el cAMP estimula la movilización de glucosa mediante la activación de una proteína cinasa que agrega un grupo fosfato a un residuo específico de serina del polipéptido glucógeno fosforilasa.

El cAMP es un segundo mensajero capaz de difundirse a otros sitios dentro de la célula. La síntesis de cAMP sigue a la unión del primer mensajero, una hormona u otro ligando, con un receptor en la superficie externa de la célula. La figura 15.8 muestra la difusión del cAMP dentro del citoplasma de una neurona después de la estimulación con una molécula mensajera extracelular. Mientras que el primer mensajero se une sólo con una sola especie de receptor, el segundo mensajero estimula con frecuencia diversas actividades celulares. Como resultado, los segundos mensajeros permiten a las células establecer una respuesta coordinada a mayor escala después de la estimulación con un solo ligando extracelular. Existen otros segundos mensajeros como el Ca²⁺, fosfoinosítidos, trifosfato de inositol, diacilglicerol, GMP cíclico y óxido nítrico.

Segundos mensajeros derivados de fosfatidilinositol

Hasta no hace mucho tiempo, los fosfolípidos de la membrana celular se consideraban sólo como moléculas estructurales que mantenían la cohesión de las membranas y las hacían impermeables a los solutos acuosos. La apreciación de los fosfolípidos ha crecido con el descubrimiento de que estas moléculas constituyen los precursores de varios segundos mensajeros. Los fosfolípidos de las membranas celulares se convierten en segundos mensajeros por la acción de varias enzimas que se regulan como respuesta a las señales extracelulares. Estas enzimas incluyen fosfolipasas (enzimas separadoras de lípidos), fosfolípidocinasas (enzimas que fosforilan lípidos) y fosfolípidos fosfatasas (enzimas que desfosforilan lípidos). Las fosfolipasas son enzimas que hidrolizan enlaces ésteres específicos que conectan diferentes bloques de construcción que forman una molécula de fosfolípido. La figura 15.9a muestra los sitios de separación dentro de un fosfolípido general que son el sitio de acción de las principales clases de fosfolipasas. Las cuatro clases de enzimas mostradas en la figura 15.9a se activan como respuesta a señales extracelulares y los productos que se obtienen funcionan como segundos mensajeros. Esta sección se enfoca en los lípidos que actúan como segundos mensajeros y han sido los mejor estudiados, los cuales se derivan del fosfatidilinositol y se producen después de la transmisión de señales de receptores unidos a proteína G y proteína tirosina cinasa receptoras. No se revisa otro grupo de segundos mensajeros lipídicos derivados de la esfingomielina.

Fosforilación del fosfatidilinositol Cuando el neurotransmisor acetilcolina se une a la superficie de una célula de músculo liso dentro de la pared del estómago, se estimula para contraerse. Cuando un antígeno extraño se une con la superficie de un mastocito, la estimula para secretar histamina, una sustancia que puede provocar los síntomas de un ataque de alergia. Estas dos respuestas, una que causa la contracción y la otra que induce la secreción, se activan con el mismo segundo mensajero, una sustancia derivada del compuesto fosfatidilinositol, un componente menor de la mayor parte de las membranas celulares (fig. 4.10).

La primera indicación de que los fosfolípidos podían participar en las respuestas celulares a las señales extracelulares surgió de los estudios que realizaron a principios del decenio de 1950 Lowell y Mabel Hokin en el Montreal General Hospital y la McGill University. Estos investigadores se habían enfocado en el estudio de los efectos de la acetilcolina en la síntesis de RNA en el páncreas. Para llevar a cabo tales estudios incubaron rebanadas de páncreas de paloma con [³²P]ortofosfato. La idea era que el [³²P]ortofosfato se incorporara en los trifosfatos de nucleósidos, que se emplean como precursores durante la síntesis de RNA. Lo interesante es que encontraron que el tratamiento del tejido con acetilcolina conducía a la incorporación de radiactividad en la fracción de fosfolípidos de la célula. El análisis adicional reveló que el isótopo se incorporaba sobre todo en el fosfatidilinositol (PI), que pronto se convertía en otros derivados fosforilados, conocidos en conjunto como fosfoinosítidos. Esto sugirió que los lípidos que contienen inositol pueden fosforilarse por acción de cinasas específicas que se activan como respuesta a moléculas mensajeras extracelulares, como la acetilcolina. Ahora se sabe que las cinasas de lípidos se activan como respuesta a una gran variedad de señales extracelulares.

Varias de las reacciones del metabolismo del fosfoinosítido se muestran en la figura 15.10 para generar 7 distintos fosfoinosítidos. Como se indica en la parte izquierda de esta figura, el anillo inositol, que se encuentra en la superficie citoplásmica de la bicapa, tiene seis átomos de carbono. El carbono número 1 participa en el enlace entre el inositol y el diacilglicerol. Los carbonos 3, 4 o 5 pueden ser fosforilados por cinasas de fosfoinosítido presentes en las células. Por ejemplo, la transferencia de un solo grupo fosfato a la posición cuatro del azúcar inositol del PI por acción de la 4-cinasa de PI (PI4K), genera 4-fosfato de fosfatidilinositol (PI(4)P), que puede fosforilarse por acción de la 5-cinasa de PIP (PIP5K) para formar 4,5-difosfato de PI (PI(4,5)P₂; fig. 15.10, pasos 1 y 2). El PI(4,5)P₂ puede fosforilarse por acción de la 3-cinasa de PI para formar PI(3,4,5)P₃ (PIP₃) (que se muestra en la fig. 15.25c). La fosforilación de PI(4,5)P₂ para formar PIP₃ reviste particular interés porque las enzimas PI3K implicadas en este proceso pueden ser controladas por una gran variedad de moléculas extracelulares, y la sobreactividad de PI3K se ha vinculado con diversos tipos de cáncer del ser humano. En la página 645 se expone la formación de PIP₃ durante la respuesta a insulina.

Todas estas especies de fosfolípidos permanecen en la hoja citoplásmica de la membrana plasmática. Del mismo modo que hay cinasas de lípidos para agregar grupos fosfato, hay fosfatasas de lípidos para retirarlos (p. ej., PTEN). La actividad de estas cinasas y de las fosfatasas puede regularse para que los fosfoinosítidos específicos aparezcan en regiones particulares de la membrana en momentos determinados después de recibir una señal. La función de los fosfoinosítidos específicos en el tráfico de membrana se describe en la página 311.

Los anillos fosforilados de inositol de los fosfoinosítidos forman sitios de unión para varios dominios de unión a lípidos (PH, PX y FYVE) presentes en proteínas. El mejor conocido es el dominio PH (fig. 15.9b), que se ha identificado en más de 150 proteínas distintas. La unión de una proteína por su dominio PH con PI(3, 4)P₂ o PIP₃ casi siempre atrae a la proteína a la cara citoplásmica de la membrana plasmática, donde puede interactuar con otras proteínas unidas con la membrana, incluidos activadores, inhibidores o sustratos. La figura 15.9c muestra un ejemplo en el que PIP₃ se localiza de manera específica en una porción particular de la membrana plasmática de una célula. PIP₃ se produce en la parte frontal de la célula por una cinasa de lípido localizada y luego se degrada en las partes posterior y laterales de la célula por efecto de una fosfatasa lipídica localizada. La célula mostrada en la figura 15.9c participa en la quimiotaxis, lo que equivale a decir que se mueve hacia un sitio con mayor concentración de una sustancia química particular en el medio que sirve como quimioatrayente. Este es el mecanismo que hace que las células fagocíticas, como los macrófagos, se desplacen hacia las bacterias y otros blancos a los que engullen. La quimiotaxis depende de la producción localizada de mensajeros fosfoinositídicos que se unen a algunas proteínas que se ligan a actina (pág. 372) para influir en la formación de los filamentos de actina y los lamelipodios necesarios para desplazar a la célula en la dirección de su “sitio de acción” o blanco.

Fosfolipasa C

No todos los segundos mensajeros que contienen inositol permanecen en la bicapa de lípidos de una membrana, como se describió antes. Cuando la acetilcolina se une con una célula de músculo liso, o un antígeno se une con un mastocito, el receptor unido activa una proteína G heterotrimérica (fig. 15.10, paso 3), que a su vez activa al efector fosfolipasa C-β específica para fosfatidilinositol (PLCβ) (paso 4). Como la proteína mostrada en la figura 15.9b, PLCβ se sitúa en la superficie interna de la membrana (fig. 15.10), unida ahí por la interacción entre su dominio PH y una fosfoinosítido incrustada en la bicapa. PLCβ cataliza una reacción que separa PI(4, 5)P₂ en dos moléculas, 1,4,5-trifosfato de inositol (IP₃) y diacilglicerol (DAG) (paso 5, fig. 15.10), dos sustancias que tienen funciones importantes como segundos mensajeros en la señalización celular. A continuación se describe cada uno de estos segundos mensajeros.

Diacilglicerol El diacilglicerol (fig. 15.10) es una molécula lipídica que permanece en la membrana plasmática después de su formación por PLCβ. Ahí recluta y activa proteínas efectoras que portan un dominio C1 de unión con DAG. La mejor estudiada de estas proteínas es la proteína cinasa C (PKC) (paso 6, fig. 15.10), que fosforila los residuos de serina y treonina en una gran variedad de proteínas blanco.

La proteína cinasa C tiene varias funciones importantes en el crecimiento y diferenciación celulares, metabolismo celular, muerte celular y respuestas inmunitarias. La importancia aparente de la proteína cinasa C en el control del crecimiento se demuestra en estudios con un grupo de compuestos vegetales potentes, los ésteres de forbol, que se parecen al diacilglicerol. Estos compuestos activan a la proteína cinasa C en diversas células cultivadas, hacen que pierdan el control del crecimiento y se comporten como células malignas durante un tiempo. Cuando el éster de forbol se elimina del medio, las células recuperan sus propiedades de crecimiento normales. En cambio, las células que se modificaron mediante ingeniería genética para expresar de manera constitutiva la proteína cinasa C expresan un fenotipo maligno permanente en el cultivo celular y pueden originar tumores en ratones susceptibles. La importancia de PKC en la inducción de respuestas inmunitarias se advierte en estudios de un inhibidor específico de PKC llamado AEBO71, estudiado en seres humanos como un inmunodepresor para evitar el rechazo de riñones trasplantados, y para tratar la psoriasis, una dermatosis autoinmunitaria.

1,4,5-trifosfato de inositol (IP₃) El 1,4,5-trifosfato de inositol (IP₃) es un fosfato de azúcar, una pequeña molécula hidrosoluble capaz de difundirse con rapidez por el interior de la célula. Las moléculas de IP₃ formadas en la membrana se difunden hacia el citosol (paso 7, fig. 15.10) y se unen con un receptor específico para IP₃ ubicado en la superficie del retículo endoplásmico liso (paso 8). En la página 280 se mencionó que el retículo endoplásmico liso es un sitio de almacenamiento de calcio en diversas células. El receptor IP₃ también funciona como conducto tetramérico para el Ca²⁺. La unión de IP₃ abre el conducto y permite que los iones Ca²⁺ se difundan al citoplasma (paso 9). Los iones de calcio también pueden considerarse segundos mensajeros o mensajeros intracelulares porque se unen con varias moléculas blanco, lo que activa reacciones específicas. En los dos ejemplos antes empleados, la contracción de una célula de músculo liso y la exocitosis de gránulos secretores con histamina en un mastocito se activan por las concentraciones elevadas de calcio. Éste también es el caso para la respuesta de una célula hepática a la hormona vasopresina (la misma hormona que tiene actividad antidiurética en el riñón, pág. 151). La vasopresina se une con su receptor en la superficie de la célula hepática y genera una serie de pulsos de liberación de Ca²⁺ mediados por IP₃ que aparecen como oscilaciones de calcio libre en el registro que se muestra en la figura 15.11. La frecuencia e intensidad de estas oscilaciones pueden codificar la información que regula la reacción celular específica. El cuadro 15.2 presenta una lista de algunas de las respuestas mediadas por IP₃. En la sección 15.5 se explica en forma más amplia sobre los iones Ca²⁺.

Especificidad de las reacciones relacionadas con la proteína G

Es evidente que una gran diversidad de agentes, entre ellos las hormonas, neurotransmisores y estímulos sensitivos, actúan mediante los GPCR y las proteínas G heterotriméricas para transmitir información a través de la membrana plasmática, lo que desencadena muchas y diversas respuestas celulares. Por tal razón, los GPCR en forma de grupo, pueden unirse a ligandos de muy diverso tipo. Además, el receptor que corresponde a un ligando particular existe en diferentes versiones (isoformas). Por ejemplo, los investigadores han identificado nueve isoformas diferentes del receptor adrenérgico que se une con la adrenalina y 15 isoformas distintas del receptor para serotonina, un neurotransmisor potente que liberan las células nerviosas en algunas partes del cerebro y que regula las emociones. Las diversas isoformas pueden tener afinidad distinta por el ligando o interactuar con diferentes tipos de proteínas G. Las isoformas diversas de un receptor pueden coexistir en la misma membrana plasmática o encontrarse en membranas de tipos distintos de células blanco. Las proteínas G heterotriméricas que transmiten señales del receptor al efector también pueden existir en múltiples isoformas, al igual que muchos de los efectores. Se han reconocido cuando menos 16 subunidades diferentes de G_α, cinco subunidades Gβ y 11 subunidades distintas de Gγ, junto con nueve isoformas del efector adenilciclasa. Las diferentes combinaciones de las subunidades específicas construyen proteínas G con distintas capacidades de reacción con isoformas específicas de receptores y efectores.

Como se menciona en la página 624, algunas proteínas G actúan por la inhibición de sus efectores. El mismo estímulo puede activar una proteína G estimulante (una con alguna subunidad G_αs) en una célula y una proteína G inhibidora (una con alguna subunidad G_αi) en otra diferente. Por ejemplo, cuando la adrenalina se une con un receptor adrenérgico β en una célula de músculo cardiaco, se activa una proteína G con una subunidad G_αs, lo cual estimula la producción de cAMP, lo que a su vez aumenta la velocidad y fuerza de la contracción. En cambio, cuando la adrenalina se une con un receptor adrenérgico α en una célula de músculo liso en el intestino, se activa una proteína G con una subunidad G_αi, la cual inhibe la producción de cAMP e induce relajación del músculo. Por último, algunos receptores adrenérgicos activan proteínas G con subunidades G_αq, que activan PLCβ. Está claro que el mismo mensajero extracelular puede activar varias vías en distintas células.

Regulación de las concentraciones de glucosa sanguínea

Todos los tipos de células del cuerpo pueden utilizar glucosa como fuente de energía; se oxida a CO₂ y H₂O por hidrólisis en el ciclo del ácido tricarboxílico, lo que brinda a las células el ATP que puede emplearse para impulsar las reacciones que requieren energía. El cuerpo mantiene las concentraciones de glucosa en la sangre en un intervalo estrecho. Como se expone en el capítulo 3, en las células animales el exceso de glucosa se almacena en forma de glucógeno, un polímero grande y ramificado que consta de monómeros de glucosa unidos por enlaces glucosídicos. La hormona glucagón es producida por las células α del páncreas en respuesta a concentraciones bajas de glucosa en la sangre. El glucagón estimula la degradación del glucógeno y libera la glucosa en el torrente sanguíneo, lo cual causa aumento de sus concentraciones ahí. La hormona insulina es producida por las células β del páncreas en respuesta a altas concentraciones de glucosa y estimula la captación de ésta y su almacenamiento como glucógeno. Por último, la adrenalina (epinefrina), en ocasiones llamada hormona de “lucha o huida”, se produce en las glándulas suprarrenales en situaciones de estrés. La adrenalina incrementa las concentraciones sanguíneas de glucosa (glucemia) para proporcionar al organismo la energía extra necesaria para enfrentar la situación de estrés en un momento dado.

La insulina actúa a través de la proteína tirosina cinasa receptora y su transducción de señales se expone en la página 644. En cambio, tanto el glucagón como la adrenalina actúan al unirse al GPCR. El glucagón es una proteína pequeña formada por 29 aminoácidos, mientras que la adrenalina es una molécula pequeña derivada de la tirosina. En términos de estructura, estas moléculas no tienen nada en común, aunque ambas se unen al GPCR y estimulan la degradación del glucógeno a 1-fosfato de glucosa (fig. 15.12). Además, la unión a cualquiera de estas hormonas inhibe a la enzima glucógeno sintasa que cataliza la reacción contraria en la cual se agregan unidades glucosa a las moléculas de glucógeno en crecimiento. Por lo tanto, dos estímulos diferentes (glucagón y adrenalina), reconocidos por receptores distintos, inducen la misma reacción en una misma célula blanco. Los dos receptores difieren sobre todo en la estructura del saco de unión con ligando en la superficie externa de la célula, que es específica para una u otra hormona. Después de la activación de sus ligandos respectivos, ambos receptores activan el mismo tipo de proteínas G heterotriméricas que elevan las concentraciones de cAMP.

