capitulo 15 biocel

CAPITULO

15

Seales celulares: comunicacin entre clulas y su ambiente15-1 Algunas caractersticas bsicas de los sistemas de seales celulares 15-2 Receptores acoplados a protena G y segundos mensajeros La perspectiva humana: Trastornos relacionados con receptores acoplados a protena G 15-3 Receptor de tirosincinasas {RTK}: un segundo tipo principal de sistemas de seales 15-4 Convergencia, divergencia e interferencia entre diferentes sistemas de seales 15-5 Otros sistemas de seales La va experimental: Descubrimiento y caracterizacin de las protenas enlazadas a GTP

l poeta ingls John Donne expres su conviccin respecto de la interdependencia del ser humano en la frase: "Ningn hombre es una isla." Lo mismo se puede decir de las clulas. Es evidente que las clulas dependen de su ambiente para obtener las materias primas necesarias que sostienen su vida. En el captulo 4 vimos que la membrana plasmtica de la clula contiene varios canales diferentes y transportadores que permiten a las clulas introducir selectivamente las sustancias inorgnicas y orgnicas necesarias para mantenerse y para liberar productos de desperdicio. Para su supervivencia tambin es esencial que las clulas se comuniquen con sus vecinas, vigilar las condiciones de su ambiente y responder de manera apropiada a diversos tipos de estmulos que inciden sobre su superficie. Las clulas llevan a cabo estas interacciones mediante un fenmeno conocido como emisin de seales celulares, en el cual se pasa informacin a travs de la membrana plasmtica al interior de la clula y con frecuencia al ncleo celular (g.> 15-1). En la mayor parte de los sistemas las seales celulares incluyen:

E

FIGURA 15-A. Corte a travs del ojo compuesto de la mosca de la fruta teido con anticuerpos fluorescentes para mostrar la distribucin de la protema calmodulina enlazada a calcio. (Cortesa de Jeffrey A. Porter y Craig Montdl, Tlie Johns Hopkins Universty.)

Reconocimiento del estmulo en la superficie externa de la membrana plasmtica mediante un receptor especfico integrado a la membrana. Transferencia de una seal a travs de la membrana plasmtica hacia la superficie citoplsmica de la misma.627

628

CAPITULO 15 Seales celulares: comunicacin entre las clulas y su ambiente Ligando extracelular

Sitio de contacto clula-clula

Activacin de la actividad de la enzima Cambios en la organizacin del citoesqueleto Cambio en la permeabilidad a iones Activacin de la sntesis de DNA Activacin de la sntesis de RNA

Matriz extracelular FIGURA 1 5 - 1 . Perspectiva de algunas formas como se pueden iniciar las seales intercelulares y los tipos de respuesta que pueden generar. La membrana plasmtica de una clula contiene receptores que se enlazan especficamente a ligandos solubles, matrices extraceiulares y componentes de la superficie de otras clulas. La estimulacin que se origina a partir de estos contactos se puede convertir (transducir) por la membrana celular en seales ntracelulares transmitidas a lo largo de diversas vas. Finalmente, estas seales pueden producir la activacin de enzimas, cambios en la organizacin del citoesqueleto, cambios en la permeabilidad inica, inicio de la sntesis de DNA, o la activacin o represin de la expresin de genes.

plasmtica en vez de actuar a nivel de la superficie celular. Tambin hay casos en los cuales las sustancias que se enlazan a los receptores de la superficie celular evocan una respuesta directa sin iniciar la emisin de seales dentro de la clula. El neurotransmisor acetilcolma acta por un mecanismo de este tipo cuando se enlaza a su receptor sobre la clula del msculo esqueltico, abriendo un canal inico situado entre el propio receptor (pg. 163). La emisin de seales puede afectar casi a todos los aspectos de la estructura y funcin celulares, y sta es una de las principales razones por las cuales este captulo aparece casi al final del libro. Por otra parte, el tema de la emisin de seales celulares puede servir para vincular varias actividades celulares, al parecer independientes. Ningn otro tema parece ilustrar el hecho de que las partes de una clula son elementos interdependientes e incapaces de funcionar en aislamiento. La emisin de seales celulares tambin est ntimamente relacionada con el proceso mediante el cual las clulas regulan su crecimiento y funcin, y este hecho confiere al estudio de las seales celulares importancia especial para comprender de qu manera una clula puede perder el control de su crecimiento y convertirse en tumor maligno.

15-1 Algunas caractersticas bsicas de los sistemas de seales celularesEl trmino "emisin de seales celulares" lleva implcito el concepto de que la clula responde a un estmulo de su ambiente transmitiendo informacin al compartimiento interno de la clula. En la mayor parte de los casos, el estmulo es una molcula secretada en el espacio extracelular por otra clula, pero el estmulo tambin se origina como resultado del contacto con otra clula o con un sustrato no celular (fg. 15-1). Cualquiera que sea su naturaleza, el agente que se enlaza al receptor en la superficie externa de la clula se conoce como ligando. A diferencia de la captacin de nutrientes o de iones, las seales celulares no incluyen la transferencia del agente estimulante a travs de la membrana; todo lo que se transmite a travs de dicha membrana es la seal de que se ha recibido un estmulo. Otro trmino comnmente empleado en relacin con este proceso es transduccin de seales, que indica que la naturaleza del estmulo recibido por el receptor de la superficie celular es totalmente diferente a la seal liberada en el interior de la clula. Como pronto veremos, la transduccin de seales es un proceso complejo que implica el paso de informacin a lo largo de vas de transduccin de seales, en general constituidas por una serie de diversas protenas. En ciertos aspectos, el paso de informacin a travs de la clula es anlogo al paso de electrones a lo largo de una cadena de transporte de electrones. En ambos casos, cada componente de la va es alterado por el elemento "antecedente" en ella, y a su vez altera al elemento "subsecuente" en dicha va. En vez de pasar electrones o alguna otra sustancia especfica, las protenas de una va de transduccin de seales por lo general actan alterando la conformacin de la siguiente protena en la serie, acontecimiento que activa o inhibe a dicha protena (fig. 15-2).

Transmisin de la seal a las molculas efectoras especficas sobre la superficie interna de la membrana o dentro del citoplasma que desencadenan la respuesta celular, la cual puede implicar un cambio en la expresin de genes, alteracin de la actividad en enzimas metablicas, reconfiguracin del citoesqueleto, cambio de permeabilidad a iones, activacin de la sntesis de DNA o incluso la muerte de la clula. Cese de la respuesta como resultado de la destruccin o inactivacin de la molcula emisora de seales combinada con disminucin del grado de estmulo extracelular. Antes de examinar estos pasos con mayor detalle debemos hacer notar que no toda la informacin se transmite desde el espacio extracelular al interior de la clula por medio de un receptor situado en la superficie de la misma. Por ejemplo, en el captulo 12 vimos que las hormonas esferoides actan sobre clulas especficas que atraviesan la membrana plasmtica por difusin e interactan con una protena receptora dentro de la clula, a la cual convierten en factor de transcripcin activo. En el presente captulo describiremos otro ejemplo donde un mensajero intercelular, denominado xido ntrico (NO), atraviesa la membrana

CAPITULO 15 Seales celulares: comunicacin entre las clulas \j su ambiente

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Proteincinasa 3 inactiva

Fosfato Proteincinasa 3 activa Fosfato

RESPUESTAProteinfosfatasa 3

Proteincinasa 1 inactiva

Fosfato Proteincinasa Sustrato de protena 1 activa inactivo (p. ej., factor de transmisin)

Sustrato de protena activa (p, ej., capaz de enlazar a la secuencia promotora en el DNA)

FIGURA 15-2, Las vas para transduccin de seales constan principalmente de proteincinasas y proteinfosfatasas cuya accin cataltica cambia la conformacin, y por lo tanto la actividad, de las protenas que modifican. En el ejemplo aqu mostrado, la proteincinasa 1 es activada por la proteincinasa 2. Una vez activada, la proteincinasa 1 fosforila a la proteincinasa 3 activando la enzima. En seguida, la proteincinasa 3 fosforiia un factor de transcripcin incrementando su afinidad por un sitio sobre el DNA que provoca la respuesta. Cada una de estas etapas de activacin puede ser invertida por una fosfatasa.