Movilización de glucosa: ejemplo de una reacción inducida por cAMP

El cAMP se sintetiza por acción de la adenilil ciclasa, una proteína integral de la membrana cuyo dominio catalítico se encuentra en la superficie interna de la membrana plasmática (fig. 15.13). El cAMP induce una respuesta que conduce a la movilización de glucosa mediante una cadena de reacciones, como se ilustra en la figura 15.14. El primer paso en esta cascada de reacciones tiene lugar cuando la hormona se une con su receptor, lo que activa la subunidad G_αs, la cual promueve un efector de la adenilil ciclasa. La enzima activada cataliza la formación de cAMP (pasos 1 y 2, fig. 15.14).

Una vez formadas, las moléculas de cAMP se difunden en el citoplasma, donde se unen con un sitio alostérico en una subunidad reguladora de una proteína cinasa dependiente de cAMP (proteína cinasa A, PKA) (paso 3, fig. 15.14). En su forma inactiva, la PKA es un heterotetrámero formado por dos subunidades reguladoras (R) y dos catalíticas (C). En condiciones normales, las subunidades reguladoras inhiben la actividad catalítica de la enzima. La unión con cAMP hace que se separen las subunidades inhibidoras, con lo que se liberan las subunidades catalíticas de la PKA. Los sustratos de la PKA en una célula hepática incluyen dos enzimas que tienen una función crucial en el metabolismo de la glucosa, la glucógeno sintasa y la fosforilasa cinasa (pasos 4 y 5). La fosforilación de la glucógeno sintasa inhibe su actividad catalítica, con lo que se impide la conversión de glucosa en glucógeno. En cambio, la fosforilación de la fosforilasa cinasa activa la enzima para que catalice la transferencia de grupos fosfatos a las moléculas de glucógeno fosforilasa. Como descubrieron Krebs y Fischer (pág. 115), la adición de un solo grupo fosfato a un residuo específico de serina en el polipéptido de la glucógeno fosforilasa activa esta enzima (paso 6), con lo que se estimula la degradación del glucógeno (paso 7). El 1-fosfato de glucosa que se forma en la reacción se convierte en glucosa, la cual se difunde a la corriente sanguínea y así llega a los otros tejidos del cuerpo (paso 8).

Como pudiera esperarse, debe haber un mecanismo que revierta los pasos explicados antes; de lo contrario, la célula permanecería en el estado activado por tiempo indefinido. Las células hepáticas contienen fosfatasas que retiran los grupos fosfatos agregados por las cinasas. Un miembro particular de esta familia de enzimas, la fosfatasa 1, puede eliminar los fosfatos de todas las enzimas fosforiladas de la figura 15.14: fosforilasa cinasa, glucógeno sintasa y glucógeno fosforilasa. La destrucción de las moléculas de cAMP presentes en la célula se logra mediante la enzima fosfodiesterasa de cAMP, la cual ayuda a terminar la respuesta.

Amplificación de señales

La unión de una sola molécula de hormona con la superficie celular puede activar varias moléculas de la adenilciclasa, cada una de las cuales da origen a una gran cantidad de mensajeros cAMP en un periodo corto de tiempo. Por lo tanto, la producción de un segundo mensajero representa un mecanismo para amplificar de manera considerable la señal emitida por el mensaje original. Muchos de los pasos de la cascada de reacciones ilustrada en la figura 15.14 producen la amplificación de la señal (estos pasos se indican con las flechas azules). Las moléculas de cAMP activan la PKA. Cada subunidad catalítica de PKA fosforila una gran cantidad de moléculas de fosforilasa cinasa, las que a su vez fosforilan una cantidad aún mayor de moléculas de glucógeno fosforilasa, que luego pueden catalizar la formación de una cantidad mucho mayor de fosfatos de glucosa. Por lo tanto, lo que inicia como un estímulo apenas perceptible en la superficie celular pronto se transforma en una movilización mayor de glucosa dentro de la célula.

Otros aspectos de las vías de transducción de la señal del cAMP

Aunque la mayor parte de los efectos rápidos y mejor estudiados del cAMP se produce en el citoplasma, el núcleo y sus genes también intervienen en la respuesta. Una fracción de las moléculas de PKA activadas se traslada al núcleo, donde fosforila proteínas nucleares claves (paso 9, fig. 15.14), en particular un factor de transcripción denominado CREB (proteína de unión con el elemento de respuesta a cAMP). La versión fosforilada de CREB se une como dímero en puntos sobre el DNA (fig. 15.14, paso 10), que contiene una secuencia particular de nucleótidos (TGACGTCA), conocida como elemento de respuesta al cAMP (CRE). En la página 525 se explica que los elementos de respuesta son sitios en el DNA en los que se unen factores de transcripción y aumentan el ritmo de iniciación de la transcripción. Los CRE se localizan en las regiones reguladoras de los genes que participan en la respuesta al cAMP. Por ejemplo, en las células hepáticas, varias de las enzimas que participan en la gluconeogénesis, una vía en la que se forma glucosa a partir de intermediarios de la glucólisis (fig. 3.31), se codifican en genes que contienen los CRE cercanos. Por consiguiente, la adrenalina y el glucagón no sólo activan las enzimas catabólicas participantes en la degradación del glucógeno, sino que promueven también la síntesis de enzimas anabólicas necesarias para sintetizar glucosa a partir de precursores más pequeños.

El cAMP se produce en muchas células diferentes como reacción a una gran diversidad de distintos ligandos (es decir, primeros mensajeros). El cuadro 15.3 lista varias de las respuestas hormonales mediadas por cAMP en las células de los mamíferos. Las vías del cAMP también se han referido en procesos que ocurren en el sistema nervioso, como el aprendizaje, la memoria y la adicción a las drogas. Por ejemplo, el consumo crónico de opiáceos eleva los niveles de adenilil ciclasa y PKA, lo cual puede ser causa, al menos en parte, de las reacciones fisiológicas que se observan durante la abstinencia farmacológica. Otro nucleótido cíclico, el GMP cíclico, también actúa como segundo mensajero en ciertas células, como lo ilustra la relajación inducida en las células de músculo liso que se explica en la página 656. Además, el GMP cíclico tiene una función clave en la vía de señalización de la visión.

Como el cAMP ejerce la mayor parte de sus efectos mediante la activación de PKA, la reacción de una célula determinada al cAMP casi siempre depende de las proteínas específicas que se fosforilan por acción de esta cinasa (fig. 15.15). Aunque la activación de PKA en la célula hepática como respuesta a la adrenalina conduce a la degradación del glucógeno, la activación de la misma enzima en una célula del túbulo renal como reacción a la vasopresina produce una mayor permeabilidad de la membrana al agua y en una célula tiroidea como respuesta a la TSH conduce a la secreción de la hormona tiroidea. Es claro que la PKA debe fosforilar diferentes sustratos en cada uno de estos tipos celulares, con lo cual vincula el incremento de las concentraciones de cAMP inducido por adrenalina, vasopresina y TSH con diferentes respuestas fisiológicas.

Se han descrito más de 100 sustratos de PKA. La mayor parte de ellos realiza funciones separadas, lo cual hace surgir la interrogante de cómo es que la PKA fosforila los sustratos apropiados en respuesta a un estímulo específico en un tipo celular específico. La respuesta se obtuvo en parte de la observación de que diferentes células expresan diferentes sustratos de PKA y también en parte del descubrimiento de proteínas fijadoras de PKA o AKAP, que funcionan como centros de señalización. Las primeras AKAP se descubrieron como proteínas co-purificadas con PKA. Desde entonces se han descubierto al menos 50 AKAP diferentes, algunas de las cuales se muestran en la figura 15.16. Como se indica en esta figura, las AKAP proporcionan un marco estructural para coordinar interacciones proteína-proteína secuestrando PKA en sitios específicos de la célula. En consecuencia, la PKA se acumula en estrecha proximidad con uno o más sustratos. Cuando las concentraciones de cAMP aumentan y se activa la PKA, los sustratos necesarios están a la mano y son los primeros en ser fosforilados. Así, la selección de sustratos es en parte consecuencia de la localización de PKA en presencia de sustratos específicos. Diferentes células expresan diferentes AKAP, de lo que resulta la localización de PKA cerca de diferentes sustratos y por tal motivo la fosforilación de diferentes sustratos después de un aumento en la concentración de cAMP. Es interesante observar que, a diferencia de la mayoría de las proteínas con función similar, las AKAP tienen diversas estructuras, lo cual sugiere que la evolución dirigió distintos tipos de proteínas a realizar una actividad similar en la señalización celular.

La función de los GPCR en la percepción sensitiva

La capacidad de los seres humanos para ver, percibir sabores y olores depende en buena medida de los GPCR. Antes se mencionó que la rodopsina, cuya estructura se mostró en la figura 15.5b, es un GPCR. La rodopsina es la proteína sensible a la luz presente en los bastones de la retina, que son las células fotorreceptoras que responden a la baja intensidad de luz y proporcionan las imágenes en blanco y negro del ambiente por la noche o en una habitación oscura. En los conos de la retina existen varios GPCR muy relacionados que suministran la capacidad para la visión a color cuando la luz es más intensa. La absorción de un solo fotón induce un cambio en la conformación en la molécula de rodopsina, la cual transmite la señal a una proteína G heterotrimérica (llamada transducina), que a su vez activa al efector unido. En este caso, el efector es la enzima fosfodiesterasa de cGMP, que hidroliza al nucleótido cGMP, un segundo mensajero con estructura similar al cAMP (fig. 15.13). El cGMP tiene un cometido importante en la excitación visual en los bastones de la retina. En la oscuridad, son grandes los niveles de cGMP y por ello pueden unirse a los conductos de sodio regulados por cGMP en la membrana plasmática, de modo que conservan a los conductos con una configuración abierta y ello culmina en una continua penetración de corriente de iones (“corriente propia de la oscuridad”). La activación de fosfodiesterasa de cGMP da por resultado concentraciones más bajas de cGMP, lo que ocasiona el cierre de los conductos de sodio. Esta respuesta, inusual en el sentido de que es inducida por un disminución en la concentración de un segundo mensajero, puede hacer que se generen potenciales de acción a lo largo del nervio óptico.

El sentido del olfato depende de los impulsos nerviosos transmitidos por las neuronas olfatorias desde el epitelio que recubre la parte superior de la cavidad nasal hasta el bulbo olfatorio, que se localiza en la base del cerebro. Las puntas distales de estas neuronas, que se encuentran en el epitelio nasal, contienen receptores olfatorios, que son GPCR capaces de unirse con varias sustancias que ingresan a la nariz. Los receptores olfatorios de los mamíferos fueron identificados por primera vez en 1991 por Linda Buck y Richard Axel de la Columbia University. Se estima que los seres humanos expresan apenas 400 receptores olfatorios diferentes que, en conjunto, pueden combinarse con una gran variedad de estructuras químicas distintas (odorantes).¹

Cada neurona olfatoria expresa sólo un alelo de uno de los cientos de receptores olfatorios diferentes codificados en el genoma y, por consiguiente, sólo es capaz de reaccionar a una o unas cuantas sustancias relacionadas. Como resultado, la activación de distintas neuronas que contienen diversos receptores olfatorios proporciona la percepción de diversos aromas. Esto no significa que una sola sustancia no interactúe con más de un receptor olfatorio, sino más bien que la combinación específica de receptores activados por ese compuesto pueda intervenir de manera decisiva para la génesis de un “olor” particular. Las mutaciones en un gen específico que codifica un receptor oloroso particular pueden hacer que la persona sea incapaz de detectar el olor de una sustancia química precisa en el entorno, que percibirían otros miembros de la población. Los receptores olorosos, activados por ligandos unidos envían señales a través de proteínas G heterotriméricas hasta la adenilil ciclasa y ello culmina en la síntesis de cAMP y la abertura de un conducto catiónico regulado por cAMP. La respuesta anterior permite que se generen potenciales de acción transmitidos al encéfalo.

La percepción del sabor por parte de los humanos es mucho menos discriminativa que la del olfato. Cada célula receptora del gusto en la lengua transmite sólo una de cinco características básicas que son: salado, agrio, dulce, amargo o umami (término japonés que denota “gustoso”). Las células receptoras del gusto que inducen el sabor de umami reaccionan a los aminoácidos, ácidos aspártico y glutámico y a nucleótidos purínicos y generan una percepción de que un alimento es “sabroso”; ésta es la explicación de la adición frecuente de glutamato monosódico y guanilato disódico a alimentos preparados para intensificar su sabor. El sabor umami agradable, según se piensa, es producto de la evolución como mecanismo para impulsar a los mamíferos a buscar alimentos con abundantes proteínas. La percepción de que un alimento o bebida es salado o agrio es inducida directamente por iones sódicos o protones en el alimento. Estos iones pasan a través de la membrana plasmática de células receptoras, por medio de los conductos de sodio o hidrógeno, respectivamente lo cual culmina en una despolarización de la membrana plasmática de tales células (pág. 166). En cambio, la percepción de que el alimento es amargo, dulce o sabroso, depende de la interacción de compuestos de GPCR en la superficie de la célula receptora. Los humanos codifican una familia de unos 30 receptores del sabor amargo llamados T2R acoplados a la misma proteína G heterotrimérica. En forma de grupo, tales receptores gustativos se unen a muy diversos compuestos como serían alcaloides o cianuros vegetales, que inducen un sabor amargo en la boca. En su mayor parte, las sustancias que desencadenan tal percepción son tóxicas, e inducen una respuesta protectora desagradable que provoca la expulsión de la sustancia, desde la boca. A diferencia de las células olfatorias que contienen una sola proteína receptora, una sola célula de yema gustativa que induce una sensación amarga contiene diversos receptores T2R que responden a sustancias nocivas. Como consecuencia, las sustancias heterogéneas desencadenan el mismo sabor básico que indica que simplemente el alimento que se tiene en la boca es amargo y desagradable. A diferencia de ello, el alimento que genera un sabor dulce posiblemente es el que contiene carbohidratos con abundantes calorías. Los humanos poseen sólo un receptor de alta afinidad del sabor dulce (el heterodímero T1R2-T1R3) y reacciona a los azúcares, a algunos péptidos dulces y proteínas (como la monelina) y edulcorantes artificiales. Los receptores de umami consisten en un heterodímero TR1-TR3. Por fortuna, cuando se mastica, el alimento libera sustancias odoríferas que se desplazan por la faringe hasta las células receptoras olfatorias de la mucosa nasal, lo que posibilita que el cerebro diferencie mucho más en la comida consumida que en los mensajes relativamente simples que suministran los receptores gustativos. Esta información combinada de las neuronas olfatorias y gustativas es la que proporciona el rico sentido del gusto. La importancia de las neuronas olfatorias en la percepción del gusto se torna más evidente cuando un resfriado impide reconocer parte del sabor de los alimentos.

Las proteínas tirosinas cinasas son enzimas que fosforilan residuos específicos de tirosina en sustratos proteínicos. La fosforilación de proteína tirosina es un mecanismo para la transducción de señales que apareció con la evolución de los organismos multicelulares. En el genoma humano se codifican más de 90 proteínas tirosinas cinasas diferentes que participan en la regulación del crecimiento, división, diferenciación, supervivencia, unión con la matriz extracelular y migración de las células. La expresión de proteínas tirosinas cinasas mutantes que no puede regularse y se mantienen en actividad constante puede causar división celular descontrolada y cáncer. Por ejemplo, un tipo de leucemia ocurre en las células que contienen una versión no regulada de las proteínas tirosinas cinasas ABL.

Las proteínas tirosinas cinasas pueden dividirse en dos grupos: proteínas tirosinas cinasas receptoras (RTK), que son proteínas integrales de membrana que contienen una sola hélice transmembrana y un dominio extracelular para unión con ligando, y proteínas tirosinas cinasas citoplásmicas. El genoma humano codifica casi 60 RTK y 32 TK no receptoras. Stanley Cohen, de la Vanderbilt University, identificó en 1978 el primer RTK por estudiar, que fue EGFR. En la página 696 se expone el descubrimiento del primer TK sin función receptora. Los RTK son activados directamente por factores extracelulares de crecimiento y diferenciación, como el factor de crecimiento epidérmico (EGF, epidermal growth factor) y el factor de crecimiento derivado de plaquetas (PDGF, platelet-derived growth factor) o por reguladores metabólicos como la insulina. Las proteínas tirosinas cinasas sin función receptora son reguladas de manera indirecta por señales extracelulares y controlan procesos tan heterogéneos como la respuesta inmunitaria, la adherencia celular y la migración neuronal. Esta sección del capítulo expone las transducciones de señales por los RTK.