No es sorprendente, luego de leer otros temas de biologa celular, que los mecanismos ms importantes para que una protena de una va de transduccin de seales altere la actividad de la protena siguiente en la serie sea aadir o eliminar grupos fosfato (fig. 15-2). Como veremos, la va de transduccin de seales de ordinario contiene proteincinasas y fosfatasas, que parecen ser los agentes favoritos para provocar cambios reversibles rpidos en la actividad celular. Algunas de estas cinasas y fosfatasas son protenas citoplsmicas solubles; otras son protenas integrales de membrana. Algunas de estas enzimas poseen gran nmero de protenas como sustratos, en tanto que otras slo fosforilan o desfosforilan un sustrato de protena nico. Gran parte de los sustratos de estas enzimas son otras enzimas, pero los sustratos de protena pueden incluir canales inicos, factores de transcripcin y varios tipos de subunidades reguladoras. En general, aadir o eliminar grupos fosfato a partir del sustrato desencadena un cambio de conformacin en la protena que estimula o inhibe su actividad, y por lo tanto conduce a una respuesta especfica. Otra caracterstica prominente de las vas de seales celulares compartida por otros procesos celulares es el uso de protenas enlazadas a GTP como interruptores que inician o concluyen la actividad. Las protenas enlazadas a GTP se estudiaron en relacin con el trfico de vesculas en el captulo 6, la dinmica de microtbulos y microfilamentos en el captulo 9, y la sntesis de protenas en el captulo 11. En el presente captulo exploraremos su papel en la transmisin de mensajes a lo largo de "circuitos de informacin celular". El anlisis de la emisin de seales celulares en este captulo se centrar en dos tipos contrastantes de vas de transduccin de seales (fig. 15-3). En uno de los tipos de vas, la fijacin de un ligando a un receptor en la superficie celular se indica a travs de la activacin de una protena enlazada a GTP (protena G), en tanto que en el otro tipo de

respuesta, el enlace de ligandos se seala mediante activacin directa de la actividad enzimtica relacionada con el receptor.Estmulo (ligando)

Receptor

Efector

Efector activado

Estmulo Receptor Receptor (ligando) cinasa activado (inactivo) FIGURA 15-3. Los dos tipos alternativos de vas para la transduccin de seales. En la va 1, el ligando enlazado activa una protena G, que activa un efector, liberando una seal. En la va 2, el ligando' enlazado activa una accin enzimtica (cinasa) del receptor, que activa un efector liberando una seal.

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CAPITULO 15 Seales celulares: comunicacin entre las clulas y su ambiente

L5-2 Receptores acoplados a protena G y segundos mensajerosLa oxidacin de la glucosa por la va catablica de la gluclisis y del ciclo de Krebs suministra a la mayor parte de las clulas su fuente primaria de energa. Dada la importancia de la glucosa en el metabolismo, la comprensin del mecanismo que controla el aprovechamiento de este azcar ha sido un objetivo importante de los bioqumicos y fisilogos por ms de 100 aos. Como se estudi en el captulo 3, la glucosa en los animales se almacena como glucgeno, un polmero insoluble de glucosa. La desintegracin del glucgeno en subunidades ricas en energa es controlada en vertebrados por algunas hormonas, ms notablemente el glucagon, secretado por el pncreas, y la epinefrina, secretada por la mdula suprarrenal. Cada una de estas hormonas se enlaza a un receptor que sobresale en la membrana plasmtica de la clula especfica. El enlace inicia una serie de reacciones que estimulan la enzima fosforilasa, la cual cataliza la reaccin para descomponer el glucgeno en glucosa fosfato, primer paso del catabolismo del azcar (fig. 15-4). Al mismo tiempo, el enlace de ambas hormonas inhibe a la enzima glucgeno sintasa, que cataliza la reaccin opuesta para polimerizar glucosa y formar glucgeno. Por lo tanto, los diferentes tipos de estmulo que inciden en la misma clula blanco pueden inducir la misma respuesta. En la siguiente seccin veremos de qu manera es posible esto. Descubrimiento de un segundo mensajero: AMP cclico La conexin entre el enlace de una hormona a la membrana plasmtica y los cambios de actividad de la fosforilasa y la glucgeno sintasa fue dilucidado mediante estudios iniciados a mediados del decenio de 1950 por dos grupos de investigadores: Earl Sutherland y sus colegas, en la Case Western Reserve University, y Edwin Krebs y Edmond

Fischer, en la Universidad de Washington. El objetivo de Sutherland era desarrollar un sistema in vitro en el cual se pudiera lograr la respuesta fisiolgica a una hormona. Luego de grandes esfuerzos, observ que se poda incubar epinefrina o glucagon con una preparacin de clulas despedazadas y demostrar activacin de la fosforilasa. Esta preparacin de clulas despedazadas se poda dividir mediante centrifugacin en una fraccin con partculas y una fraccin soluble. Aunque la fosforilasa slo se encuentra en la fraccin sobrenadante, se requieren las partculas materiales para la respuesta hormonal. Experimentos subsecuentes indicaron que la respuesta ocurre en dos pasos distintos cuando menos. Si se aisla la fraccin de partculas de un homogenado de hgado y se incuba con la hormona, se produce alguna sustancia nueva que cuando se aade a la fraccin sobrenadante puede activar a la molcula fosforilasa soluble. Sutherland identific a la sustancia liberada por las membranas de la fraccin dividida como monofosfato de adenosina cclico (AMP cclico, o simplemente AMPc). Como estudiaremos en detalle, el AMPc estimula la movilizacin de la glucosa al activar una proteincinasa que aade un fosfato a un residuo especfico de serina del polipptido fosforilasa. El AMP cclico es un ejemplo de segundo mensajero, sustancia liberada dentro de la clula como resultado del enlace de un primer mensajero, una hormona u otro ligando, a un receptor situado en la superficie externa de la clula. Subsecuentes trabajos efectuados por otros investigadores demostraron que el AMP cclico slo es uno de un gran nmero de sustancias que actan como segundos mensajeros en clulas eucariotas. En tanto que el primer mensajero se enlaza exclusivamente a una sola especie de receptor, el segundo mensajero generado en el citoplasma a menudo puede activar varias actividades celulares. Como resultado, el uso de segundos mensajeros permite a las clulas mostrar una respuesta coordinada a gran escala luego de la estimulacin por un solo ligando extracelular. En un momento retornaremos al mecanismo mediante el cual la seal del ligando enlazado se transmite a travs de la membrana,

CH2OH

CH2OH H]TvH

CH2OH HJ--~t\ Fosforilsa

CH^OH H/ \ {GlucosaJn _ Glucgeno

H

OH

H

OH

H

OH

P(PP;

H

OH

Glucgeno(glucosa),,

Glucgeno sintetasa UDP-glucosa (Glucosa)n -

Glucosa 1-fosfato

UTP

\a 6-fosfato

/ \a GlucosaFIGURA 15-4. Reacciones que conducen al almacenamiento o movilizacin de la glucosa. En estas reacciones, la actividad de dos enzimas claves, fosforilasa y glucgeno sintetasa, estn controladas por hormonas que actan a travs de vas para la transduccin de seales. 6-fosfato Gluclisis i [\ Sangre I