Dimerización de receptores

Al considerar la mecánica de la transducción de señales surge un dilema obvio: ¿en qué forma es traducida la presencia de un factor de crecimiento por fuera de la célula, en cambios bioquímicos en el interior de la misma? Los biólogos estructuralistas no han resuelto la estructura tridimensional del RTK completo, pero se acepta ampliamente con base en otras técnicas, que la unión a ligandos causa la dimerización de los dominios extracelulares de unión a ligandos, de un par de receptores. Se han identificado dos mecanismos de la dimerización de receptores: la dimerización mediada por ligandos y la mediada por receptores (fig. 15.17). Las investigaciones iniciales sugirieron que los ligandos de RTK contienen dos sitios de unión con receptores; ello permitió que se produjera una molécula única del factor de crecimiento o de diferenciación que se ligara a dos receptores en forma simultánea de modo que se produjera la dimerización del factor mediada por ligando (fig. 15.17a). La vigencia de dicho modelo recibió el apoyo de la observación de que los factores de crecimiento y diferenciación como el factor de crecimiento derivado de plaquetas (PDGF) o el factor-1 estimulante de colonias (CSF-1¸colony-stimulating factor-1) estén compuestos de dos subunidades similares o idénticas unidas por enlaces de disulfuro, en la que cada subunidad contiene un sitio de unión con el receptor. Sin embargo, se observó que no todos los factores de crecimiento cumplían con dicho modelo; algunos de ellos (como EGF o TGFα) contienen un solo sitio de unión con receptores. Los datos de investigaciones estructurales apoyan un segundo mecanismo (fig. 15.17b), en el cual la unión a ligando induce un cambio de conformación en el dominio extracelular de un receptor con lo que se forma o queda al descubierto una “frontera” o interfase de dimerización del receptor. Con este mecanismo los ligandos actúan como reguladores alostéricos que “activan” la capacidad de sus receptores para formar dímeros. Un corto número de RTK que incluyen los receptores de insulina y de IGF-1 existen en la forma de dímeros inactivos en el caso de no haber ligandos (fig. 15.24). En el caso de muchas de las RTK, la dimerización del receptor culmina en la yuxtaposición de dos dominios de proteína tirosina cinasa en el lado citoplásmico de la membrana plasmática. La aproximación de los dos dominios de cinasa muy cercana permite la trans-autofosforilación en que la actividad de la proteína cinasa de un receptor del dímero fosforila residuos tirosínicos en el dominio citoplásmico del otro receptor del dímero, y viceversa (fig. 15.17a,b).

Activación de la proteína cinasa

Los sitios de autofosforilación tienen una función doble: regulan la actividad de cinasa y funcionan como sitios de unión para las moléculas de señalización citoplásmica. La actividad de cinasa casi siempre se regula mediante autofosforilación, en los residuos de tirosina presentes en el asa de activación del dominio de cinasa. Cuando el asa de activación no está fosforilada, se obstruye el sitio para unión con el sustrato, lo que impide la entrada de ATP. Después de su fosforilación, el asa de activación se estabiliza en una posición alejada del sitio de unión con el sustrato, lo que produce la activación del dominio cinasa. Una vez que se activa el dominio cinasa, las subunidades receptoras se fosforilan una a la otra en los residuos de tirosina presentes en las regiones adyacentes al dominio cinasa. Estos sitios de autofosforilación son los que actúan como sitios de unión para las proteínas de señalización celular.

Interacciones proteína-proteína dependientes de la fosfotirosina

Las vías de señalización consisten en una cadena de proteínas de señalización que interactúan una con la otra en una secuencia (fig. 15.3). Las proteínas de señalización son capaces de relacionarse con los receptores de proteínas tirosinas cinasas activados porque contienen dominios que se unen de manera específica con residuos de tirosina fosforilados (como en la fig. 15.17). Hasta ahora se han identificado dos de estos dominios: el dominio Src-homología 2 (SH2) y el dominio de unión con fosfotirosina (PTB). Al principio, los dominios SH2 se identificaron como parte de las proteínas tirosinas cinasas codificadas por genomas de virus causantes de tumores (oncógenos). Se integran con alrededor de 100 aminoácidos y poseen un saco de unión conservado en el que se adapta el residuo de tirosina fosforilado (fig. 15.18). En el genoma humano se codifican más de 110 dominios SH2. Éstos median una gran cantidad de interacciones proteína-proteína, que son dependientes de la fosforilación. Tales interacciones ocurren después de la fosforilación de residuos de tirosina específicos. La especificidad de las interacciones depende de la secuencia de aminoácidos adyacente inmediata a los residuos de tirosina fosforilados. Por ejemplo, el dominio SH2 de proteínas tirosinas cinasas Src reconoce pTyr-Glu-Glu-Ile, mientras que los dominios SH2 de la cinasa PI 3 se unen a pTyr-Met-X-Met (donde X puede ser cualquier residuo). Es interesante señalar que el genoma de las levaduras con gemación codifica sólo una proteína con dominio SH2, lo que se relaciona con la falta general de actividad de señalización de proteínas tirosinas cinasas en estas eucariotas unicelulares inferiores.

Los dominios PTB se descubrieron hace menos tiempo. Pueden unirse con residuos de tirosina fosforilada que casi siempre se encuentran como parte de un motivo asparagina-prolina-X-tirosina (Asn-Pro-X-Tyr). Sin embargo, el asunto es más complicado porque algunos dominios PTB parecen unirse de manera específica con un motivo Asn-Pro-X-Tyr no fosforilado, mientras que otros se unen de manera específica con el motivo fosforilado. Los dominios PTB no están bien conservados y distintos dominios PTB poseen diferentes residuos que interactúan con sus ligandos.

Activación de las vías de señalización corriente abajo

Ya se explicó que las proteínas tirosinas cinasas receptoras (RTK) se fosforilan a sí mismas en uno o más residuos de tirosina. En el citoplasma existen diversas proteínas de señalización con dominios SH2 o PTB. Por lo tanto, la activación del receptor conduce a la formación de complejos de señalización, en los que las proteínas de señalización que contienen SH2 o PTB se unen con sitios de autofosforilación específicos presentes en el receptor (como en la fig. 15.17). Se pueden distinguir varios grupos de proteínas de señalización que interactúan con RTK activadas, incluidas proteínas adaptadoras, proteínas de acoplamiento, factores de transcripción y enzimas (fig. 15.19).

• Las proteínas adaptadoras funcionan como vínculos que permiten a dos o más proteínas de señalización unirse como parte de un complejo de señalización (fig. 15.19a). Las proteínas adaptadoras contienen un dominio SH2 y uno o más dominios adicionales de interacción proteína-proteína. Por ejemplo, la proteína adaptadora Grb2 muestra un dominio SH2 y dos SH3 (Src-homología 3) (fig. 15.20). Como se muestra en la página 62, los dominios SH3 se unen a motivos con secuencias ricas en prolina. Los dominios SH3 de Grb2 se unen de manera constitutiva con otras proteínas como Sos y Gab. El dominio SH2 se une con los residuos fosforilados de tirosina dentro de un motivo Tyr-X-Asn. Por consiguiente, la fosforilación de tirosina del motivo Tyr-X-Asn de una RTK produce la translocación de Grb2-Sos o Grb2-Gab del citosol a un receptor, el cual se encuentra en la membrana plasmática (fig. 15.19a).

• Las proteínas de acoplamiento (docking proteins), como las IRS, aportan ciertos receptores con sitios adicionales para fosforilación de tirosina (fig. 15.19b). Las proteínas de acoplamiento contienen un dominio PTB o un dominio SH2 y varios sitios para fosforilación de tirosina. La unión de un ligando extracelular con un receptor conduce a la autofosforilación del receptor, lo cual proporciona un sitio para la unión del dominio PTB o SH2 de la proteína de acoplamiento. Una vez unidos, el receptor fosforila los residuos de tirosina presentes en la proteína de acoplamiento. Estos sitios de fosforilación actúan luego como sitios de unión para moléculas adicionales de señalización. Las proteínas de acoplamiento suministran versatilidad al proceso de señalización porque la capacidad que tiene el receptor para activar las moléculas de señalización puede variar con tales proteínas que se expresen en una célula particular.

• En el capítulo 12 se explican con detalle los factores de transcripción; aquellos que pertenecen a la familia STAT tienen una participación importante en la función del sistema inmunitario. Las proteínas STAT poseen un dominio SH2 junto con un sitio de fosforilación de tirosina que actúa como sitio de unión para el dominio SH2 de otra molécula STAT (fig. 15.19c). La fosforilación de tirosina de los sitios de unión SH2 de STAT situados dentro de un receptor dimerizado conduce al reclutamiento de proteínas STAT (fig. 15.19c). Cuando se relacionan con el complejo receptor, los residuos de tirosina de estas proteínas STAT se fosforilan. Como resultado de la interacción entre el residuo de tirosina fosforilado en una proteína STAT y el dominio SH2 de una segunda proteína STAT, y viceversa, estos factores de transcripción forman dímeros. Los dímeros, mas no los monómeros, se desplazan al núcleo, donde estimulan la transcripción de genes específicos participantes en una respuesta inmunitaria. En la sección 17.4 se expone la participación de STAT en el envío de señales de una respuesta inmunitaria.

• Las enzimas de señalización incluyen proteínas cinasas, proteínas fosfatasas, cinasas de lípidos, fosfolipasas y proteínas activadoras de GTP-asa. Cuando estas enzimas están equipadas con dominios SH2, se relacionan con RTK activadas y se activan en forma directa o indirecta como efecto de esta relación (fig. 15.19d). Se han identificado tres mecanismos generales por los cuales se activan estas enzimas después de su vinculación con un receptor. Las enzimas pueden activarse tan sólo como resultado de la translocación a la membrana, lo que las aproxima mucho a sus sustratos. Las enzimas también pueden activarse mediante un mecanismo alostérico (pág. 115), en el que la unión con una fosfotirosina produce un cambio en la conformación en el dominio SH2, que a su vez ocasiona un cambio en la conformación del dominio catalítico, lo que deriva en un cambio de la actividad catalítica. Por último, las enzimas pueden regularse directamente por fosforilación. Como se describe más adelante, las proteínas de señalización que se relacionan con RTK activadas inician cascadas de fenómenos que inducen los cambios bioquímicos necesarios para responder a la presencia de moléculas mensajeras extracelulares.

Terminación de la respuesta

La transducción de las señales por parte de las RTK casi siempre se termina con la interiorización del receptor. Aún se investiga el mecanismo exacto que causa dicha interiorización. Existe un mecanismo que implica la participación de una proteína de unión a receptores llamada Cb1. Cuando las RTK se activan por la unión a ligandos, autofosforilan los residuos de tirosina, los cuales pueden actuar como sitio de unión para Cb1, que tiene un dominio SH2. Luego, la Cb1 se relaciona con el receptor y lleva una enzima capaz de unir una molécula de ubicuitina con éste. La ubicuitina es una proteína pequeña que se une de manera covalente con otras proteínas, con lo que las marca para la interiorización (pág. 312) o degradación (pág. 542). La unión del complejo Cb1 con los receptores activados va seguida por la unión del receptor a la ubicuitina, la interiorización del receptor. Así como ocurre con GPCR (fig. 15.7), las RTK internalizadas pueden seguir varias rutas; pueden ser degradados dentro de los lisosomas; devueltos a la membrana plasmática o tornarse parte de complejos señalizadores endosómicos y participar en la generación o recepción de señales intracelulares de manera continua.

Una vez que se han explicado algunos de los mecanismos generales mediante los cuales las RTK pueden activar las vías de señalización, es posible revisar con más detalle un par de vías importantes de las RTK que se activan corriente abajo. Primero se describe la vía cinasa de Ras-MAP, que tal vez sea la cascada de señalización mejor caracterizada que se inicia con las proteínas tirosinas cinasas activadas. Se describe una cascada distinta en relación con el receptor para insulina.

La vía de cinasa de Ras-MAP

Los retrovirus son virus pequeños que portan su información genética en forma de RNA. Algunos de estos virus contienen genes, llamados oncogenes, que les permiten transformar células normales en células tumorales. Al principio, Ras se describió como el producto de un oncogén retroviral y sólo hasta después se determinó que proviene del mamífero hospedador. Luego se descubrió que cerca de 30% de todos los cánceres humanos contienen versiones mutantes de los genes RAS. En este momento es importante señalar que las proteínas Ras son parte de una superfamilia de más de 150 pequeñas proteínas G (monoméricas), incluidas las Rabs (pág. 302), Sar1 (pág. 296) y Ran (pág. 492). Tales proteínas intervienen en la regulación de numerosos procesos, como división celular, diferenciación, expresión génica, organización del citoesqueleto, tráfico de vesículas y transporte nucleocitoplásmico. Los principios expuestos en relación con la Ras se aplican a muchos miembros de la superfamilia de proteínas G pequeñas.

Ras es una pequeña GTP-asa que se mantiene en la superficie interna de la membrana plasmática por un grupo lipídico unido por enlaces covalentes que se incrusta en la hoja interna de la bicapa (fig. 15.19a). La función de Ras es similar a las proteínas G heterotriméricas que se describieron antes y, como estas proteínas, Ras también actúa como un temporizador molecular. Sin embargo, a diferencia de las proteínas G heterotriméricas, Ras consiste en una sola subunidad pequeña. Las proteínas Ras se encuentran en dos formas distintas: una forma activa unida con GTP y una forma inactiva unida con GDP (fig. 15.21a). Ras-GTP se une y activa proteínas de señalización corriente abajo. Ras se desactiva por la hidrólisis de su GTP unido a GDP. Las mutaciones en el gen RAS humano que derivan en la formación de tumores previenen que la proteína hidrolice al GTP de nueva cuenta en GDP. Como resultado, la versión mutante de Ras permanece en la posición “encendida” y envía un mensaje continuo por la vía de señalización, lo que mantiene a la célula en su modo proliferativo.

El ciclo de las proteínas G monoméricas, como Ras, entre sus estados activo e inactivo, se favorece por proteínas accesorias que se unen con la proteína G y regulan su actividad (fig. 15.21b). Estas proteínas accesorias incluyen las siguientes:

1. Proteínas activadoras de GTP-asa (GAP). La mayor parte de los monómeros de proteínas G tienen cierta capacidad para hidrolizar un GTP unido, pero su capacidad se acelera de forma notoria con la interacción con GAP específicas. Como estimulan la hidrólisis del GTP unido, que desactiva la proteína G, las GAP reducen mucho la duración de una reacción mediada por proteína G. Las mutaciones en uno de los genes Ras-GAP (NF1) causan neurofibromatosis 1, una enfermedad en la que los pacientes desarrollan grandes cantidades de tumores benignos (neurofibromas) a lo largo de las vainas que recubren los troncos nerviosos.

2. Factores de intercambio de nucleótido de guanina (GEF). Una proteína G inactiva se convierte en su forma activa cuando el GDP unido se sustituye por GTP. Los GEF son proteínas que se unen con su proteína G monomérica inactiva y estimulan la disociación del GDP unido. Una vez que se libera el GDP, la proteína G se une pronto con un GTP, que se encuentra en concentraciones relativamente elevadas en la célula, lo que activa a la proteína G.

3. Inhibidores de disociación del nucleótido de guanina (GDI). Las GDI son proteínas que inhiben la liberación de un GDP unido de una proteína G monomérica, lo que mantiene a la proteína en su estado inactivo unido con GDP.

La actividad y localización de estas proteínas accesorias está regulada de manera estricta por otras proteínas, lo que regula el estado de la proteína G.

El Ras-GTP puede interactuar en forma directa con varios blancos corriente abajo. Aquí se analiza Ras como un componente de la cascada de la cinasa de MAP-Ras, que se activa en respuesta a una amplia variedad de señales extracelulares y tiene una función central en la regulación de actividades vitales como la proliferación y la diferenciación celulares. La vía transmite señales extracelulares de la membrana plasmática a través del citoplasma y hacia el núcleo. La figura 15.22 muestra una representación general de la vía. Esta vía se activa cuando un factor de crecimiento, como EGF o PDGF, se une con el dominio extracelular de su RTK. Muchas RTK activadas tienen residuos de tirosina fosforilados que actúan como sitios de acoplamiento para la proteína adaptadora Grb2. A su vez, Grb2 se une con Sos, que es un factor de intercambio de nucleótido de guanina (un GEF) para Ras. La creación de un sitio de unión para Grb2 en un receptor activado promueve el traslado de Grb2-Sos del citoplasma a la superficie citoplásmica de la membrana plasmática, muy cerca de Ras (como en la figura 15.19a).

Sólo el traslado de Sos a la membrana plasmática es suficiente para activar a Ras. Esto lo ilustró un experimento con una versión mutante de Sos que se mantiene siempre unida con la superficie interna de la membrana plasmática. La expresión de esta Sos mutante unida a la membrana causa la activación constitutiva de Ras y la transformación de la célula en un fenotipo maligno. La interacción con Sos abre el sitio de unión para el nucleótido de Ras. Como resultado, GDP se libera y se sustituye por GTP. El intercambio de GDP por GTP en el sitio de unión para nucleótido de Ras induce un cambio de conformación y la creación de una interfase de unión para una proteína de señalización importante llamada Raf. Luego, Raf se atrae a la superficie interna de la membrana plasmática, donde se activa por una combinación de reacciones de fosforilación y desfosforilación.

Raf es una proteína cinasa serina-treonina. Uno de sus sustratos es la proteína cinasa MEK (fig. 15.22). MEK, que se activa como consecuencia de la fosforilación por Raf, fosforila y activa dos cinasas de MAP llamadas ERK-1 y ERK-2. Se han identificado más de 160 proteínas que pueden ser fosforiladas por estas cinasas, incluidos factores de transcripción, proteínas cinasas, proteínas citoesqueléticas, reguladores de la apoptosis, receptores y otras proteínas señalizadoras. Una vez activada, la cinasa de MAP puede ingresar al núcleo, donde se fosforila y activa factores de transcripción específicos, como Elk-1. Al final, la vía conduce a la activación de genes participantes en la proliferación celular, incluida la ciclina D1, que tiene una participación clave en el paso de la célula de G₁ a la fase S (fig. 14.8).

Como se explica en el capítulo siguiente, los oncogenes se identifican por su capacidad para hacer que las células se vuelvan cancerosas. Los oncogenes provienen de genes celulares normales que mutaron o tienen una expresión excesiva. Muchas de las proteínas que participan en la vía de señalización de Ras se descubrieron porque se codifican en oncogenes causantes de cáncer. Esto incluye a los genes de Ras, Raf y varios de los factores de transcripción activados al final de la vía (p. ej., Fos y Jun). Los genes de varias RTK situadas al principio de la vía, incluidos los receptores para EGF y PDGF, también se identificaron entre los muchos oncogenes conocidos. El hecho de que muchas proteínas de esta vía estén codificadas por genes que pueden causar cáncer cuando mutan subraya la importancia de la vía en el control del crecimiento y proliferación celulares.

Adaptación de la cinasa de MAP para transmitir diferentes tipos de información

La misma vía básica para las RTK a través de Ras hacia la activación de los factores de transcripción, ilustrada en la figura 15.22, se encuentra en todos los eucariotas investigados, desde levaduras, moscas y nematodos hasta los mamíferos. La evolución adaptó la vía para satisfacer muchas necesidades distintas. Por ejemplo, en las levaduras es necesaria la cascada de la cinasa de MAP para que las células respondan a las feromonas de apareamiento; en las moscas de la fruta, la vía se utiliza durante la diferenciación de los fotorreceptores en el ojo compuesto, y en las plantas con flor, la vía transmite señales que inician una defensa contra patógenos. En cada caso, el centro de la vía contiene un trío de enzimas que actúan una después de la otra: una cinasa de cinasa de cinasa de MAP (MAPKKK), una cinasa de cinasa de MAP (MAPKK) y una cinasa de MAP (MAPK) (fig. 15.22). A cada uno de estos componentes lo representa una pequeña familia de proteínas. Hasta ahora se han reconocido 14 MAPKKK, 7 MAPKK y 13 MAPK diferentes en los mamíferos. Al usar distintos miembros de estas familias de proteínas, los mamíferos pueden ensamblar varias vías distintas de la cinasa de MAP que transmiten diversos tipos de señales extracelulares. Ya se describió cómo se transmiten los estímulos mitógenos por un tipo de vía de cinasa de MAP que conduce a la proliferación celular. En cambio, cuando las células se exponen a estímulos estresantes, como los rayos X o sustancias dañinas, se transmiten señales por diferentes vías de cinasa de MAP que hacen que la célula detenga su ciclo celular en lugar de continuarlo, como se indica en la figura 15.22. El paro del ciclo celular da tiempo a la célula para reparar el daño ocasionado por las condiciones adversas.

Estudios recientes se enfocaron en la especificidad de las señales de las cascadas de cinasa de MAP en un intento por comprender de qué manera las células pueden utilizar proteínas similares como componentes de vías que inducen respuestas celulares distintas. Los estudios de secuencias de aminoácidos y estructura proteínica indican que parte de la respuesta son las interacciones selectivas entre las enzimas y los sustratos. Por ejemplo, ciertos miembros de la familia de MAPKKK fosforilan a miembros específicos de la familia de MAPKK, que a su vez hacen lo mismo con miembros específicos de la familia MAPK. Sin embargo, muchos integrantes de estas familias pueden participar en más de una vía de señalización de la cinasa de MAP.

La especificidad en las vías de la cinasa de MAP también se logra con la localización espacial de las proteínas que las componen. La ubicación espacial se logra mediante proteínas estructurales (no enzimáticas) conocidas como proteínas de andamiaje, cuya función aparente es fijar a los integrantes apropiados de una vía de señalización en una orientación espacial específica que intensifica sus interacciones mutuas. Los AKAP señalados en la figura 15.16 son ejemplos de proteínas de “andamiaje” que participan en las vías activadas por cAMP. Otro grupo de proteínas de ese mismo tipo como las de levaduras, que se incluyen en la figura 15.23a,b intervienen en el encauzamiento de señales en varias vías de MAP cinasas. En algunos casos las proteínas de “andamiaje” intervienen activamente en los fenómenos de señalización. Por ejemplo, inducen un cambio en la conformación de proteínas señalizadoras unidas, lo cual permite su activación o inhibición. Unas cuantas proteínas de “andamiaje” tienen funciones enzimáticas, como lo ilustra la actividad de MAPKK del “andamio” Pbs2 de levadura que aparece en la figura 15.23b. Las proteínas de andamiaje, además de facilitar una serie particular de reacciones, pueden impedir que las proteínas que participan en una vía señalizadora, participen en otras. Como consecuencia, algunas vías comparten un conjunto escaso de proteínas señalizadoras, sin menoscabo de su especificidad, situación que ocurre con la proteína Ste11 KKK-MAP de levadura que aparece en la figura 15.23a,b que participa en el apareamiento y las respuestas osmorreguladoras que dependen de la proteína de andamiaje que interactuó con ella. La importancia de las proteínas de andamiaje se ilustra en detalle en un experimento en que se hizo combinación genética para formar una proteína quimérica (Ste5-Pbs2) de partes de dos proteínas de andamiaje diferentes de la cascada MAPK de levadura (Ste5 y Pbs2) (fig. 15.23c). En circunstancias normales los dos “andamiajes” median dos vías señalizadoras MAPK diferentes (fig. 15.23a,b). Cuando se expuso a las células de levadura que contenían la proteína quimérica a un factor de apareamiento que normalmente estimula dicha respuesta, las células presentaron una reacción osmorreguladora.

Señalización del receptor para insulina

El cuerpo humano hace un esfuerzo considerable para mantener las concentraciones de glucosa sanguínea en límites estrechos. Un descenso en éstas puede provocar la pérdida de la conciencia y coma, ya que el sistema nervioso central depende de la glucosa para su metabolismo energético. Un aumento persistente de la concentración de glucosa en la sangre (glucemia) produce pérdida de glucosa, líquidos y electrólitos en la orina y graves problemas de salud. El páncreas controla los valores de glucosa en la circulación. Cuando la glucemia disminuye por debajo de determinado intervalo, las células pancreáticas secretan glucagón. Como ya se dijo, el glucagón actúa a través de GPCR y estimula la degradación de glucógeno, de lo que resulta un aumento de la glucemia. Cuando ésta se eleva, como ocurre después de una comida rica en carbohidratos, las células pancreáticas β reaccionan con la secreción de insulina. Esta última funciona como un mensajero extracelular e informa a las células que las concentraciones de glucosa están incrementadas. Las células que expresan receptores para insulina en su superficie, como las hepáticas, responden a este mensaje con el aumento de la captación de glucosa, lo que eleva la síntesis de glucógeno y triglicéridos y reduce la gluconeogénesis.

El receptor para insulina es una proteína tirosina cinasa

Cada receptor para insulina está formado por una cadena α y una β, que provienen de un solo precursor proteínico mediante procesamiento proteolítico. La cadena α es extracelular y contiene el sitio para unión con la insulina. La cadena β está formada por una región extracelular, una sola región transmembrana y una región citoplásmica (fig. 15.24). Las cadenas α y β están unidas por enlaces disulfuro (fig. 15.24). Dos de estos heterodímeros β se mantienen juntos por enlaces disulfuro entre las cadenas α. Por lo tanto, mientras se cree que la mayor parte de las RTK está en la superficie celular como monómeros, los receptores para insulina se hallan como dímeros estables. Al igual que otras RTK, los receptores para insulina están inactivos en ausencia de ligando (fig. 15.24a). Los trabajos recientes sugieren que el dímero receptor para insulina se une con una sola molécula de la misma hormona. Esto produce una recolocación de los dominios de unión con ligandos en el exterior de la célula, lo que a su vez hace que los dominios tirosina cinasa del interior de la célula se aproximen entre sí (fig. 15.24b). La yuxtaposición de los dominios cinasa da lugar a la transautofosforilación y activación del receptor (fig. 15.24c).

Se han identificado varios sitios de fosforilación de tirosina en la región citoplásmica del receptor para insulina. Tres de estos sitios se hallan en el asa de activación. En el estado no fosforilado, el asa de activación asume una conformación en la que ocupa el sitio activo. Cuando se fosforilan los tres residuos de tirosina, el asa de activación asume una nueva conformación lejos de la hendidura catalítica. Esta nueva conformación requiere una rotación de los lóbulos pequeños y grandes del dominio cinasa respecto de ellos mismos, lo que aproxima a los residuos esenciales para la catálisis. Además, el asa de activación deja abierta de ese modo la hendidura catalítica para que pueda unirse con sus sustratos. Después de la activación del dominio cinasa, el receptor se fosforila a sí mismo en los residuos de tirosina que se encuentran adyacentes a la membrana y en la cola del extremo carboxilo (fig. 15.24c).

Sustratos 1 y 2 del receptor para insulina

La mayor parte de las RTK posee sitios para autofosforilación que reclutan en forma directa a proteínas de señalización con dominios SH2 (como en la fig. 15.19a,c y d). El receptor para insulina es una excepción a esta regla general porque se relaciona con una pequeña familia de proteínas de acoplamiento (fig. 15.19b), llamada sustratos del receptor para insulina (IRS). A su vez, dichos sustratos suministran sitios para la unión de proteínas de señalización que contienen dominio SH2. La figura 15.25 muestra algunos de los fenómenos que ocurren durante la señalización de la insulina. Después de la unión con el ligando y la activación por cinasa, el receptor fosforila su propia tirosina 960, que luego forma un sitio de unión para los dominios de unión con fosfotirosina (PTB) de los sustratos del receptor para insulina. Como se indica en la figura 15.25a, los sustratos del receptor para insulina se caracterizan por la presencia de un dominio PH en el extremo N, un dominio PTB y una larga cola que contiene sitios para fosforilación de tirosina. El dominio PH puede interactuar con los fosfolípidos presentes en la hoja interna de la membrana plasmática, el dominio PTB se une con los sitios de fosforilación de tirosina en el receptor activado y los sitios de fosforilación para tirosina proporcionan sitios para acoplamiento de las proteínas de señalización que contienen dominios SH2. Se han identificado por lo menos cuatro miembros de la familia IRS. Con base en los resultados conseguidos en experimentos con ratones manipulados de forma genética, se cree que IRS-1 e IRS-2 son los más importantes para la señalización del receptor para insulina.

La autofosforilación del receptor para insulina activado a nivel de tirosina 960 provee un sitio para la unión de IRS-1 e IRS-2. Sólo después de una relación estable con IRS-1 o IRS-2, el receptor para insulina activado puede fosforilar los residuos de tirosina presentes en las proteínas de acoplamiento (fig. 15.25b). IRS-1 e IRS-2 tienen una gran cantidad de sitios potenciales para la fosforilación de tirosina. Los que se han reconocido con certeza forman sitios para la unión con los dominios SH2 de la 3-cinasa de PI, Grb2 y Shp2 (fig. 15.25a,b). Estas proteínas se relacionan con IRS-1 o IRS-2 unidos con el receptor y activan las vías de señalización corriente abajo.

La 3-cinasa de PI (PI3K) se forma con dos subunidades, una contiene dos dominios SH2 y la otra el dominio catalítico (fig. 15.25b). La 3-cinasa de PI, que se activa en forma directa como consecuencia de la unión de sus dos dominios SH2 con los sitios para fosforilación de tirosina, fosforila a los fosfoinosítidos en la posición tres del anillo inositol (fig. 15.25c). Los productos de esta enzima, que incluyen 3,4-difosfato de PI [PI(3,4)P₂] y 3,4,5-trifosfato de PI (PIP₃), permanecen en la hoja citosólica de la membrana plasmática, donde proporcionan sitios para la unión de proteínas de señalización con dominios PH, como las cinasas de serina-treonina PKB y PDK1. Como se indica en la figura 15.25c, la PKB (también llamada AKT) participa en la mediación de la respuesta a insulina y a otras señales extracelulares. El reclutamiento de PDK1 en la membrana plasmática, en estrecha proximidad con PKB, crea un entorno en el que la PDK1 puede fosforilar y activar la PKB (fig. 15.25c). Si bien la fosforilación por PDK1 es esencial, no es suficiente para la activación de PKB. La activación de PKB también depende de la fosforilación por parte de una segunda cinasa, mTOR, que tiene la función crucial de regular innumerables actividades celulares. La señalización de PI3K cesa al eliminar el fosfato de la posición-3 y el anillo de inositol, por acción de la fosfatasa PTEN de lípidos (fig. 15.25c).

Transporte de glucosa

La PKB interviene en forma directa en la regulación del transporte de glucosa y la síntesis de glucógeno. El transportador de glucosa GLUT4 realiza el transporte de glucosa dependiente de insulina (pág. 157). En ausencia de insulina, GLUT4 se encuentra en las vesículas con membrana en el citoplasma de células que responden a dicha hormona (fig. 15.26). Estas vesículas se fusionan con la membrana plasmática como respuesta a la insulina, un proceso que se conoce como translocación de GLUT4. El aumento de la cantidad de transportadores de glucosa en la membrana plasmática incrementa la captación de glucosa (fig. 15.26). La transposición de GLUT4 depende de la activación de 3-cinasa de PI y PKB. Esta conclusión se basa en experimentos que muestran que los inhibidores de PI3K bloquean la transposición de GLUT4. Además, la sobreexpresión de PI3K o PKB estimula la transposición de GLUT4. Es bien sabido que muchos receptores activan la PI3K, mientras que sólo el receptor de insulina estimula la transposición de GLUT4. Esto sugiere que existe una segunda vía corriente abajo del receptor de insulina que es esencial para que ocurra la transposición de GLUT4. Aún no se ha encontrado una explicación detallada del modo en que las dos vías trabajan en conjunto para estimular la transposición de GLUT4.

El exceso de glucosa que captan las células musculares y hepáticas se almacena en forma de glucógeno. La síntesis de glucógeno se lleva a cabo por acción de la glucógeno sintasa, una enzima que se desactiva con la fosforilación en los residuos de serina y treonina. La 3-cinasa de la glucógeno sintasa (GSK-3) se identificó como un regulador negativo de la enzima. A su vez, la GSK-3 se desactiva después de la fosforilación de PKB. Por lo tanto, debido a la activación de la vía de 3-cinasa de PI-PKB como reacción a la insulina conduce a un descenso de la actividad de la cinasa de GSK-3, lo que incrementa la actividad de la glucógeno sintasa ((fig. 15.25c). La activación de la fosfatasa 1 de proteína, una enzima cuya función conocida es desfosforilar a la enzima en cuestión, contribuye aún más a la activación de la misma (fig. 15.14).