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que es uno de los principales pasos en el proceso de emisin de seales, pero primero ilustraremos el mecanismo de accin de los sistemas con segundo mensajero para describir de qu manera se sintetiza el AMP cclico y cmo puede desencadenar la movilizacin de glucosa. Movilizacin de glucosa: ejemplo de respuesta inducida por AMPc Una protena integral de membrana sintetiza el AMPc. Esta protena se denomina adenililciclasa y su dominio cataltico reside en la superficie interna de la membrana plasmtica (fig. 15-5). Puesto que provoca la respuesta celular (efectos) mediante la sntesis de AMPc, la adenilciclasa se denomina ef ector. El enlace de glucagon o de epinefrma a la superficie externa de una clula heptica provoca un cambio de conformacin del receptor que es transmitido a travs de la membrana plasmtica y, segn se describe ms adelante, activa la adenililciclasa en la superficie interna de la membrana. Una vez activada la adenililciclasa, cataliza la conversin de ATP en molculas de AMPc que pueden difundir rpidamente al interior del citoplasma (fig. 15-5). El AMPc provoca su respuesta iniciando una cadena de reacciones, varias de las cuales incluyen modificacin por enlaces covalentes de una enzima por otra. Esta reaccin en cascada se ilustra en la figura 15-6. Ya se describi el primer

COOH

paso en la cascada de reacciones que ocurre a medida que la hormona se enlaza al receptor y estimula la sntesis de AMPc (pasos 1 y 2, fig. 15-6). Cada molcula de AMPc puede entonces enlazarse a un sitio alostrico sobre la subunidad reguladora de una proteincinasa especfica dependiente de AMPc, denominada proteincinasa A (PKA) (paso 3). Las subunidades reguladoras normalmente inhiben la actividad enzimtica de las subunidades catalticas de la enzima. El enlace del AMPc provoca disociacin de las subunidades inhibidoras liberando las subunidades catalticas en su forma activa. Los sustratos especficos de PKA de una clula heptica incluyen dos enzimas que desempean un papel crucial en el metabolismo de la glucosa, la glucgeno sintasa y la fosforilasa cinasa (pasos 4 y 5). La fosforilacin de la glucgeno sintasa inhibe su actividad cataltica y por lo tanto evita la conversin de glucosa a glucgeno. Por lo contrario, la fosforilacin de la fosforilasa cinasa activa la enzima para catalizar la transferencia de grupos fosfato a molculas de fosforilasa (paso 6). Krebsy Fischer descubrieron que la adicin de un solo grupo fosfato a un residuo serina especfico en la molcula de fosforilasa activa a esta enzima y estimula el desdoblamiento de glucgeno (paso 7). La glucosa 1-fosfato formada en la reaccin de la fosforilasa se convierte a glucosa, que difunde al interior de la sangre y alcanza los tejidos del cuerpo (paso 8). Uno de los grandes valores de la reaccin en cascada, como la mostrada en la figura 15-6, es que amplifica ampliamente el mensaje original (indicado por las flechas azules en la figura 15-6). En la sangre, la concentracin de hormonas por lo general es muy baja: menos de 10~8 M. Considerando el volumen de sangre en el cuerpo de un vertebrado, esta concentracin baja constituye una seal de comunicacin muy econmica. El enlace de una sola molcula de hormona en la superficie de la clula puede activar varias molculas de adenililciclasa, cada una de las cuales produce numerosos mensajeros AMPc en un breve periodo. Por lo tanto, la produccin del segundo mensajero representa un importante paso de amplificacin en el proceso. Cada molcula de AMPc puede entonces activar una sola molcula de PKA, que puede fosforilar a un gran nmero de molculas de PKA, las cuales a su vez pueden fosforilar un nmero an mayor de molculas de fosforilasa, que por su parte catalizan la formacin de un nmero mucho mayor de fosfatos de glucosa. As, lo que comienza como un estmulo apenas perceptible en la superficie de la clula, rpidamente se transforma en una gran movilizacin de glucosa dentro de ella. Otros aspectos de la va de transduccin de seales del AMPc Aunque los efectos ms rpidos y mejor estudiados de la produccin de AMPc se observan en el citoplasma, el ncleo y sus genes tambin participan en la respuesta. La mayor parte de las molculas PKA activadas permanecen en el citoplasma, pero una fraccin de ellas se transloca al interior del ncleo donde fosforilan protenas nucleares clave (paso 9, fig. 15-6), en particular un factor de transcripcin denominado CREB (siglas en ingls que significan elementa enlazado a protenas que responde al AMPc). La versin fosforilada del CREB se enlaza a diferentes sitios sobre el

0 0 0 ""^N II II II "OPOPOPOCH-j I I I 0~0~0

(T

^C.H' OH

VH

/

H

H/H -C

c

OH

OH

I-'IGURA 15-5. La formacin de AMP cclico a partir de ATP es catalizada por adenililciclasa, una protena integral de membrana cuyo sitio activo se localiza en la superficie interna de la membrana. La actividad de la enzima es regulada por protenas enlazadas a GTP, segn se estudia ms adelante en el texto y se ilustra en la figura 15-11. La desintegracin del AMPc (no mostrado) se logra gracias a una fosfodiesterasa, que convierte el nucletido cclico a 5' monofosfato.

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CAPITULO 15 Seales celulares: comunicacin entre las clulas y su ambiente Glucagon, epinefrina, otros

Adenililciclasa

Citoplasma!

Ncleo

x^^ Inactiva

w ActivaGlucgenosintasa

O

Fosfodiesterasa

}

Proteincinasa A Inactiva,j-^ Activa Fosforilasa

,

O

OActiva .

-Activa ^ Fosfatas a

A s

(0

Fosforilasa cinasa-.^

/""*!? "f AInactiva

Inactiva

Fosfatas aCH,OPOf O

Activa

OGlucosaOTorrente sanguneo

o

i)Glucosa 1 -fosfato Glucgeno

Glucosa 6-fosfato

FIGURA 15-6. Respuesta de una clula heptica a glucagon o epinefrina. Etapas de la respuesta al estmulo hormonal que conducen a la movilizacin de la glucosa, segn se describe en el texto. Muchos de los pasos de la reaccin en cascada se acompaan de una amplificacin espectacular de la seal. Los pasos que conducen a [a amplificacin se indican por flechas azules.

Membrana plasmtica

DNA (paso 10) que contienen una secuencia particular de nucletidos (TGACGTCA) conocida como amplificador regulado de AMPc (ARA). De la pgina 518, recordemos que los amplificadores son sitios en el DNA donde los factores de transcripcin enlazados actan para incrementar la velocidad de inicio de la transcripcin. Se cree que los factores de transcripcin enlazados a los amplificadores actan al enlazarse a las protenas presentes en el complejo preinicial cerca del sitio de comienzo (fig. 12-36). Los amplificadores regulados de AMPc se localizan especficamente en regiones reguladoras del DNA que controlan la expresin de genes que desempean un papel en la respuesta al AMPc. En las clulas del hgado, por ejemplo, varias de las enzimas que participan en la gluconeognesis, va por la cual se forma la glucosa a partir de los intermediarios de la gluclisis (fig. 3-29), son codificadas por genes que contienen ARA cercanos. Por lo tanto, epinefrina y glucagon no slo activan enzimas catablicas participantes en el desdoblamiento de glucgeno, sino tambin conducen a la sntesis de enzimas anablicas necesarias para formar glucosa a partir de precursores ms pequeos. Como sera de esperar, debe haber un mecanismo para revertir los pasos mostrados en la figura 15-6; de otra manera, la clula permanecera en estado activado a partir de ese

momento. Las clulas hepticas contienen varias fosfatasas que catalizan la eliminacin de los grupos fosfato aadidos por las cinasas. La ms importante de estas enzimas, la fosfatasa-1, puede eliminar fosfatos de todas las enzimas fosforilables de la figura 15-6: fosforilasa cinasa, glucgeno sintasa y fosforilasa. Otra ventaja de una reaccin en cascada, adems de la amplificacin, es que cada una de las enzimas a lo largo de la cadena, sea cinasa o f osfatasa, es un sitio potencial donde la clula puede regular la respuesta celular. Por ejemplo, Ja tasa de actividad de fosfatasa-1 es controlada por una protena denominada nhibidor-1, que tambin sufre un ciclo de activacin y desactivacin por fosforilacin y desfosforilacin, respectivamente (fig. 15-7). La fosforilacin del inhibidor-1 es catalizada por la proteincinasa A, la misma cinasa dependiente de AMPc mencionada anteriormente. La activacin de esta cinasa asegura que cuando los niveles de AMPc se elevan, la fosfatasa-1 se inhibe. Sin embargo, tan pronto como desciende la concentracin de AMPc, el inhibidor se desfosforila y por lo tanto activa a la fosfatasa-1, que elimina el fosfato de la fosforilasa y detiene la descomposicin adicional de glucgeno. El AMPc se produce en muchas clulas diferentes en respuesta a una gran variedad de ligandos diferentes (es

CAPITULO 15 Seales celulares: comunicacin entre las clulas y su ambiente Hormona

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AMPc Forma inactiva del inhibidor-1

Forma activa del inhibidor-1

Incremento del *nivel de fosforilacin de protena }

Disminucin del nivel de fosforilacin de protena FIGURA 15-7. Papel como fosforilador y desfosforilador del inhibidor-1 en la accin hormonal. La formacin de AMPc y la activacin subsecuente de la proteincinasa dependiente de AMPc (PKA) provoca: 1) aumento del nivel de la fosforilacin de protena y 2) fosforilacin y activacin del inhbidor-l, que a su vez provoca inactivacin de la fosfatasa-1, por lo que mantiene as el mayor nivel de fosforilacin de protena. Un descenso en la sntesis de AMPc conduce a la inversin de este estado.

decir, primeros mensajeros). En el cuadro 15-1 se presentan algunas respuestas mediadas por AMPc en clulas de mamferos. En invertebrados tambin se emplea el AMPc como segundo mensajero, segn se ilustra por la elevacin espectacular de la concentracin de AMPc que ocurre en ciertas clulas nerviosas de la liebre marina en respuesta al neurotransmisor serotonina (fig. 15-8). Puesto que el AMPc ejerce su efecto por activacin de PKA, el curso de los acontecimientos que ocurren en una clula dada en respuesta al AMPc ser determinado por las protenas especficas fosforiladas por dicha enzima (fig. 15-9 y cuadro 15-2). Aunque la activacin del PKA en una clula heptica en respuesta a la epinefrina produce descomposicin de glucgeno, la activacin de esta enzima en una clula del tbulo renal en respuesta a vasopresina provoca reduccin de la permeabilidad de la membrana al agua, y en las clulas tiroideas en respuesta a TSH provoca la secrecin de hormona tiroidea. La misma hormona tambin puede producir respuestas muy diferentes en distintas clulas, aun cuando se enlace al mismo receptor. Por ejemplo, la epinefrina se enlaza a un receptor /?-adrenrgico similar en las clulas hepticas, clulas adiposas y clulas del msculo liso del intestino, provocando la sntesis de AMPc en los tres tipos de clulas. Sin embargo, las respuestas son muy diferentes: en la clula heptica se desintegra glucgeno, en las clulas adiposas se desintegran tracilgliceroles, y las clulas del msculo Us se relajan. En todos los casos citados antes, la produccin de AMPc contina slo si se mantiene alta la concentracin del mensajero primario en el espacio extracelular. Cuando la concentracin desciende y estas molculas se disocian de los receptores de membrana de las clulas blanco, se desactiva la adenililciclasa y la sntesis de AMPc desciende de manera aguda (segn se ilustra en la ultima fotografa de la secuencia en la figura 15-8). Las molculas de AMPc ya presentes en el citoplasma se degradan por accin de una enzima, la fosfodiesterasa de nucletido cclica, que concluye la respuesta.

CUADRO 15-1. Ejemplos de respuestas inducidas por hormonas mediadas por AMPc Tejido Hgado Hormona Epinefrina y glucagon Respuesta Hidrlisis de glucgeno, sntesis de glucosa (gluconeognesis), inhibicin de la sntesis de glucgeno Hidrlisis de glucgeno, inhibicin de la sntesis de glucgeno Incremento de la contractilidad Catabolismo del triacilglicerol Incremento de la permeabilidad de las clulas epiteliales al agua Secrecin de hormona tiroidea Incremento de la resorcin de calcio Incremento de la secrecin de hormonas esteroides Incremento de a secrecin de glucocorticoide

Msculo esqueltico Msculo cardiaco Adiposo Renal Tiroideo Hueso Ovario Corteza suprarrenal

Epinefrina Epinefrina Epinefrina, ACTH y glucagon Vasopresina (ADH)TSH Hormona paratiroidea LH

ACTH

634


FIGUliA 15-8. Demostracin experimental de la sntesis de AMPc en respuesta a estimulacin especfica. Esta serie de fotografas muestran una clula nerviosa sensorial de la liebre marina Aplysia. La concentracin de AMPc libre (indicada en /M por la barra de color en el lado derecho de la ilustracin) se midi por mcroinyeccin de una molcula fluorescente cuyo espectro de emisin es sensible a la concentracin de AMPc. La imagen superior izquierda muestra la concentracin intracelular de AMPc en la neurona no estimulada, y las siguientes cuatro imgenes muestran los efectos de la estimulacin por el neurotransmisor serotonina (5-hidroxitriptamina) en los tiempos indicados. Cuando las clulas se lavan para liberarlas de serotonina, la concentracin de AMPc retorna a las cifras presentes cuando no hay estimulacin. (Reimpreso con permiso de Bran }. Backsai y cois., Science 260:223, 7993; copyright 1993 American Association for the Advancement of Science.)

Estructura y funcin de receptores acoplados a protena G El glucagon es una pequea protena de 29 aminocidos; la epinefrina es una pequea amina hdrfilaH H C-CH2-N-H

cin, una protena G heterotrimrica (fig. 15-10), cuyo descubrimiento y caracterizacin se analizan en La va experimental, al final del captulo. Estas protenas se conocen como protenas G porque se enlazan al nucletido de guanina, sea GDP o GTP. Se describen como heterotrimricas porque

Membrana plasmtica (transporte)

OH

XCH3

Microtbulos (ensamblado/ ^ desensamblado)

sintetizada a partir del aminocido rosina. Estas dos molculas prcticamente no tienen nada en comn desde el punto de vista estructural, pero ambas activan al mismo efector (adenililciclasa), que conduce a la sntesis de AMPc y la subsecuente fosforilacin de la fosforilasa. La similitud de la respuesta al enlace de estas dos hormonas se puede atribuir a la semejanza de sus mecanismos de accin. Los receptores de estos dos ligandos muy diferentes son miembros de la misma familia de protenas integrales de membrana, caracterizadas por siete hlices a que atraviesan la membrana (fig. 15-10). Los segmentos transmembrana estn conectados entre s por asas extracelulares cortas sobre la superficie externa de la membrana, y asas intracelulares cortas sobre la superficie interna de la misma. Los dos receptores difieren entre s sobre todo en la estructura de la bolsa que se enlaza al ligando sobre la superficie extracelular del receptor, que es especfica para una u otra hormona. No slo los dos receptores son muy similares en cuanto a estructura; tambin lo son las protenas que transmiten la seal del receptor enlazado al ligando al efector de adenililciclasa. La transmisin de la seal del receptor al efector se logra mediante un tercer elemento del sistema de transduc-

\o

Lipasa de triglicridc (sntesis de lpidos Glucgeno sintasa (sntesis de glucgeno) Fosforilase cinasa

endoplsmico (sntesis de Cinasa\)

Fosforilasa (desintegracin del glucgeno] Ncleo (sntesis de DNA, diferenciacin, sntesis de RNA)

FIGURA 15-'. Ilustracin esquemtica de los diferentes procesos que se pueden afectar por los cambios de concentracin del AMPc. Todos estos efectos son mediados por la activacin de una o varias proteincinasas.

CAPITULO 15 Seales celulares: comunicacin entre las clulas y su ambiente CUADRO 15-2. Muestra de sustratos PKA conocidos Glucgeno sintasa muscular (la). Fosforilasa cinasa a Proteinfosfatasa-1 Piruvatocinasa CREE Tirosina hidroxilasa heptica Receptor 6 de acetilcolina Inhibidor-1 de la proteinfosfatasa Protena ribosmica S6 Troponina de corazn de conejo Hormona sensible a lipasa Fosfofructocinasa Miosincinasa de cadena ligera Fructosa bisfosfatasa Fosforilasa cinasa /3 Sintasa de glucgeno muscular Acetil CoA carboxilasa FUENTE: D.A. Walsh y S.M. van Patten, FASEB /. 8:1234, 1994.