Diabetes mellitus

Una de las enfermedades más frecuentes en seres humanos, la diabetes, se debe a defectos de la señalización de la insulina. Hay dos clases de diabetes: el tipo 1, que representa 5 a 10% de todos los casos, y el tipo 2, que corresponde al 90 a 95% restante. La diabetes tipo 1 se debe a la incapacidad para producir insulina y se describe en la sección “Perspectiva humana” del capítulo 17. La diabetes tipo 2 es una enfermedad más compleja cuya incidencia va en aumento en todo el mundo a un ritmo alarmante. Lo más probable es que el aumento en la frecuencia de la afección sea resultado de un cambio en el estilo de vida y los hábitos alimentarios. Se cree que una dieta alta en calorías combinada con un estilo de vida sedentario conduce a la secreción crónica de la insulina. Las concentraciones elevadas de insulina estimulan demasiado las células blanco del hígado y otras partes del cuerpo, lo cual conduce a una situación conocida como resistencia a la insulina, en la que estas células blanco dejan de responder a la presencia de la hormona. Esto a su vez hace que aumente en forma crónica la concentración de glucosa plasmática, lo cual estimula al páncreas para secretar todavía más insulina, y así se inicia un círculo vicioso que puede culminar en la muerte de las células β insulinógenas del páncreas. Muchos de los riesgos clínicos que son consecuencia de la diabetes (enfermedades cardiovasculares, cegueras, nefropatías y disminución de la circulación de las extremidades que culmina en amputaciones), según expertos, dependen del daño de los vasos sanguíneos del organismo, pero no hay certeza en cuanto al mecanismo molecular por el cual subsiste la resistencia a insulina y sus efectos metabólicos resultantes que culminan en dicho cuadro anormal. La relación entre las vías de señalización de insulina y la longevidad de la persona se expone en el apartado siguiente de “Perspectiva humana”.

Vías de señalización en las plantas

Las plantas y animales comparten ciertos mecanismos básicos de señalización, como el uso de mensajeros Ca²⁺ y fosfoinosítida, pero otras vías son únicas de cada reino. Por ejemplo, los nucleótidos cíclicos, que pueden ser más ubicuos en los mensajeros celulares animales, parecen tener una función menor o nula en la señalización de la célula vegetal. Las tirosinas cinasas receptoras tampoco existen en las células vegetales. Por otro lado, como se explica más adelante, las plantas contienen un tipo de proteína cinasa que no existe en las células animales.

Desde hace mucho se sabe que las células bacterianas tienen una proteína cinasa que fosforila residuos de histidina y media la respuesta celular a varias señales ambientales. Hasta 1993 se pensaba que estas enzimas se limitaban a las bacterias, pero luego se descubrió en levaduras y plantas con flor. En ambos tipos de eucariotas, las enzimas eran proteínas transmembranas con un dominio extracelular que actúa como receptor para los estímulos externos y un dominio histidincinasa citoplásmico que transmite la señal al citoplasma. Una de las proteínas vegetales mejor estudiadas se codifica en el gen Etr1. El producto de este gen codifica un receptor para el gas etileno (C₂H₄), una hormona vegetal que regula un conjunto diverso de procesos del desarrollo, incluida la germinación de semillas, floración y maduración de frutos. La unión del etileno con su receptor conduce a la transmisión de señales por una vía que es muy similar a la cascada de cinasa de MAP que se encuentra en levaduras y células animales. Como en otros eucariotas, los blancos corriente abajo de la vía de la cinasa de MAP en las plantas son factores de transcripción que activan la expresión de genes específicos que codifican las proteínas necesarias para la respuesta hormonal. Conforme los investigadores analicen la enorme cantidad de datos obtenidos de la identificación de la secuencia de Arabidopsis y otros genomas vegetales, serán más aparentes las similitudes y diferencias entre las vías de señalización de plantas y animales.

Los iones de calcio tienen una participación significativa en una gran variedad de actividades celulares, entre ellas la contracción muscular, división celular, secreción, fecundación, transmisión sináptica, metabolismo, transcripción, movimiento celular y apoptosis. En cada uno de estos casos se recibe un mensaje extracelular en la superficie de la célula el cual produce un aumento drástico de la concentración de iones calcio dentro del citosol. La concentración de iones calcio en un compartimiento celular particular está controlada por la actividad regulada de las bombas de Ca²⁺, intercambiadores de Ca²⁺ y/o conductos de iones Ca²⁺ situados dentro de las membranas que rodean el compartimiento (como en la fig. 15.28). La concentración de iones Ca²⁺ en el citosol de una célula en reposo se mantiene en niveles muy bajos, casi siempre alrededor de 10^–7 M. En cambio, la concentración de los iones en el espacio extracelular o dentro de la luz del retículo endoplásmico o una vacuola vegetal es 10 000 veces más alta que en el citosol. El nivel citosólico de calcio se mantiene muy bajo debido a que (1) los conductos (canales) iónicos para Ca²⁺ de las membranas plasmática y del retículo endoplásmico se mantienen cerrados, lo que hace que tales membranas sean muy impermeables a dicho ion, y (2) los sistemas de transporte del Ca²⁺ impulsados por ATP de las membranas plasmáticas y del retículo endoplásmico bombean calcio fuera del citosol.² El aumento anormal de la concentración citosólica de Ca²⁺, como ocurre a veces, por ejemplo, en las células cerebrales después de una apoplejía, puede ocasionar muerte celular masiva.

IP₃ y conductos de Ca²⁺ controlados por voltaje

En las páginas anteriores se describieron dos tipos principales de receptores de señales, los GPCR y los RTK. En la página 630 se mencionó que la interacción de una molécula mensajera extracelular con un GPCR puede conducir a la activación de la enzima fosfolipasa C-β, que divide a la fosfoinosítida PIP₂ para liberar la molécula IP₃, la cual abre los conductos del calcio en la membrana del retículo endoplásmico y aumenta la concentración citosólica de Ca²⁺. Los mensajeros extracelulares que transmiten señales mediante RTK pueden iniciar una reacción similar. La principal diferencia es que los RTK activan miembros de la subfamilia de la fosfolipasa C-γ, la cual tiene un dominio SH2 que les permite unirse con la RTK fosforilada activada. Hay muchas otras isoformas de PLC. Por ejemplo, PLCδ se activa por iones Ca²⁺ y PLCε se activa por Ras-GTP. Todas las isoformas PLC realizan la misma reacción, producen IP₃ y vinculan una multitud de receptores en la superficie celular a un aumento del Ca²⁺ citoplásmico. Existe otra vía importante que conduce al incremento de la [Ca²⁺] citosólica, que se incluyó en la descripción sobre la transmisión sináptica de la página 169. En este caso, un impulso nervioso induce la despolarización de la membrana plasmática, lo cual abre los conductos del calcio activados por voltaje en la membrana plasmática, y ello posibilita el ingreso de iones calcio.

Visualización de la concentración citoplásmica de Ca²⁺ en tiempo real

La comprensión de la función de los iones Ca²⁺ en las respuestas celulares ha avanzado mucho con el desarrollo de moléculas indicadoras que emiten luz en presencia de calcio libre. A mediados del decenio de 1980 se desarrollaron nuevos tipos de compuestos fluorescentes para unión con calcio, muy sensibles (p. ej., fura-2) en el laboratorio de Roger Tsien, en la University of California, San Diego. Estos compuestos se sintetizan de manera que entran a la célula por difusión a través de su membrana plasmática. Una vez dentro, el compuesto se modifica a una forma incapaz de salir de la célula. Con estas sondas puede medirse la concentración de iones de calcio libres en diferentes partes de la célula viva a lo largo del tiempo mediante la vigilancia de la luz emitida con un microscopio de fluorescencia y técnicas de imágenes por computadora. El uso de moléculas emisoras de luz sensibles al calcio permite obtener imágenes sorprendentes de los complejos cambios espaciales y temporales en la concentración de calcio citosólico libre que ocurren en una sola célula como respuesta a varios tipos de estímulos. Esta es una de las ventajas de estudiar las respuestas mediadas por calcio en comparación con las respuestas mediadas por otros tipos de mensajeros cuya localización en la célula no es fácil de visualizar.

Según sea el tipo de célula que responde, un estímulo particular puede inducir oscilaciones repetidas de la concentración de iones libres de calcio, como se observa en la figura 15.11, o puede causar una oleada de liberación de Ca²⁺ que se extiende desde un extremo de la célula al otro (fig. 15.29) o iniciar una liberación localizada y transitoria de Ca²⁺ en una parte de la célula. La figura 15.27 muestra una célula de Purkinje, un tipo de neurona del cerebelo de los mamíferos que mantiene contacto sináptico con miles de células mediante una red elaborada de dendritas postsinápticas. La micrografía de la figura 15.27 muestra la liberación de calcio libre en una región localizada del “árbol” dendrítico de la célula después de la activación sináptica. El brote de liberación de calcio se limita a esta región de la célula.

Los receptores para IP₃ antes descritos son uno de los dos tipos principales de conductos iónicos del Ca²⁺ presentes en la membrana del retículo endoplásmico; el otro tipo se llama receptores para rianodina (RyR) porque se unen con el alcaloide vegetal tóxico rianodina. Los receptores para rianodina se hallan sobre todo en células excitables y se estudian mejor en las células de músculo esquelético y cardiaco, donde median el aumento de las concentraciones de Ca²⁺ después de la llegada de un potencial de acción. Las mutaciones en la isoforma cardiaca de RyR se han vinculado con la muerte súbita durante el ejercicio. Según sea el tipo de célula en el que se encuentren, los RyR pueden abrirse por diversos agentes, incluido el mismo calcio. El ingreso de una cantidad limitada de calcio por los conductos abiertos en la membrana plasmática induce la abertura de receptores para la rianodina en el retículo endoplásmico, lo que induce la liberación de Ca²⁺ hacia el citosol (fig. 15.28). Este fenómeno se conoce como liberación de calcio inducida por calcio.

Las señales extracelulares que se transmiten por iones Ca²⁺ casi siempre actúan mediante la abertura de una pequeña cantidad de conductos iónicos para Ca²⁺ en la superficie celular en el sitio del estímulo. A medida que los iones Ca²⁺ se apresuran por estos conductos y entran al citosol, actúan sobre los conductos iónicos cercanos para Ca²⁺ en el retículo endoplásmico, con lo que tales conductos se abren y liberan más calcio hacia las regiones adyacentes del citosol. En algunas respuestas, la elevación de las concentraciones de Ca²⁺ se mantiene localizada en una pequeña región del citosol (como en la fig. 15.27). En otros casos, una ola propagada de liberación de calcio se disemina por todo el compartimiento citosólico. Una de las oleadas de Ca²⁺ más impresionante ocurre en el minuto siguiente a la fecundación y se produce por el contacto del espermatozoide con la membrana plasmática del huevo (fig. 15.29). El incremento súbito de la concentración citoplásmica de calcio después de la fecundación inicia varios fenómenos, incluida la activación de cinasas dependientes de ciclina (pág. 575) que impulsan al cigoto a su primera división mitótica. Las oleadas de calcio son transitorias porque los iones se bombean con rapidez fuera del citosol y de regreso al retículo endoplásmico o el espacio extracelular.

La investigación reciente en el campo de la señalización del calcio se ha enfocado en un fenómeno conocido como entrada de calcio operada por reserva (SOCE), en el que “reserva” se refiere a los iones calcio almacenados en el ER. Durante los periodos de respuestas celulares repetidas, es posible que se agote el acopio de iones calcio intracelulares. Durante la entrada de calcio operada por reserva, el agotamiento del calcio en el ER activa una respuesta que conduce a la abertura de los conductos de calcio en la membrana plasmática, como se muestra en la figura 15.30. Una vez que se abren estos conductos, los iones Ca²⁺ pueden entrar al citosol, desde donde se bombean de regreso al ER, lo que repone las reservas de calcio del ER. El mecanismo que genera la entrada de calcio operada por reserva fue un misterio sin resolver durante muchos años, hasta que hace poco se descubrió que estos fenómenos están orquestados por un sistema de señalización que opera entre el ER y la membrana plasmática. En dicho sistema, la depleción del ion de calcio en el ER causa “acumulación” dentro de la membrana del ER, de una proteína llamada STIM1 que capta el calcio, al interior de regiones en que están muy próximas (25 a 50 nm) las membranas de ER y plasmática. Después de su redisposición en la membrana de ER, los cúmulos de STIM1 actúan y reclutan subunidades de la proteína de la membrana plasmática llamada Orai1, al interior de regiones vecinas de dicha membrana (fig. 15.30). Orai1 es un conducto iónico tetramérico de calcio que, según se ha identificado, participa en un tipo particular de inmunodeficiencia humana hereditaria que es consecuencia de la ausencia de reservas de calcio en los linfocitos T. El contacto entre las superficies citosólicas de las proteínas STIM1 y Orai1 en las uniones entre ER-membrana plasmática permite que se abran los conductos de Orai1, la penetración de iones de calcio a los microdominios del citosol cerca de los cúmulos de STIM1 y la reposición de las reservas de ER de la célula.

Proteínas fijadoras de Ca²⁺

A diferencia del cAMP, cuya acción siempre está mediada por la estimulación de una proteína cinasa, el calcio puede afectar diferentes tipos de efectores celulares, incluidas las proteínas cinasas (cuadro 15.4). De acuerdo con el tipo celular, los iones de calcio pueden activar o inhibir varios sistemas enzimáticos y de transporte, cambiar la permeabilidad iónica de las membranas, inducir fusión de membranas o alterar la estructura y función del citoesqueleto. El calcio no precipita estas reacciones por sí mismo, sino que actúa junto con diversas proteínas de unión con calcio (los ejemplos se presentan en las páginas 303 y 370). La proteína de unión con calcio mejor conocida es la calmodulina, que participa en muchas vías de señalización.

La calmodulina se encuentra en todas las plantas, animales y microorganismos eucariotas y tiene la misma secuencia de aminoácidos de un extremo al otro del espectro eucariota. Cada molécula de calmodulina (fig. 15.31) posee cuatro sitios de unión para el calcio. La calmodulina no tiene afinidad suficiente por el Ca²⁺ para unirse al ion en una célula no estimulada. Sin embargo, si la concentración de Ca²⁺ se eleva como reacción a un estímulo, los iones se unen con la calmodulina y eso cambia la conformación de la proteína y aumenta su afinidad para varios efectores. Según sea el tipo celular, el complejo calcio-calmodulina (Ca²⁺-CaM) puede unirse con una proteína cinasa, una fosfodiesterasa de nucleótido cíclico, conductos iónicos e incluso con el sistema de transporte de calcio de la membrana plasmática. En este último caso, las concentraciones crecientes de calcio activan el sistema encargado de liberar a la célula de cantidades excesivas del ion, lo que constituye un mecanismo de autorregulación para mantener las concentraciones intracelulares bajas de calcio. El complejo Ca²⁺-CaM también puede estimular la transcripción génica mediante la activación de varias proteínas cinasas (CaMK) que fosforilan factores de transcripción. En el caso mejor estudiado, una de estas proteínas cinasas fosforila a CREB en el mismo residuo de serina que PKA (fig. 15.14).

Regulación de las concentraciones de calcio en las células vegetales

Los iones calcio (que actúan en conjunto con la calmodulina) son mensajeros intracelulares importantes en las células vegetales. El nivel de calcio citosólico cambia en forma drástica en ciertas células vegetales como respuesta a diversos estímulos, incluidos cambios de la luz, presión, gravedad y la concentración de hormonas vegetales, como el ácido abscísico. La concentración de Ca²⁺ en el citosol de una célula vegetal en reposo, se mantiene muy baja mediante la acción de proteínas de transporte situadas en la membrana plasmática y la membrana de las vacuolas (tonoplasto).

La participación del Ca²⁺ en la señalización de las células vegetales se ilustra en las células de guardia que regulan el diámetro de los poros microscópicos (estomas) de una hoja (fig. 15.32a). Los estomas son un sitio importante de pérdida de agua en las plantas y el diámetro de su abertura está controlado de manera estricta, lo cual previene la desecación. El diámetro del estoma disminuye cuando decae la presión del líquido (turgencia) en la célula de guardia. A su vez, el descenso de la presión de turgencia se debe a la disminución de la concentración iónica (osmolaridad) de la célula de guardia. Las condiciones adversas, como las temperaturas elevadas y la humedad baja, estimulan la liberación de la hormona vegetal de estrés ácido abscísico. Estudios sugieren que este ácido se une con una GPCR en la membrana plasmática de las células de guardia, lo que desencadena la abertura de los conductos iónicos para Ca²⁺ en la misma membrana (fig. 15.32b). La entrada resultante de Ca²⁺ al citosol activa la liberación de más Ca²⁺ de las reservas intracelulares. La concentración alta de Ca²⁺ citosólico induce el cierre de los conductos de entrada del K⁺ en la membrana plasmática y la abertura de los conductos de salida aniónicos y del K⁺. Estos cambios producen una salida neta de iones K⁺ y de aniones Cl^– y NO₃^– con descenso de la presión de turgencia.

Las vías de señalización antes descritas, e ilustradas de manera esquemática en las diversas figuras, muestran vías lineales que conducen de manera directa a un receptor en la superficie celular a un blanco final. En realidad, las vías de señalización de la célula son mucho más complejas. Por ejemplo:

• Las señales de diversos receptores no relacionados, cada uno unido con su propio ligando, pueden converger para activar un efector común, como Ras o Raf.

• Las señales del mismo ligando, como EGF o insulina, pueden divergir para activar varios efectores distintos, lo que conduce a diversas respuestas celulares.

• Las señales pueden ir y venir entre diferentes vías, un fenómeno conocido como comunicación cruzada.

Estas características de las vías de señalización celular se ilustran en el esquema de la figura 15.33.

Las vías de señalización proporcionan un mecanismo para dirigir la información a través de una célula, algo similar a la manera en que el sistema nervioso central dirige la información hacia los diferentes órganos del cuerpo y de regreso. Del mismo modo el sistema nervioso central reúne información sobre el ambiente a partir de varios órganos sensitivos, la célula recibe información sobre su ambiente a través de la activación de varios receptores de superficie, los cuales actúan como sensores para detectar los estímulos extracelulares. Al igual que los órganos de los sentidos son sensibles a ciertas formas de estímulos (p. ej., luz, presión u ondas sonoras), los receptores de la superficie celular pueden unirse sólo a ligandos específicos y no se afectan por la presencia de una gran variedad de moléculas sin relación. Una sola célula puede tener docenas de receptores distintos que emiten señales hacia el interior de la célula al mismo tiempo. Una vez que se interiorizan en la célula, las señales de estos receptores pueden derivarse en forma selectiva por muchas vías de señalización diferentes que pueden hacer que la célula se divida, cambie de forma, active una vía metabólica particular e incluso cometa suicidio (se describe en la siguiente sección). De esta manera, la célula incorpora la información que le llega de distintas fuentes y establece una respuesta integral apropiada.

Ejemplos de convergencia, divergencia y comunicación cruzada entre vías de señalización

1. Convergencia. En este capítulo se describen dos tipos de receptores de la superficie celular: receptores unidos a proteína G y tirosinas cinasas receptoras. En el capítulo se describen las integrinas, otro tipo de receptor de la superficie celular con capacidad para transducción de señales. Aunque estos tres tipos de receptores pueden unirse a ligandos muy distintos, todos ellos pueden conducir a la formación de sitios de acoplamiento con fosfotirosina para el dominio SH2 de la proteína adaptadora Grb2 muy próximos a la membrana plasmática (fig. 15.34). El reclutamiento de complejos Grb2-Sos conduce a la activación de Ras y a la transmisión de señales por la vía de la cinasa de MAP. Como resultado de esta convergencia, las señales de los diversos receptores pueden conducir a la transcripción y traducción de un conjunto similar de genes promotores del crecimiento en cada célula blanco.

2. Divergencia. La evidencia de divergencia de la señal existe en todos los ejemplos de transducción de señal que se describen en este capítulo. Las figuras 15.15 y 15.25b,c ilustran cómo un solo estímulo (un ligando que se une con un GPCR o un receptor para insulina), emite señales por una gran variedad de vías distintas.

3. Comunicación cruzada. En las secciones previas se examinaron varias vías de señalización como si cada una fuera una cadena de fenómenos independiente y lineal. De hecho, los circuitos de información que operan en la célula se parecen más a una red interconectada en la que los componentes producidos en una vía pueden participar en fenómenos que ocurren en otras vías. Mientras más se aprende sobre la señalización en las células, se descubren más comunicaciones cruzadas entre las vías de señalización. En lugar de intentar catalogar éstas por las maneras en que la información puede ir y venir dentro de una célula, se presenta un ejemplo en el que interviene el cAMP e ilustra la importancia de este tipo de comunicación cruzada.

   Ya se presentó al cAMP como el iniciador de una cascada de reacciones que conduce a la movilización de glucosa; sin embargo, también puede inhibir el crecimiento de diversas células, como los fibroblastos y las células adiposas, mediante el bloqueo de las señales transmitidas por la cascada de la cinasa de MAP. Se cree que el cAMP realiza esta tarea mediante la activación de PKA, la cinasa dependiente de cAMP que puede fosforilar e inhibir a Raf, la proteína que encabeza la cascada de la cinasa de MAP (fig. 15.35). Estas dos vías también se intersectan con otro efector importante de la señalización, el factor de transcripción CREB. CREB se describió en la página 632 como un efector terminal de las vías mediadas por cAMP. Durante años se asumió que a CREB sólo podía fosforilarlo la cinasa dependiente de cAMP, la PKA. En los últimos años se tornó evidente que CREB es sustrato de una variedad mucho más amplia de cinasas. Por ejemplo, una de las cinasas que fosforila a CREB es Rsk-2, que es sustrato de MAPK de la vía de la cinasa de MAP (fig. 15.35). En realidad, tanto PKA como Rsk-2 fosforilan a CREB en el mismo residuo de aminoácido, Ser133, lo que puede dotar al factor de transcripción del mismo potencial en ambas vías.

En estos ejemplos de convergencia, divergencia y comunicación cruzada surge una pregunta importante aún sin responder: ¿de qué manera los distintos estímulos pueden inducir reacciones diferentes, incluso si utilizan vías similares? Por ejemplo, PI3K es una enzima que se activa por estímulos diversos, entre ellos la adhesión celular a la matriz extracelular, insulina y EGF. ¿Cómo la activación de PI3K en una célula hepática estimulada por la insulina promueve la síntesis de proteína, mientras que la activación de PI3K en una célula epitelial adherente promueve la supervivencia celular? Al final, estas respuestas celulares contrastantes deben ser resultado de diferencias en la composición proteínica de los diferentes tipos celulares. Es probable que parte de la respuesta radique en el hecho de que distintas células tienen diferentes versiones (isoformas) de estas proteínas, incluida PI3K. Algunas de estas isoformas se codifican en genes distintos, pero relacionados, mientras que otras se generan por empalme alternativo (pág. 534) u otros mecanismos. Por ejemplo, las distintas isoformas de PI3K, PKB o PLC pueden unirse con distintos conjuntos de componentes en ambos sentidos de la vía, lo cual permitiría que vías similares indujeran reacciones diferentes. La variación en las respuestas inducidas por células diferentes que poseen proteínas señalizadoras similares también puede explicarse parcialmente por la presencia de diferentes “andamiajes” proteínicos en cada una de los tipos celulares. Como se demuestra en la figura 15.23 la especificidad de una respuesta puede ser “concertada” por los andamios, con los cuales interactúan las proteínas señalizadoras. No obstante, no es probable que la variación de la isoforma explique la extraordinaria diversidad de respuestas celulares mucho mejor que las diferencias en las estructuras de las neuronas pueden explicar el espectro de respuestas suscitadas por el sistema nervioso. Es deseable que, cuando se describan las vías de señalización de más y más células, se comprenda mejor la especificidad que puede alcanzarse con el uso de moléculas de señalización similares.

Durante el decenio de 1980 se descubrió un tipo nuevo de segundo mensajero que no era un compuesto orgánico, como el cAMP, ni un ion, como el Ca²⁺; se trataba de un gas inorgánico, el óxido nítrico (NO). Este compuesto es inusual porque actúa como un mensajero extracelular, mediando la comunicación intercelular, y como un segundo mensajero, dentro de la célula en la cual se genera. El NO se forma a partir del aminoácido l-arginina en una reacción que requiere oxígeno y NADPH y que es catalizada por la enzima óxido nítrico sintasa (NOS). Desde su descubrimiento se ha hecho evidente que el NO interviene en una miríada de procesos biológicos incluidos anticoagulación, neurotransmisión, relajación del músculo liso y percepción visual.

Como sucede con muchos fenómenos biológicos, el descubrimiento de que el NO funciona como segundo mensajero se originó en una observación accidental. Durante muchos años se consideró que la acetilcolina actúa en el cuerpo para relajar las células de músculo liso de los vasos sanguíneos, pero la respuesta no pudo duplicarse in vitro. Cuando se incubaban in vitro porciones de grandes vasos sanguíneos, como la aorta, con concentraciones fisiológicas de acetilcolina, la preparación mostraba poca o nula reacción. A final del decenio de 1970, Robert Furchgott, un farmacólogo del New York State Medical Center, estudiaba la respuesta in vitro de fragmentos de aorta de conejo a varios agentes. En este estudio inicial, Furchgott utilizó tiras de aorta que se habían disecado del órgano. Por razones técnicas, Furchgott cambió de tiras de tejido aórtico a anillos aórticos y descubrió que las nuevas preparaciones reaccionaban a la acetilcolina con relajación. La investigación adicional reveló que las tiras no mostraban la respuesta de relajación porque la capa endotelial delicada que recubre la aorta se había desprendido durante la disección. Este hallazgo sorprendente sugirió que las células endoteliales participaban de alguna manera en la reacción de las células musculares adyacentes. En los estudios siguientes se encontró que la acetilcolina se une con los receptores en la superficie de las células endoteliales, lo que conduce a la producción y liberación de un agente que se difunde por la membrana plasmática de la célula y hace que las células musculares se relajen. En 1986, Louis Ignarro de la UCLA, y Salvador Moncada de los Wellcome Research Labs en Inglaterra identificaron que el agente con capacidad de difusión era el óxido nítrico. Los pasos en la respuesta de relajación inducida por acetilcolina se ilustran en la figura 15.36.

La unión de acetilcolina a la superficie externa de una célula endotelial (paso 1, fig. 15.36) representa una señal para el aumento de la concentración citosólica de Ca²⁺ (paso 2) que activa a la óxido nítrico sintasa (paso 3). El NO formado en la célula endotelial se difunde por la membrana plasmática y hacia las células adyacentes de músculo liso (paso 4), donde se une y estimula a la guanilil ciclasa (paso 5), la enzima que sintetiza el GMP cíclico (cGMP), que es un segundo mensajero importante de estructura similar al cAMP. El cGMP causa descenso de la concentración citosólica de Ca²⁺, lo que induce la relajación de la célula muscular (paso 6) y dilatación del vaso sanguíneo.

NO como activador de la guanilil ciclasa

El descubrimiento de que el NO actúa como activador de la guanilil ciclasa lo hicieron Ferid Murad y col. a finales del decenio de 1970 en la University of Virginia. Murad trabajaba con “acida” (N₃), un inhibidor potente del transporte de electrones, y por casualidad descubrió que la molécula estimulaba la producción de cGMP en extractos celulares. Al final, demostraron que la “acida” se convertía por medios enzimáticos en óxido nítrico, el cual era el activador real de la guanilil ciclasa. Estos estudios también explicaron la acción de la nitroglicerina, que se había usado desde el decenio de 1860 para tratar el dolor anginoso que se produce por el flujo sanguíneo insuficiente al corazón. La nitroglicerina se metaboliza hasta óxido nítrico, el cual estimula la relajación del músculo liso que recubre los vasos sanguíneos del corazón, lo que incrementa el flujo sanguíneo en el órgano. Los beneficios terapéuticos de la nitroglicerina se descubrieron mediante una observación interesante. Las personas con cardiopatía que trabajaban con nitroglicerina en la fábrica de dinamita de Alfred Nobel sufrían más la angina los días que no iban a trabajar. Fue apropiado que el Premio Nobel, que se fundó con una donación de Alfred Nobel, se otorgara en 1998 por el descubrimiento del NO como agente de señalización.

Inhibición de fosfodiesterasa

El descubrimiento del NO como segundo mensajero también condujo al desarrollo del sildenafilo. Durante la excitación sexual, las terminaciones nerviosas del pene liberan NO, que produce la relajación de las células musculares lisas en el recubrimiento de los vasos sanguíneos penianos e ingurgitación del órgano con sangre. Como se describió antes, el NO media esta respuesta en las células del músculo liso con la activación de la enzima guanilil ciclasa y la síntesis posterior de cGMP. El sildenafilo (y fármacos afines) no tiene efecto en la liberación de NO ni en la activación de la guanilil ciclasa, sino que actúa como inhibidor de la fosfodiesterasa de cGMP, la enzima que destruye al cGMP. La inhibición de esta enzima lleva al mantenimiento de las concentraciones elevadas de cGMP, lo que promueve el desarrollo y mantenimiento de la erección. El sildenafilo es muy específico para una isoforma particular de la fosfodiesterasa de cGMP, PDE5, que es la versión que actúa en el pene. Otra isoforma de la enzima, PDE3, tiene una función clave en la regulación de la contracción del músculo cardiaco, pero por fortuna no se inhibe con el fármaco. El sildenafilo se descubrió cuando un posible medicamento antianginoso tuvo efectos secundarios inesperados.

La investigación reciente reveló que el NO posee varias acciones en el cuerpo que no implican la producción de cGMP. Por ejemplo, el NO se agrega al grupo —SH de ciertos residuos de cisteína en diversas proteínas, incluidos la hemoglobina, Ras, conductos de rianodina y caspasas. Esta modificación posterior a la traducción, llamada S-nitrosilación, altera la actividad o propiedades de la proteína.

La apoptosis o muerte celular programada es un proceso normal peculiar de células de animales. Tal fenómeno se manifiesta por medio de una sucesión concertada de hechos que culminan en la muerte de la célula. La muerte por apoptosis es un proceso limpio y ordenado (fig. 15.37) que se caracteriza por contracción global del volumen de la célula y su núcleo; pérdida de la adherencia a células vecinas, formación de “ampollas” en la superficie celular, disección de la cromatina en fragmentos pequeños y la desaparición rápida de la “célula muerta”, por fagocitosis. A menudo se establecen diferencias entre la apoptosis y un tipo distinto de muerte llamado necrosis que suele surgir después de algún tipo de traumatismo físico o daño bioquímico. A semejanza de la apoptosis, por lo regular se considera que la necrosis es un cuadro regulado y programado, aunque su naturaleza es mucho más desorganizada. La necrosis se caracteriza por la turgencia de la célula y sus organelos membranosos internos, la degradación de la membrana, la salida del contenido celular al entorno y la inducción resultante de inflamación. La apoptosis es un proceso seguro y ordenado y por ello podría compararse con la implosión controlada de un edificio en que se colocaron con gran cuidado explosivos, en comparación con la simple voladura de la estructura sin cuidar lo que ocurriría con los escombros proyectados al aire.

Cabría plantearse la interrogante de si el cuerpo tiene células indeseadas y en qué situaciones son detectadas células “destinadas” a ser eliminadas. La respuesta breve sería: ambos fenómenos ocurren desde cualquier punto que el investigador analice. Durante el desarrollo embrionario, la forma primitiva de la mano humana se asemeja a un “remo” sin espacio interior entre los tejidos que se transformarán en dedos. Estos últimos esencialmente son “modelados” de la estructura original, por eliminación de células en exceso, por medio de apoptosis. En la figura 15.38 se muestran tres fases de este proceso tal como se observa en ratones. Los linfocitos T son células del sistema inmunitario que reconocen y destruyen células “programadas” anormales o infectadas por algún patógeno. Estas células “predestinadas” son reconocidas por receptores específicos presentes en la superficie de los linfocitos mencionados. Durante el desarrollo embrionario se generan linfocitos T que tienen receptores capaces de unirse ávidamente a las proteínas presentes en las superficies de células normales en el interior del cuerpo. Los linfocitos T que tienen esta capacidad peligrosa son eliminados por apoptosis (fig. 17.25). Este fenómeno no cesa al terminar el desarrollo embrionario; se ha calculado que diariamente por apoptosis desaparecen 10¹⁰-10¹¹ células en el cuerpo del adulto. Por ejemplo, la apoptosis interviene en la eliminación de células que han presentado daño genómico irreparable; tal situación es importante porque el daño a la plantilla o modelo genético puede culminar en la división celular irrefrenable y la aparición de cáncer. Gracias a la apoptosis mueren células que ya no son necesarias, como los linfocitos T activados que han reaccionado a un agente infeccioso que eliminaron. Por último, al parecer la apoptosis interviene en enfermedades neurodegenerativas como las de Alzheimer, Parkinson y Huntington. La eliminación de neuronas esenciales durante la evolución de la enfermedad hace que el sujeto muestre amnesia o deterioro de la coordinación motora. Los ejemplos anteriores indican que la apoptosis es importante para “modelar” tejidos y órganos durante el desarrollo embrionario y conservar la homeostasia de animales adultos. Surgen a veces enfermedades graves si no se lleva al cabo la apoptosis cuando es apropiada la eliminación de células (como el caso de las cancerosas) y por la inducción hiperactiva de apoptosis cuando no conviene la eliminación celular (como el caso de la diabetes de tipo 1).