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y adelante entre dos estados que dependen de las condiciones prevalecientes. La conexin funcional entre un receptor transmembrana de siete hlices y una protena G heterotrimrica parece ser un mecanismo universal mediante el cual un estmulo extracelular inicia la movilizacin de un segundo mensajero en clulas eucariotas. Se han identificado ms de 100 diferentes receptores acoplados a protena G en organismos que van desde levaduras hasta plantas y animales evolutivamente elevadas. Estos receptores responden a una variada disposicin de hormonas, neurotransmsores, f eromonas (sustancias qumicas transmitidas de un miembro a otro de una especie), odorantes (molculas detectadas por receptores olfatorios que despiertan el sentido del olfato), y fotones (los receptores de la retina que detectan la luz son miembros de esta misma familia de molculas receptoras). En el cuadro 15-3 se presenta una lista de algunos ligandos que operan por medio de esta va y los efectores a travs de los cuales actan. En todos los casos examinados hasta la fecha, la estimulacin de receptores acoplados a protenas G sigue una secuencia similar de elementos, segn se indica en la figura 15-11 y se describe a continuacin. 1. Activacin de la protena G por el receptor. El enlace de los ligandos a su receptor especfico provoca un cambio de conformacin del receptor que aumenta su actividad por la protena G. Esta es la nica funcin del ligando extracelular. Como resultado del cambio de conformacin, el receptor enlazado al ligando se enlaza a la protena G sobre la superficie interna de la membrana formando un complejo de protena G-receptor (paso 1, fig. 15-11). La interaccin entre el receptor y la protena G es mediada por varias asas intracelulares en la superficie interna del receptor. La interaccin con el receptor provoca que la subunidad a de la protena G libere su GDP enlazado y se enlace a un sustituto de GTP (paso 2), que cambia a la protena G para llevarla a su estado activo (fig. 15-12). Mientras se encuentre en su estado activado, un solo receptor puede activar a varias molculas sucesivas de protena G, lo que suministra el primer paso en la amplificacin de la va. 2., Transmisin de la seal de la protena G al efector. El intercambio de nucletidos de guanina modifica la conformacin de la subunidad Ga, lo que provoca su disociacin del receptor y de las otras dos subunidades de la protena G, las cuales permanecen juntas como un complejo G^ (paso 3, fig. 15-11). Cada subunidad Ga disociada (con su GTP fijo) est libre para activar una molcula efectora, como la adenililciclasa, que pone en operacin al sistema del segundo mensajero (paso 4).1 En tanto el complejo Ga-GTP permanezca enlazado a una molcula de adenililciclasa (de ordinario en cuestin de segundos), la enzima contina produciendo

todas ellas constan de tres subunidades distintas de polipptido, denominadas a,$jy. Esta propiedad las distingue de otro tipo de protena G que estudiaremos ms adelante en este captulo y que consta de una sola subunidad. Cada protena G puede existir en dos estados: un estado activo en el cual la subunidad a de la protena G se enlaza a una molcula de GTP o un estado inactivo en el cual la subunidad a se enlaza a una molcula de GDP. Como veremos en breve, las protenas heterotrimricas G alternan hacia atrs

Ligando Receptor |N.H2

Protena G FIGURA 15-10. Mecanismo enlazado a la membrana para la transduccin de seales por medio de un receptor transmembrana de siete hlices y la protena G heterotrimrica. Los receptores de este tipo, incluyendo los que se enlazan a epinefrina y glucagon, contienen siete hlices que atraviesan la membrana. Cuando se enlaza a su ligando, el receptor interacta con una protena G trimrica que a su vez sirve para activar a un efector, como la adenililciclasa.

1 Se conocen ejemplos en los cuales la subunidad a de la protena G inhibe la actividad del efector en vez de estimularla, pero estos casos no sern analizados.

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CAPITULO 15 Seales celulares: comunicacin entre las clulas y su ambiente CUADRO 15-3. Ejemplo de procesos fisiolgicos mediados por protena G Estmulo Epinefrina Serotonina Luz Complejos IgE-antgeno Pptido f-Met Acetilcolina Receptor Receptor /-adrenrgico Receptor a serotonna Rodopsina Receptor IgE de clulas cebadas Receptor quimiotctico Receptor muscarnico Efector Adenilil ciclasa Adeniiil ciclasa Fosfodiesterasa GMPc Fosfolipasa C Fosfolipasa C Canal de potasio Respuesta fisiolgica Desdoblamiento de glucgeno Conducta de sensibilizacin y aprendizaje en Aplisia Excitacin visual Secrecin Quimiotaxia Enlentecimiento de la actividad de marcapaso

Adaptado de L. Srryery H.R. Bourne, reproducido con permiso de Tlie Annual Reviews ofCell Biology, vol. 2, 1986 por Annual Reviews Inc.

molculas de AMPc (paso 5). Se cree que la subunidad formada por el complejo G^y acta independientemente de Ga activando otros efectores subsecuentes, y suministrando una va para transmitir seales adicionales hacia una clula especfica. 3. Las seales se retroalimentan a travs de la membrana. En algunos casos cuando menos, la disociacin de la subunidad Ga del receptor modifica la conformacin del mismo de modo que pierde su afinidad por el ligando, el cual se disocia de su sitio de enlace. Por lo tanto, el receptor no slo transmite una seal al interior del ligando de la protena G, sino que tambin recibe una seal que pasa hacia afuera de la protena G activada. 4. Fin de la respuesta. La subunidad Ga disociada tiene su propia actividad cataltica; acta como GTPasa, que hidroliza la GTP enlazada formando GDP enlazada (paso 6, fig. 15-11). Puesto que la hidrlisis del GTP suprime la capacidad de la subunidad para activar molculas efectoras adicionales, la subunidad a es por lo tanto capaz de inactivarse a s misma. Una vez que la GTP se hidroliza, el complejo Ga-GDP puede reasociarse a las subunidades G/y para reconstituir el complejo trimrico y retornar el sistema al estado de reposo (paso 7). La toxina del clera (producida por la bacteria Vibrio cholerae) ejerce su efecto modificando la subunidad Ga e inhibiendo su actividad GTPasa en las clulas del epitelio intestinal. Como resultado, las molculas de adenililciclasa permanecen en la modalidad activada, batiendo el AMPc, lo que provoca la secrecin de grandes volmenes de lquido intestinal al interior de la luz del intestino. La prdida de agua relacionada con esta respuesta inapropiada casi siempre provoca la muerte a causa de deshidratacin. En La perspectiva humana de este captulo se analizan los efectos de ciertas mutaciones en la funcin de receptores acoplados a protena G.Especificidad de las respuestas acopladas a protena G