John Kerr, Andrew Wyllie y A.R. Currie, de la Aberdeen University en Escocia, acuñaron el término “apoptosis” en 1972, en un documento trascendental que describía por primera vez los fenómenos coordinados que ocurrían durante la muerte programada de una gran variedad de células. La información sobre la base molecular de la apoptosis se reveló por primera vez en los estudios con el gusano nematodo C. elegans, cuyas células pueden seguirse con absoluta precisión durante el desarrollo embrionario. De las 1 090 células producidas durante el desarrollo de este gusano, 131 se destinaban a morir por apoptosis. En 1986, Robert Horvitz y col., del Massachusetts Institute of Technology, descubrieron que los gusanos que tenían una mutación en el gen CED-3 continuaban con el desarrollo sin perder ninguna de sus células por apoptosis. Este hallazgo sugirió que el producto del gen CED-3 tenía una participación crucial en el proceso de la apoptosis en este organismo. Una vez que se identificó el gen en un organismo, como un nematodo, los investigadores pueden buscar genes homólogos en otros organismos, como los seres humanos u otros mamíferos. La identificación del gen CED-3 en los nematodos condujo al descubrimiento de una familia homóloga de proteínas en los mamíferos, que ahora se llaman caspasas. Las caspasas son un grupo distintivo de proteasas de cisteína (proteasas con un residuo clave de cisteína en su sitio catalítico) que se activan en una etapa temprana de la apoptosis y desencadenan la mayor parte o todos los cambios observados durante la muerte celular. Las caspasas realizan esta tarea mediante la división de un grupo selecto de proteínas esenciales. Entre los blancos de las caspasas figuran los siguientes:

• Más de una docena de proteínas cinasas, incluida la cinasa de adhesión focal (FAK), PKB, PKC y Raf1. Por ejemplo, se presupone que la inactivación de FAK interrumpe la adhesión celular, con lo que se desprende la célula apoptótica de sus vecinas. La inactivación de otras cinasas como PKB, anula vías de señalización que actúan en pro de la supervivencia. Las caspasas también impiden la generación de señales de supervivencia al inactivar la vía de NF-κB (pág. 660).

• Láminas, que constituyen el recubrimiento interno de la envoltura nuclear. La separación de las láminas conduce al desensamble de la lámina nuclear y encogimiento del núcleo.

• Proteínas del citoesqueleto, como las de los filamentos intermedios, actina, tubulina y gelsolina. La división y desactivación consecuente de estas proteínas produce cambios en la forma celular.

• Una endonucleasa llamada DNA-asa activada por caspasa (CAD), que se activa después que la caspasa, divide una proteína inhibidora. Una vez activada, la CAD se traslada del citoplasma al núcleo, donde ataca al DNA y lo parte en fragmentos.

Estudios recientes se han enfocado en los fenómenos que conducen a la activación de un programa de suicidio celular. La apoptosis puede iniciarse por estímulos internos, como anormalidades en el DNA, y externos, como determinadas citocinas (proteínas secretadas por células del sistema inmunitario). Por ejemplo, las células epiteliales de la próstata sufren apoptosis cuando se les priva de la hormona sexual masculina testosterona. Esta es la razón por la que el cáncer prostático que se diseminó a otros tejidos a menudo se trata con fármacos que interfieren con la producción de testosterona. Los estudios indican que los estímulos externos activan la apoptosis mediante una vía de señalización llamada vía extrínseca, que se distingue de la utilizada por los estímulos internos, denominada vía intrínseca. Aquí se analizan las vías extrínseca e intrínseca por separado. Sin embargo, debe hacerse notar que existe comunicación cruzada entre estas vías y que señales apoptóticas extracelulares pueden causar la activación de la vía intrínseca.

Vía extrínseca de la apoptosis

Los pasos de la vía extrínseca se ilustran en la figura 15.39. En el caso mostrado en esta figura, el estímulo para la apoptosis lo porta una proteína mensajera extracelular llamada factor de necrosis tumoral (TNF), que recibe este nombre por su capacidad para destruir células tumorales. El TNF se produce en ciertas células del sistema inmunitario como respuesta a factores adversos, como la exposición a radiación ionizante, temperatura elevada, infección viral o sustancias tóxicas como las empleadas en la quimioterapia contra el cáncer. Al igual que otros tipos de primeros mensajeros descritos en este capítulo, el TNF induce su reacción mediante la unión con un receptor transmembrana, TNFR1. Éste es miembro de una familia de “receptores de muerte” relacionados que median la apoptosis. El dominio citoplásmico de cada subunidad del receptor para TNF contiene un segmento de unos 70 aminoácidos llamado “dominio de muerte” (cada segmento verde de la fig. 15.39) que media las interacciones entre proteínas. La unión de TNF al receptor trimérico produce un cambio en la conformación del dominio de muerte del receptor que conduce al reclutamiento de varias proteínas, como se indica en la figura 15.39.

Las últimas proteínas en unirse al complejo que se ensambla en la superficie interna de la membrana plasmática son dos moléculas de procaspasa 8 (fig. 15.39). Estas proteínas se llaman “procaspasas” porque cada una es precursora de una caspasa; contienen una porción adicional que debe eliminarse mediante procesamiento proteolítico para activar la enzima. La síntesis de las caspasas como proenzimas protege a la célula del daño proteolítico accidental. A diferencia de la mayor parte de las proenzimas, las procaspasas tienen un nivel bajo de actividad proteolítica. De acuerdo a un modelo, cuando dos o más procaspasas se mantienen muy próximas unas con otras, como se encuentran en la figura 15.39, son capaces de dividir sus cadenas polipeptídicas entre sí y convertir a la molécula en una caspasa activa. La enzima madura final (caspasa 8) posee cuatro cadenas polipeptídicas derivadas de dos precursores procaspasa como lo muestra la figura.

En principio, la activación de la caspasa 8 es similar a la activación de los efectores por acción de una hormona o factor de crecimiento. En todas estas vías de señalización, la unión de un ligando extracelular genera un cambio en la conformación de un receptor que lleva a la unión y activación de proteínas situadas corriente abajo en la vía. La caspasa 8 se describe como una caspasa iniciadora porque comienza la apoptosis mediante la división y activación corriente abajo, o como caspasas ejecutoras porque realizan la autodestrucción controlada de la célula, como se describió antes.

Vía intrínseca de la apoptosis

Factores como estímulos internos, que incluirían el daño genético irreparable, la falta de oxígeno (hipoxia), concentraciones muy altas de calcio citosólico, infección por virus, estrés en el retículo endoplásmico o graves fuerzas oxidativas (como la producción de gran número de radicales libres destructivos) inducen la apoptosis por medio de la vía intrínseca ilustrada en la figura 15.40. La activación de la vía intrínseca es regulada por miembros de la familia Bcl-2 de proteínas, que se caracterizan por la presencia de uno o más dominios pequeños de BH. Los miembros de la familia Bcl-2 se subdividen en tres grupos: (1) miembros proapoptóticos (que contienen varios dominios de BH) que inducen la apoptosis (Bax y Bak), (2) miembros antiapoptóticos (que contienen varios dominios BH) que protegen a la célula de la apoptosis como Bcl-x_L, Bcl-w y Bcl-2),³ y (3) proteínas que abarcan proteínas sólo BH3 (se les designa de ese modo, porque contienen únicamente un dominio de BH) que inducen la apoptosis por un mecanismo indirecto. Según los criterios actuales, las proteínas sólo BH3 (como Bid, Bad, Puma y Bim) ejercen su efecto proapoptótico por dos mecanismos distintos, que dependen de las proteínas particulares que intervienen. En algunos casos inducen la apoptosis al inhibir a los miembros Bcl-2 antiapoptóticos, en tanto que en otros casos inducen la apoptosis al activar Bax o Bak proapoptóticos. En uno y otros casos, las proteínas sólo BH3 son los posibles factores determinantes si una célula sigue una “vía” de supervivencia o de muerte. En la célula sana, las proteínas sólo BH3 faltan o muestran inhibición muy intensa, y las proteínas Bcl-2 antiapoptóticas pueden restringir a los miembros proapoptóticos. Aún está en debate el mecanismo por el que surge tal fenómeno. Sólo en caso de surgir algún tipo de “estrés”, es que se expresan las proteínas BH exclusivamente o son activadas, y así desplazan el equilibrio en dirección de la apoptosis. En tales circunstancias quedan anulados los efectos “controladores” de las proteínas Bcl-2 antiapoptóticas y Bax, proteína proapoptótica, queda libre para desplazarse del citosol a la membrana mitocondrial externa (OMM, outer mitochondrial membrane). No hay certeza completa en cuanto al mecanismo que interviene en tal situación, pero se piensa que las moléculas Bax (y también las moléculas Bak o las dos que son residentes permanentes de OMM) cambian su conformación de modo que se ensamblan en un canal recubierto de proteína de varias subunidades dentro de OMM. Este canal, una vez formado, intensifica de manera extraordinaria la permeabilidad de OMM e induce la liberación de algunas proteínas mitocondriales en particular, y en grado sumo el citocromo c que reside en el espacio intermembrana (fig. 5.17). Es posible que casi todas las moléculas del citocromo c que aparecen en todas las mitocondrias celulares sean liberadas a partir de una célula apoptótica en un lapso incluso de 5 min. Las células que no tienen Bax y Bak por igual están protegidas de la apoptosis, lo que indica la participación esencial de dichas proteínas proapoptóticas en el proceso mencionado.

La liberación de proteínas mitocondriales proapoptóticas, como el citocromo c, parece ser el “punto sin retorno”; es decir, un fenómeno que destina a la célula de manera irreversible a la apoptosis. Una vez en el citosol, el citocromo c forma parte de un complejo multiproteínico llamado apoptosoma, que también incluye varias moléculas de procaspasa 9. Se piensa que las moléculas de procaspasa 9 se activan con la simple unión del complejo multiproteínico y no requieren división proteolítica (fig. 15.40). Al igual que la caspasa 8, que se activa por la vía mediada por el receptor descrito antes, la caspasa 9 es una caspasa iniciadora que activa las caspasas ejecutoras corriente abajo, lo cual causa la apoptosis.⁴

Al final, las vías externa (mediada por receptor) e interna (mediada por mitocondrias) convergen mediante la activación de las mismas caspasas ejecutoras, que dividen los mismos blancos celulares.

Es posible preguntarse por qué el citocromo c, un componente de la cadena de transporte de electrones, y la mitocondria, un organelo que funciona como planta energética de la célula, participan en el inicio de la apoptosis. Por ahora no hay una respuesta obvia a esta pregunta. La función clave de las mitocondrias en la apoptosis suscita aún más perplejidad cuando se considera que estos organelos evolucionaron a partir de simbiontes internos procariotas y que los procariotas no sufren apoptosis.

Cuando las células realizan el programa de apoptosis, pierden el contacto con sus vecinas y empiezan a encogerse. Al final, la célula se desintegra en un cuerpo apoptósico condensado y rodeado por membrana. Este programa apoptósico completo puede realizarse en menos de 1 h. Los cuerpos apoptósicos se reconocen por la presencia de fosfatidilserina en su superficie. La fosfatidilserina es un fosfolípido que sólo suele encontrarse en la hoja interna de la membrana plasmática. Durante la apoptosis, una “revoltasa” de fosfolípido mueve a las moléculas de fosfatidilserina a la hoja externa de la membrana plasmática, donde los macrófagos especializados la reconocen como una señal de fagocitar. Por lo tanto, la muerte celular por apoptosis ocurre sin verter el contenido celular al ambiente extracelular (fig. 15.41). Esto es importante porque la liberación de detritos celulares causaría inflamación, la cual puede provocar daño hístico de consideración.

Señalización para la supervivencia celular

Tal y como existen señales que destinan la célula a la autodestrucción, también hay señales opuestas que mantienen la supervivencia celular. De hecho, la interacción del TNF con un receptor para TNF transmite a menudo dos señales distintas y contrarias hacia el interior celular: una estimula la apoptosis y la otra promueve la supervivencia celular. Como resultado, la mayoría de las células que tienen receptores para TNF no sufre apoptosis cuando se tratan con TNF. Esto fue un hallazgo decepcionante porque al principio se pensó que el TNF podía usarse como agente para destruir células tumorales.

La supervivencia celular la mayoría de las veces siempre está mediada por la activación de un factor de transcripción clave llamado NF-kB, y que media la expresión de genes que codifican las proteínas para la supervivencia celular. Parecería que el destino de una célula (ya sea la supervivencia o la muerte), depende del equilibrio entre las señales que fomentan y las que impiden la apoptosis.

La señalización celular es un fenómeno en el que se transmite información a través de la membrana plasmática hacia el interior celular y muchas veces al núcleo celular. La mayor parte de las veces la señalización celular incluye el reconocimiento del estímulo en la superficie externa de la membrana plasmática, la transferencia de la señal por la membrana plasmática y la transmisión de la señal al interior celular, lo que inicia una respuesta. Las reacciones pueden incluir un cambio en la expresión genética, una alteración de la actividad de las enzimas metabólicas, una reconfiguración del citoesqueleto, un cambio de la permeabilidad iónica, la activación de la síntesis de DNA o la muerte de la célula. Este proceso se conoce a menudo como transducción de señal. Dentro de la célula, la información pasa por las vías de señalización, que muchas veces incluye proteínas cinasas y proteínas fosfatasas que activan o inhiben sus sustratos mediante cambios en la conformación. Otro rasgo prominente de las vías de señalización es la participación de proteínas de unión a GTP que sirven como interruptores que encienden o apagan la vía (pág. 618).

Muchos estímulos extracelulares (primeros mensajeros) inician respuestas mediante la interacción con un receptor unido con proteína G (GPCR) en la superficie externa de la célula y el estímulo de la liberación de un segundo mensajero dentro de la célula. Muchas moléculas mensajeras extracelulares actúan mediante la unión con receptores que son proteínas integrales de la membrana con siete hélices α que cruzan la membrana (GPCR). La señal se transmite del receptor al efector mediante una proteína G heterotrimérica. Estas proteínas se conocen como heterotriméricas porque tienen tres subunidades (α, β y γ) y como proteínas G porque se unen con nucleótidos de guanina, ya sea GDP o GTP. Cada proteína G puede hallarse en dos estados: un estado activo con un GTP unido o un estado inactivo con un GDP unido. Se han identificado cientos de receptores unidos con proteínas G diferentes que responden a una gran variedad de estímulos. Todos estos receptores actúan mediante un mecanismo similar. La unión del ligando con su receptor específico causa un cambio en la conformación del receptor que aumenta su afinidad por la proteína G. Como resultado, el receptor unido con un ligando se une a la proteína G, causando que ésta libere su GDP unido y se una con un nuevo GTP, lo que cambia a la proteína G a su estado activo. El intercambio de nucleótidos de guanina cambia la conformación de la subunidad G_α, lo cual induce la disociación de las otras dos subunidades, que se mantienen juntas como un complejo G_βγ. Cada subunidad G_α disociada con su GTP unido puede activar moléculas efectoras específicas, como la adenilil ciclasa. La subunidad G_α disociada también es una GTP-asa y, con la ayuda de una proteína accesoria, hidroliza el GTP unido para formar GDP unido, el cual bloquea la capacidad de la subunidad para activar a más moléculas efectoras. Luego, el complejo G_α-GDP se relaciona de nueva cuenta con las subunidades G_βγ para reformar el complejo trimérico y devolver el sistema a su estado de reposo. Cada una de las tres subunidades que conforman una proteína G heterotrimérica puede existir en distintas isoformas. Las diversas combinaciones de subunidades específicas componen proteínas G que tienen diferentes propiedades en sus interacciones, con los receptores y los efectores (pág. 621).