Es evidente que una gran variedad de agentes, incluyendo hormonas, neurotransmisores y estmulos sensoriales, pueden usar mecanismos similares para transmitir informacin

a travs de la membrana plasmtica y desencadenar una gran diversidad de respuestas celulares. Por ejemplo, el AMP cclico puede producir respuestas totalmente diferentes en distintas clulas debido a que este segundo mensajero activa una proteincinasa capaz de fosforilar varios conjuntos de protenas presentes en distintos tipos de clulas. Tambin puede haber considerable especificidad en el "extremo delantero" de la va respecto de diferentes receptores y protenas G. Puede haber un receptor para un ligando determinado en diferentes versiones (soformas) que se cree tienen distinta afinidad con el ligando y tambin afinidad diversa para una protena G particular. Por ejemplo, los investigadores han identificado nueve isoformas del receptor adrenrgico (el receptor que enlaza epinefrina) y 15 isoformas del receptor para serotonina, un neurotransmisor potente liberado por las clulas nerviosas en determinadas porciones del cerebro que gobiernan las emociones. Las isoformas de un receptor pueden coexistir en la misma membrana plasmtica o a veces aparecen en las membranas de diferentes tipos de clulas especficas. Las protenas G heterotrimricas que transmiten seales de receptor a efector tambin pueden existir en mltiples formas. Cuando menos se han identificado 20 subunidades Ga, cinco subunidades G^ y siete subunidades Gy diferentes. Se supone que diversas combinaciones de subunidades especficas sirven para construir protenas G que muestran diferentes propiedades en sus reacciones, tanto con receptores como con efectores. Se puede demostrar, por ejemplo, que un solo receptor puede activar rns de una va de seales en la misma clula. El receptor /3-adrenrgico, por ejemplo, puede activar adenililciclasa y estimular la abertura de canales de Ca2+, lo que conduce a un estado fisiolgico en el cual se pueden producir respuestas por AMPc y Ca2+ activados. Como se mencion en la nota al pie de la pgina 635, algunas protenas G actan inhibiendo a sus efectores. Que una protena G sea estimuladora (protena Gs) o inhibidora (protena G) depende de la naturaleza de la subunidad alfa. El mismo estmulo puede activar una protena G en una clula y una protena Gs en otra clula. Por ejemplo, cuando la epinefrina se enlaza a un receptor /-adrenrgico sobre una clula heptica, activa una protena Gs, que est-

CAPITULO 15 Seales celulares: comunicacin entre as clulas y su ambiente -Ligando

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FIGURA 15-11. Mecanismo de activacin (o inhibicin) mediado por receptor de los efectores a travs de protenas G heterotrimricas. En el paso 1, el ligando se enlaza al receptor alterando su conformacin e incrementando su afinidad por la protena G a la cual se enlaza. En el paso 2, la subunidad G intercambia GDP por GTP. En el paso 3, la subunidad G(, se disocia del complejo G^y. En el paso 4, la subunidad Ga se enlaza a! efector {en este caso, la adenililciclasa) activando el efector. En el paso 5, la adenlilciclasa produce AMPc. En el paso 6, la actividad GTPasa de Ga hidroliza el GTP enlazado, desactivando a Ga. En el paso 7, Ga se vuelve a asociar a G^, reconstituyendo la protena G trimrica, y el efector cesa su actividad.

mua la produccin de AMPc. Por lo contrario, cuando la epinefrina se enlaza a un receptor c-adrenrgico sobre una clula de msculo liso, se activa una protena G que inhibe la produccin de AMPc. Otros segundos mensajeros El AMPc fue el primer segundo mensajero que se descubri, y todava se estn descubriendo las respuestas que desencadena. Algunas otras vas para transduccin de seales pueden ser activadas por receptores acoplados a protena G. En las siguientes secciones exploraremos unos pocos ejemplos. Fosfatidilinositol derivado de segundos mensajeros Cuando el neurotransmisor acetilcolina se enlaza a superficies de una clula de msculo liso que reviste un vaso sanguneo, estimula a dicha clula muscular a contraerse estrechando el dimetro del vaso. Cuando un antgeno extrao se enlaza a la superficie de una clula cebada, estimula a la clula a secretar histamina, una sustancia que puede desen-

GDP

o

FIGURA 15-12. Modelo para el cambio de conformacin de una protena G que estimula el intercambio GDP-GTP. En este modelo, el enlace del receptor a la subunidad a tic la protena G afloja la red solidaria de enlaces hidrgeno (crculos amarillos), provocando que el dominio helicoidal (verde) gire alejndose del sitio de enlace del nucletido guanina y permitiendo el libre intercambio de GDP por GTP. (Segn H.R. Bourne, reimpreso con permiso de Nature vol. 366, p, 628, 1993, copyright 1993, MacmiHan Magazines Limited.)

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CAPITULO 15 Seales celulares: comunicacin entre ias clulas y su ambiente

LA PERSPECTIVA

HUMANA

Trastornos relacionados con receptores acoplados a protena GAlgunos de los mensajeros qumicos ms importantes del cuerpo, como epinefrina, hormona adrenocorticotrpica (ACTH) y las gonadotropinas, hacen sentir su presencia en el cuerpo al enlazarse a receptores que transmiten seales por medio de protenas G heterotrimricas. Algunos de los componentes en la va de sealamiento, como el propio receptor, slo participan en la respuesta a esta hormona particular, en tanto que otros componentes de la cadena, como la adenilciclasa, tal vez participen en las respuestas de clulas a muchos diferentes estmulos extracelulares. Por consiguiente, las mutaciones que afectan gravemente la actividad de las protenas, como la adenililciclasa, sera de esperar que sus efectos se propaguen ampliamente sobre las funciones corporales, efectos que pueden producir la muerte durante el desarrollo embrionario fetal. Por lo contrario/ las mutaciones que producen receptores defectuosos causaran trastornos con una gama ms estrecha de anomalas. En los ltimos aos, algunas enfermedades hereditarias se han atribuido a defectos en receptores de la superficie celular (fig. PH15-1) o def ectos en sus protenas G (cuadro PH 15-1). La diabetes inspida nefrgena congnita (DINC) es una rara enfermedad hereditaria en la cual los lactantes sufren deshidratacin grave como resultado de la incapacidad de sus riones para producir orina concentrada. Si no se diagnostica oportunamente, la deshidratacin crnica puede producir retraso mental, desarrollo inadecuado e incluso la muerte. La enfermedad se debe a la incapacidad de las clulas del rion para responder a la hormona vasopresina (hormona antidiurtica). Numerosos estudios en lactantes con esta enfermedad indican que se puede originar a partir de anomalas en los receptores de vasopresina. En la mayor parte de estos casos, el polipptido es anormalmente corto como resultado de una mutacin que introduce un codn para detener la sntesis de polipptido en el RNAm provocando la terminacin prematura de dicha sntesis (pg. 475). Una de las mutaciones estudiadas provoca cambio de un aminocidos situado en la unin entre el tercer segmento transmembrana y la segunda asa intracelular del receptor de siete hlices (sitio 4, fig. PH 15-1). Aunque este receptor todava puede enlazarse a la vasopresina en la superficie externa, la superficie interna del receptor es incapaz de activar la protena G y por lo tanto no puede pasar la seal hacia el efector. Una mutacin que provoca prcticamente el efecto opuesto sobre la interaccin entre receptor y protena G causa un tumor tiroideo benigno llamado adenoma. A diferencia de las clulas normales de tiroides que secretan hormona tiroidea slo en respuesta a la estimulacin por la hormona hipofisaria TSH, las clulas de estos adenomas tiroideos secretan grandes cantidades de hormona tiroidea sin ser estimuladas por TSH (se dice que el receptor acta constitutivamente). Los estudios indican que en el receptor de TSH de estas clulas hay sustitucin

NHc

Extra celular

COOH FIGURA PH 15-1. Representacin bidimensional de siete receptores transmembrana "compuestos" que muestran los sitios aproximados de varias mutaciones causantes de enfermedades humanas. La mayor parte de las mutaciones (nmeros 1, 2, 5, 6, 7 y 8) dan como resultado la estimulacin constitutiva del efector, pero otras (3 y 4) bloquean la capacidad del receptor para estimular el efector. Las mutaciones en los sitios 1 y 2 se observan en el receptor de MSH (hormona estimuladora de melanoctos), sitio 3 en el receptor de ACTH, sitio 4 en el receptor de vasopresina, 5 y 6 en el receptor de TSH (hormona estimuladora de tiroides), 7 en el receptor de LH (hormona luteinizante) y 8 en la rodopsina, el pigmento fotosensible de la retina.