La fosfolipasa C es otro efector importante en la superficie interna de la membrana plasmática que puede ser activada por las proteínas G heterotriméricas. La PI-fosfolipasa C separa al 4,5-difosfato de fosfatidilinositol (PIP₂) en dos segundos mensajeros diferentes, 1,4,5-trifosfato de inositol (IP₃) y 1,2-diacilglicerol (DAG). El DAG permanece en la membrana plasmática, donde activa a la enzima proteína cinasa C, la cual fosforila los residuos de serina y treonina en varias proteínas blanco. La activación constitutiva de la proteína cinasa C causa la pérdida del control de crecimiento. El IP₃ es una pequeña molécula hidrosoluble que puede difundirse al citoplasma, donde se une con receptores para IP₃ localizados en la superficie del retículo endoplásmico liso. Los receptores para IP₃ son conductos iónicos tetraméricos para calcio; la unión de IP₃ hace que se abran los conductos iónicos y que se difunda al citosol el Ca²⁺ (pág. 629).

Una vía de señalización, que comienza con un GPCR activado, controla la utilización de glucosa. La degradación de glucógeno en glucosa la estimulan las hormonas adrenalina y glucagón, que actúan como primeros mensajeros mediante la unión con sus receptores respectivos en la superficie externa de las células blanco. La unión de las hormonas activa un efector en la superficie interna de la membrana, la adenilil ciclasa, lo que conduce a la producción del segundo mensajero cAMP capaz de difundirse. El cAMP genera su respuesta mediante una cascada de reacciones en la que una serie de enzimas se modifica de manera covalente. Las moléculas del cAMP se unen con las subunidades reguladoras de una proteína cinasa dependiente de cAMP llamada PKA, que fosforila a la fosforilasa cinasa y la glucógeno sintasa, lo que da lugar a la activación de la primera enzima y la inhibición de la segunda. Las moléculas de fosforilasa cinasa activada que agregan fosfatos a la glucógeno fosforilasa, activan a esta última enzima y conducen al desdoblamiento de glucógeno en glucosa 1-fosfato, que se convierte en glucosa. Como resultado de esta cascada de reacciones, el mensaje original, que llegó a la superficie celular con la unión de una hormona, se amplifica en gran medida y el tiempo de respuesta disminuye de manera notoria. Las cascadas de reacción en este tipo también suministran varios sitios de regulación. La adición de grupos fosfato por acción de las cinasas se revierte por las fosfatasas que retiran los fosfatos. El cAMP se produce en muchas células distintas como reacción a una gran variedad de primeros mensajeros. El curso de sucesos que ocurre en la célula blanco depende de las proteínas específicas fosforiladas por la cinasa dependiente de cAMP (pág. 631).

Muchos estímulos extracelulares inician una respuesta celular mediante la unión con el dominio extracelular de una proteína tirosina cinasa receptora (RTK), que activa el dominio de tirosina cinasa localizado en la superficie interna de la membrana plasmática. Las RTK regulan diversas funciones, como el crecimiento y proliferación celulares, el curso de la diferenciación celular, la captación de partículas ajenas y la supervivencia celular. Los ligandos estimulantes del crecimiento mejor estudiados, como PDGF, EGF y FGF, activan una vía de señalización llamada cascada de cinasa de MAP que incluye una pequeña proteína monomérica de unión con GTP denominada Ras. Al igual que otras proteínas G, la Ras fluctúa entre una forma inactiva unida con GDP y una forma activa unida con GTP. En su forma activa, estimula a los efectores que se encuentran corriente abajo en la vía de señalización. Como otras proteínas G, la Ras tiene actividad de GTP-asa (estimulada por una GAP) que hidroliza el GTP unido para formar GDP unido, con lo que se apaga a sí misma. Cuando un ligando se une a la RTK, la transautofosforilación del dominio citoplásmico del receptor conduce al reclutamiento de Sos, un activador de Ras, a la superficie interna de la membrana. Sos cataliza el intercambio de GDP por GTP, lo que activa a la Ras. La proteína Ras activada tiene una mayor afinidad por otra proteína llamada Raf, que sufre la atracción de la membrana plasmática, donde se convierte en una proteína cinasa activa que inicia una cadena ordenada de reacciones de fosforilación mostradas en la figura 15.20. Los últimos blancos de la cascada de la cinasa de MAP son factores de transcripción que estimulan la expresión de los genes cuyos productos tienen una función clave en la activación del ciclo celular, lo que inicia la síntesis de DNA y la división celular. La cascada de cinasa de MAP es posible encontrarla en todos los eucariotas, desde las levaduras hasta los mamíferos, aunque durante la evolución se adaptó para poder inducir respuestas diferentes en los diversos tipos de células (pág. 636).

La insulina media muchas de sus acciones en las células blanco mediante la interacción con el receptor para insulina, que es una RTK. La cinasa activada agrega grupos fosfato a los residuos de tirosina localizados en el receptor y las proteínas de acoplamiento relacionadas con el receptor llamadas IRS. Los residuos fosforilados de tirosina de una IRS sirven como sitios de acoplamiento para las proteínas que tienen dominios SH2, las cuales se activan con la unión con IRS. Varias vías de señalización separadas pueden activarse como resultado de distintas proteínas de señalización que se unen con una IRS fosforilada. Una vía puede estimular la síntesis de DNA y la división celular, otra puede estimular el movimiento de los transportadores de glucosa a la membrana celular y otras más pueden activar los factores de transcripción que inician la expresión de un conjunto de genes específicos de insulina (pág. 644).

La elevación rápida del Ca²⁺ citosólico, inducida por la abertura de los conductos iónicos en las membranas citoplásmicas o la membrana plasmática, inicia una gran variedad de reacciones celulares. La concentración normal de iones Ca²⁺ en el citosol se mantiene en cerca de 10^-7 M por la acción de bombas de calcio situadas en la membrana plasmática y la membrana del retículo endoplásmico liso. Muchos estímulos diferentes (desde un espermatozoide hasta un impulso nervioso que llega a una célula muscular), propician un aumento súbito de la concentración citosólica de calcio, la cual puede seguir a la abertura de los conductos del Ca²⁺ en la membrana plasmática, receptores de IP₃ o receptores de rianodina, que son un tipo diferente de conducto del calcio ubicado en la membrana del retículo endoplásmico liso. Según sea el tipo de célula, los conductos de rianodina pueden abrirse por un potencial de acción que llega a la célula o por la entrada de una pequeña cantidad de calcio por la membrana plasmática. Entre las respuestas del aumento de la concentración citosólica de calcio, algunas son la activación o inhibición de varias enzimas y sistemas de transporte, fusión de membrana o alteraciones de las funciones contráctiles o del citoesqueleto. El calcio no actúa sobre estos diversos blancos en su estado iónico libre, sino que se une con un pequeño grupo de proteínas para unión con calcio, que a su vez inducen la respuesta. La más difundida de estas proteínas es la calmodulina, que contiene cuatro sitios para unión con calcio. El ion calcio también es un mensajero intracelular importante en las células vegetales, donde media las respuestas a diversos estímulos, incluidos cambios de la luz, presión, gravedad y la concentración de hormonas vegetales como el ácido abscísico (pág. 648).

A menudo, las distintas vías de señalización están interconectadas. Como resultado, las señales de diversos ligandos no relacionados pueden converger para activar un efector común, como Ras; las señales del mismo ligando pueden divergir para varios efectores diferentes; y las señales pueden pasar de un lado a otro entre las distintas vías (comunicación cruzada) (pág. 653).

El óxido nítrico (NO) actúa como mensajero intercelular que difunde de manera directa a través de la membrana plasmática de la célula blanco. Entre las actividades estimuladas por el NO está la relajación de las células musculares lisas que recubren los vasos sanguíneos. El NO se produce por acción de la enzima óxido nítrico sintasa, que utiliza arginina como sustrato. El NO a menudo actúa por activación de la guanilil ciclasa para producir el segundo mensajero cGMP (pág. 655).

Las vías de señalización pueden terminar en apoptosis, la muerte celular programada. Los ejemplos de apoptosis incluyen la muerte de las células entre los dedos de la mano en desarrollo, la muerte de los linfocitos T que reaccionan contra los propios tejidos del cuerpo y la muerte de células cancerosas potenciales. La muerte por apoptosis se caracteriza por la compactación general de la célula y su núcleo, con disección ordenada de la cromatina por efecto de endonucleasas especiales. La apoptosis está mediada por enzimas proteolíticas, las caspasas, que activan o desactivan sustratos proteínicos clave mediante la eliminación de una parte de su cadena polipeptídica. Se han identificado dos vías distintivas de la apoptosis. La primera está activada por estímulos extracelulares que actúan a través de los receptores de la muerte, como TNFR1; la segunda se activa por el estrés celular interno que induce la liberación de citocromo c del espacio intermembranario de las mitocondrias y activa a los miembros proapoptósicos de la familia de proteínas Bcl-2 (pág. 656).

1. El tema de la señalización celular se incluyó cerca del final del libro porque reúne muchos temas distintos de la biología celular. Una vez que haya leído el capítulo por completo, ¿estaría de acuerdo o en desacuerdo con esta aseveración? Sustente sus conclusiones con un ejemplo.

2. Suponga que la vía de señalización de la figura 15.3 conduce a la activación de un gen que inhibe una cinasa dependiente de ciclina encargada de impulsar a la célula a la fase S del ciclo celular. ¿De qué manera una mutación debilitante en la cinasa 3 de proteína afectaría el crecimiento celular?

3. ¿Cuál podría ser el efecto sobre la función hepática de una mutación en un gen que codifica una fosfodiesterasa de cAMP, una mutación en un gen que codifique un receptor para glucagón, una mutación en un gen que codifica la fosforilasa cinasa y una mutación que alterara el sitio activo de la GTP-asa de una subunidad G_a? (Asuma que en todos los casos la mutación causa una pérdida de función del producto génico.)

4. El Ca²⁺, IP₃ y cAMP se describieron como segundos mensajeros. ¿En qué forma sus mecanismos de acción son similares y distintos?

5. En la cascada de reacciones ilustrada en la figura 15.22, ¿qué pasos conducen a la amplificación y cuáles no?

6. Suponga que la adrenalina y la noradrenalina pudieran iniciar una respuesta similar en una célula blanco particular. ¿Cómo determinaría si los dos compuestos actúan mediante la unión con el mismo receptor en la superficie celular o no?

7. Uno de los experimentos clave para mostrar que las uniones comunicantes (pág. 262) permiten el paso de pequeñas moléculas se realizó al permitir que las células del músculo cardiaco (que se contraen como respuesta a la adrenalina) formaran uniones comunicantes con células de la granulosa ovárica (que responden a la FSH con varios cambios metabólicos). Luego, los investigadores agregaron FSH al cultivo celular mixto y observaron la contracción de las células musculares. ¿De qué manera las células musculares reaccionan a la FSH y qué supone esto acerca de la estructura y función de las uniones comunicantes?

8. ¿Cómo esperaría que un análogo de GTP que la célula no pudo hidrolizar (un análogo no hidrolizable) afecte los fenómenos de señalización que ocurren durante la estimulación de una célula hepática por el glucagón? ¿Cuál sería el efecto del mismo análogo en la transducción de la señal de una célula epitelial después de la exposición al factor de crecimiento epidérmico (EGF)? ¿Cómo se compararía esto con los efectos de la toxina del cólera (pág. 627) en estas mismas células?

9. Usted sospecha que la fosfatidilcolina podría servir como precursora de un segundo mensajero que inicia la secreción de una hormona en un tipo de célula endocrina cultivada que está bajo estudio. Además, sospecha que el segundo mensajero liberado por la membrana plasmática como reacción a un estímulo es el fosfato de colina. ¿Qué tipo de experimento podría llevar a cabo para comprobar su hipótesis?

10. La figura 15.27 muestra los cambios localizados en [Ca²⁺] dentro del árbol dendrítico de una célula de Purkinje. Los iones de calcio son agentes pequeños que se difunden con rapidez. ¿Cómo es posible que una célula mantenga diferentes concentraciones de este ion libre en distintas regiones del citosol?, ¿qué cree que sucedería si inyectara un volumen pequeño de una solución de cloruro de calcio en una región de una célula inyectada ya antes con una sonda de calcio fluorescente?

11. Formule una hipótesis que explique cómo el contacto de la superficie externa de un huevo con un espermatozoide produce una oleada de liberación de Ca²⁺ que se extiende a todo el huevo, como se muestra en la figura 15.29.

12. Como la calmodulina activa muchos efectores diferentes (p. ej., proteínas cinasas, fosfodiesterasas, proteínas transportadoras de calcio), una molécula de calmodulina debe tener muchos sitios diferentes en su superficie. ¿Está de acuerdo con dicha aseveración?, ¿por qué?

13. La diabetes es una enfermedad que puede aparecer por varios defectos distintos de la función de la insulina. Describa tres anomalías moleculares diferentes en una célula hepática que pueden hacer que distintos pacientes muestren un cuadro clínico similar que incluya, por ejemplo, altas concentraciones de glucosa en sangre y orina.

14. ¿Esperaría que una respuesta celular al EGF fuera más sensible a la fluidez de la membrana plasmática que su respuesta a la insulina?, ¿por qué?

15. ¿Esperaría que una mutación en Ras fuera una causa dominante o recesiva en el origen del cáncer?, ¿por qué? (Una mutación dominante produce su efecto cuando sólo muta uno de los alelos homólogos, mientras que una mutación recesiva requiere que ambos alelos del gen estén afectados.)

16. Especule acerca del mecanismo mediante el cual la apoptosis podría tener una participación crucial para combatir el desarrollo del cáncer, un tema que se trata en el capítulo siguiente.

17. Usted trabaja con un tipo de fibroblasto que en condiciones normales responde al factor de crecimiento epidérmico, con un aumento de su ritmo de crecimiento y división, y a la adrenalina, con un descenso de la velocidad de crecimiento y división. Ya comprobó que ambas reacciones requieren la vía de la cinasa de MAP y que el EGF actúa mediante una RTK y la adrenalina a través de un receptor unido a proteína G. Suponga que identifica una cepa mutante de estas células que aún puede responder al EGF, pero ya no se inhibe con la adrenalina. Sospecha que la mutación afecta la comunicación cruzada entre dos vías (mostradas en la figura 15.35). ¿Qué componente de esta figura podría afectarse por tal mutación?

18. ¿Qué similitud tiene la oleada de calcio que ocurre después de la fecundación con un impulso nervioso que viaja por una neurona?

19. Una vez que ha leído la sección sobre la percepción del gusto, ¿por qué supone que ha sido difícil encontrar venenos eficaces para ratas?

20. Uno de los genes del virus de la vacuna codifica una proteína llamada CrmA que es un inhibidor potente de las caspasas. ¿Qué efecto esperaría que tuviera este inhibidor en una célula infectada?, ¿por qué resulta esto ventajoso para el virus infectante?

21. La mayor parte de las RTK actúa en forma directa sobre los efectores corriente abajo, mientras que la RTK de la insulina actúa mediante una proteína de acoplamiento intermediaria, un sustrato receptor de insulina (IRS). ¿Existe alguna ventaja en la señalización que pudiera derivar del uso de estos IRS intermediarios?

22. Los investigadores han informado que (1) la mayor parte de los efectos fisiológicos de la insulina sobre las células blanco puede bloquearse mediante la incubación de células con wortmanina, un compuesto que inhibe en forma específica la enzima PI3K, y (2) que el impulso para que las células expresen de modo exagerado una forma con actividad constitutiva de PKB (una forma de la enzima que siempre está activa sin importar las circunstancias) induce una reacción en las células, idéntica a la que suscita la adición de insulina a estas células. Al observar la figura 15.25, ¿puede decirse que esto era lo previsto?, ¿por qué?

23. Los ratones con bloqueo génico incapaces de producir caspasa 9 mueren como resultado de varios defectos, en particular un cerebro muy grande. ¿Por qué estos ratones tienen tal fenotipo? ¿En qué esperaría que el fenotipo de un ratón con eliminación genética del citocromo c fuera comparable al ratón en el cual se suprimió la caspasa 9?

24. ¿Por qué supone que algunas personas consideran que un compuesto llamado PROP tiene un sabor amargo, mientras que otras no lo perciben?

25. La inhibición de una proteína cinasa específica suele culminar en una intensificación de la fosforilación en muchas proteínas celulares. ¿En qué forma se podría explicar dicha observación?