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de aminocidos que afectan la estructura de la tercera asa de la protena (fig. PH 15-1, mutaciones en el sitio 5 o 6). Como resultado de la mutacin, el receptor de TSH activa constitutivamente una protena G en su superficie interna y enva una seal continua a travs de la va que no slo provoca secrecin excesiva de hormona tiroidea, sino tambin crecimiento y divisin excesiva de la clula que causa el tumor. Esta conclusin se comprob introduciendo el gen mutante en clulas cultivadas que normalmente carecen de este receptor y demostrando que la sntesis de la protena mutante y su incorporacin a la membrana plasmtica conduce a la produccin continua de AMPc en clulas manipuladas genticamente. La mutacin que provoca los adenomas tiroideos no se observa en la

porcin normal de la glndula tiroides del paciente, sino slo en el sitio tumoral, lo que indica que la mutacin no es hereditaria sino que se origin en alguna clula tiroidea, la cual prolifera para dar lugar al tumor. Una mutacin en una clula del cuerpo, como una clula tiroidea, se denomina mutacin somtica, para distinguirla de una mutacin hereditaria que ocurre en todas las clulas individuales. Como veremos en el captulo 16, las mutaciones somticas son causa primaria de cncer humano. En el cuadro PH 15-1 se hace notar que las mutaciones en genes que codifican las subunidades de las protenas G heterotrimricas tambin pueden conducir a trastornos hereditarios, como se ilustra en un trabajo recientemente publicado acerca de dos pacientes varones afectados de una combinacin rara

CUADRO PH 15-1. Enfermedades humanas vinculadas con la va de la protena GEnfermedad Protena G defectuosa"

Osteodistrofia hereditaria de Albright y seudohipoparatiroidismo Sndrome de McCune-Albright Tumores hpofisarios y tiroideos (encogen gsp) Tumores ovricos adrenocorticales {oncogen gip) Pubertad precoz mixta y seudohipoparatiroidismoEnfermedad Receptor de protena C defectuoso

Hipercalcemia hipocalcirica familiar Hiperparatiroidismo grave neonatal Hipertiroidismo (adenoma tiroideo) Pubertad precoz masculina familiar Diabetes nefrgena inspida vinculada al cromosoma X Retinitis pigmentaria Ceguera a los colores, variaciones en la sensibilidad al espectro de luz Deficiencia familiar de glucocorticoides y deficiencia aisiada de glucocorticoides

Receptor humano anlogo de BoPCARl Receptor humano anlogo de BoPCARl (homocigoto) Receptor de tirotropina Receptor de hormona luteinizante (LH) Receptor de vasopresina V2 Receptor de rodopsina Receptor de opsina fusiforme Receptor de hormona adrenocorticotrpica (ACTH)

* Segn se describe en el texto, una protena G con G^ acta para estimular el efector, en tanto que una protena G con una G\ inhibe al efector. FUENTE: D.E. Clapham, reimpreso con permiso de Nature, vol. 371, p. 109, 1994. Copyright 1994 por Macmillan Magazines Limited.

de enfermedad endocrina: pubertad precoz e hipoparatiroidismo. Se observ que ambos pacientes tienen una sola sustitucin de un aminocido en una de las isoformas Ga. La alteracin en la secuencia de aminocidos caus dos efectos en la protena G de la cual forman parte. A temperaturas por debajo de la temperatura normal del cuerpo, la protena G mutante permaneci en estado activo, aun en ausencia de un ligando enlazado. En contraste, a la temperatura normal del cuerpo, la protena G mutante se mostr inactiva, tanto en presencia como en ausencia de un ligando enlazado. Los testculos, que se encuentran alojados fuera del centro del cuerpo, tienen temperatura menor que los rganos viscerales del cuerpo (33C en comparacin a 37C). En condiciones normales, las clulas endocrinas de los testculos inician la produccin de testosterona en el momento de la pubertad como respuesta a la hormona'hipofisaria LH, que se comienza a producir en ese momento. La LH circulante se enlaza a los receptores LH situados en la superficie de las clulas testiculares, y desencadena la sntesis de AMPc y la produccin subsecuente de la hormona sexual masculina. Las clulas testiculares del paciente portadoras de la mutacin de la protena G fueron estimuladas para sintetizar AMPc en ausencia del ligando LH, provocando la sntesis prematura de testosterona y pubertad precoz. En contraste, la mutacin en la subunidad Ga de las clulas de las glndulas paratiroides, que funcionan a una temperatura de 37C, inactivo a la protena G. Como resultado, las clulas de la glndula paratiroides no respondieron a los estmulos que normalmente causaran la secrecin de hormona paratiroidea, lo que condujo a la enfermedad hipoparatiroidismo. El hecho de que la mayor parte de los rganos del cuerpo funcionan de manera normal sugiere que esta subunidad Ga particular no es esencial en la actividad de la mayor parte de las otras clulas.

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cadenar los sntomas de un ataque de alergia. Ambas respuestas, una que produce secrecin y la otra contraccin, son desencadenadas por el mismo mensajero celular, una sustancia derivada del compuesto fosfatidilinositol. Recordemos del captulo 4 que el fosfatidilinositol (PI) es uno de los componentes menores de la membrana celular (fig. 4-22). El fosfatidilinositol no slo es un componente estructural de la bicapa de lpidos, sino tambin es precursor de algunas molculas reguladoras claves cuyas estructuras se muestran en la figura 15-13. La adicin de un solo grupo fosfato al inositol del azcar de PI genera PI 4-fosfato (PIP), que se puede fosforilar una segunda vez para formar PI 4,5-difosfato (PIPz) (pasos 1 y 2, fig. 15-13). Cuando la acetilcolina se enlaza a una clula de msculo liso o un antgeno se enlaza a una clula cebada, el receptor enlazado activa una protena G heterotrimrica (paso 3), que a su vez activa al receptor fosfolipasa C, el cual (igual que la adenililciclasa) se sita en la superficie interna de la membrana (fig. 15-13).2 La fosfolipasa C es una enzima que cataliza una reaccin para separar PI?2 en dos molculas, inositol 1,4,5-trfosfato (IP^) y diacilglicerol (DAG) (paso 4); ambas reacciones desempean papeles importantes como segundos mensajeros en las seales celulares. Examinaremos cada uno de estos segundos mensajeros por separado.

2 La fosfolipasa C activada por las protenas G se identifica como PLQ3, para distinguirla de una isoforma llamada PLCy, activada por un receptor de tirosincinasa (pg. 672). Ambas formas catalizan la misma reaccin pero muestran diferentes propiedades.

Diacilglicerol (DAG). El diacilglicerol (fig. 15-13) es una molcula lpida que permanece en la membrana plasmtica despus de ser sintetizada por fosfolipasa C. All activa a un efector, llamado proteincinasa C (fig. 15-14), que fosforila residuos de serina y treonina sobre las protenas especficas. La proteincinasa C es en realidad miembro de una familia de enzimas relacionadas, algunas de las cuales son activadas slo por segundos mensajeros lpidos, como el DAG, en tanto que otras requieren la presencia simultnea de iones Ca2+ (de all la C en el nombre de la enzima) como coactivador. Igual que la proteincinasa A (la enzima activada por el AMPc), la proteincinasa C es una cinasa multifuncional, y serina y treonina son capaces de fosforilar a una gran variedad de protenas. La proteincinasa C tiene varios papeles importantes en el crecimiento y diferenciacin celular, el metabolismo celular y la activacin de transcripcin, la mayor parte de las cuales todava no son bien comprendidas (cuadro 15-4). En clulas hepticas, la proteincinasa C acta de manera sinrgica con la proteincinasa A; ambas cinasas fosforilan la glucgeno sintasa inhibiendo la actividad de esta enzima polimerizadora de glucosa. En mioblastos, o sea, clulas embrionarias que darn lugar a clulas musculares, la activacin de la proteincinasa C conduce a la fosforilacin de la protena miogenina, factor de transcripcin que desempea un papel clave en la diferenciacin de la clula muscular (fig. 12-41). La fosforilacin de miogenina inhibe su capacidad para enlazarse a DNA, y por lo tanto impide la diferenciacin de las clulas en fibras musculares. La aparente importancia de la proteincinasa C en el control del crecimiento se observa en estudios con un grupo de compuestos potentes de plantas llamados esteres deforbol.

Ligando

DAG

F1GUKA 15-13. Generacin de segundos mensajeros como resultado de la desintegracin inducida por ligando del osfatidilinocitol (PI) en la bicapa de lpidos. En los pasos 1 y 2 se aaden grupos osto al osfatidilinocitol (PI) para formar PIPj. Cuando el receptor recibe un estmulo, el receptor enlazado al gando activa una protena G heterotrimrica (paso 3), que activa la enzima fosfolipasa C fPLC), que cataliza la reaccin en la cual PI?2 se separa en diacilglicerol (DAG) y 1,4,5-trifosfato de inositol (1P3) (paso 4}. El 1P3 difunde al interior del citoplasma (paso 5) donde se enlaza a un receptor IPj en la membrana del retculo endoplsmico liso (paso 6), que tambin es un canal de Ca2+. El enlace de IP^ a su receptor conduce a la liberacin de iones calcio dentro del citoplasma (paso 7). En la siguiente figura se muestra la accin de diacilglicerol.

Receptor IP3

RE liso

o o

CAPITULO 15 Seales celulares: comunicacin entre as clulas y su ambiente

641

Inactiva

Membrana Sustrato

Activa FIGURA 15-14. Modelo de la activacin de una proteincinasa C (PKC). En este modelo, la molcula PKC consta de varios dominios, incluyendo un dominio cataltico (C), un dominio regulador (R), una bolsa para enlazar sustrato (S) que constituye el sitio activo, y un motivo seudosustrato (P) que consta de una parte de la protena que puede adaptarse sobre el sitio activo. En la parte de arriba se muestra la molcula PKC en el estado inactivo, en el cual P se une a S, impidiendo el acceso al verdadero sustrato. Cuando DAG es activado por lpidos, Ca2+ o ambos, la molcula sufre un cambio de conformacin (abajo) que permite el acceso al sustrato del sitio activo de la enzima. (Segn L.V. Dekkery P.J. Parker, Trends in Biochem. Sci. 19:73, 1994.)

tran un fenotipo maligno permanente en cultivo de clulas y son capaces de producir tumores en ratones susceptibles. 1,4,5-trifosfato de inositol (IP3). El 1,4,5-trifosfato de inositol (IPs) es un azcar fosfato, una pequea molcula hidrosoluble capaz de difundir con rapidez. Las molculas I?3 formadas en la membrana difunden hacia el interior del citoplasma (paso 5, fig. 15-13) y se enlazan a un receptor IPa especfico localizado en la superficie del retculo endoplsmico Uso (paso 6, fig. 15-13). En la pgina 281, se hizo notar que el REL es un sitio de almacenamiento de calcio en varias clulas. Su receptor IPs es ms que un receptor; tambin es un canal tetramrico de Ca2+. El enlace de IP3 abre el canal y permite difundir a los iones Ca2+ hacia el citoplasma (paso 7, fig. 15-13). Los iones Ca2+ tambin se pueden considerar como mensajeros celulares, puesto que difunden al citoplasma y se enlazan a diferentes molculas especficas desencadenando respuestas especficas. En los dos ejemplos mencionados antes, tanto la contraccin de una clula de msculo liso como la exocitoss de granulos secretorios que contienen histamina en una clula cebada son desencadenados por concentracin elevada de calcio. Igual es la respuesta de una clula heptica a la hormona vasopresina (la misma hormona con actividad antidiurtica en el rion). La vasopresina se-une a su receptor a nivel de la superficie celular y genera una serie de descargas de liberacin de Ca2+ mediada por IPs, que aparecen como oscilaciones de la concentracin de calcio libre ert el registro mostrado en la figura 15-15. El efecto de IPs de ordinario es transitorio debido a su rpida inactivacin por medio de enzimas. En el cuadro 15-5 se presenta una lista de algunas respuestas mediadas por TP$.Ms acerca del calcio

Estos compuestos activan la proteincinasa C en varias clulas normales cultivadas, lo que provoca prdida de control del crecimiento y comportamiento transitorio como clulas malignas. Cuando se elimina el ster de forbol del medio, las clulas recuperan sus propiedades de crecimiento normal. En contraste, las clulas manipuladas genticamente para expresar en forma constitutiva la proteincinasa C mues-

CUAURO 1 5-4. Ejemplos de respuesta mediada por proteincinasa C Tejido Plaquetas sanguneas Clulas cebadas Mdula suprarrenal Pncreas Clulas de la hipfisis Tiroides Testculos Neuronas Msculo liso Hgado Tejido adiposo Respuesta Liberacin de serotonina Liberacin de histamina Secrecin de epinefrina Secrecin de insulina Secrecin de GH y LH Secrecin de calcitonina Sntesis de testosterona Liberacin de dopa mina Incremento de la contractilidad Hidrlisis de glucgeno Sntesis de grasa

FUENTE: U. Kikkawa y Y. Nishzuka, reproducido con permiso de Amiital Review ofCell Biology, vol 2, 1986 por Annual Revicws Inc.

Los iones calcio desempean un papel clave en una notable variedad de actividades celulares importantes, incluyendo divisin celular, secrecin, endocitosis, fertilizacin, transmisin sinptica, metabolismo y movimiento celular. Se han desarrollado tcnicas de imgenes computadorizadas que emplean colorantes fluorescentes que se enlazan a calcio para revelar la concentracin de iones libres de calcio en diferentes partes de una clula en distintos momentos. Estas tcnicas suministran imgenes espectaculares de los cambios de concentracin del calcio citoplsmico libre que ocurre en respuesta a diferentes tipos de estmulo. Dependiendo del tipo de clula, un estmulo particular puede inducir oscilaciones en la concentracin de iones libres de calcio, segn se muestra en la figura 15-15, producir una onda de liberacin de Ca2+ que se puede propagar desde un extremo de la clula al otro, o desencadenar liberacin transitoria localizada de Ca2+ en una parte de la clula. La figura 15-16 muestra el espectacular incremento transitorio de la concentracin de iones calcio en ciertas partes de una clula fagocitaria sangunea cuando se pone en contacto con un objeto en su ambiente y se mueve para engullirlo. El incremento de [Ca2+] en el fagocito tal vez refleje su papel en la regulacin de los cambios en la actividad del citoesqueleto necesarios para la fagocitosis. Aunque el ion calcio es muy diferente en estructura a un nucletido cclico o un fosfato de inositol y no es una sustancia sintetizada enzimticamente, comparte una propiedad importante con estos otros mensajeros citoplsmi-

642

CAPITULO 15 Seales celulares: comunicacin entre las clulas y su ambiente 0.4 nM de vasopresina (a)

600

400

(C)

200

10

20

30

Tiempo (minutos) FIGURA 15-15. Demostracin experimental de cambios en la concentracin de calcio libre en respuesta a la estimulacin hormonal. A una clula heptica se le inyect aecuorina, protena extrada de ciertas medusas que muestran luminiscencia cuando se enlazan a iones calcio. La intensidad de la luminiscencia es proporcional a la concentracin de iones calcio libres. La exposicin de la clula a vasopresina provoca varias ondas de calcio libre a intervalos peridicos. Esta respuesta se obtuvo en una clula expuesta a 0.4 nM de vasopresina, que se encuentra en el extremo inferior del lmite fisiolgico. Esta clula previamente se haba expuesto a 0.2 nM de vasopresina y no hubo respuesta. (Segn NM. Woods, K.S. Cuthbertson y P.H. Cobboid. Reimpreso con permiso de Nature, val 366, p. 628, 1986. Copyright 1986, Macmilan Magazines Limited.)

(e)

5jin FIGURA 15-16. Demostracin experimental de los cambios transitorios en la concentracin de calcio intracelular en un macrfago durante la fagocitosis de una sola esterilla recubierta de IgG. Los macrfagos fueron cargados previamente con un colorante fluorescente sensible a calcio y luego incubados con las esfrulas recubiertas de IgG. a) Se muestra un macrfago en una imagen de campo brillante luego de enlazarse a una sola esfrula, y b) la correspondiente imagen con fluorescencia revela la [Ca2+] en diferentes regiones de la clula. Luego de 66.6 segundos, la esfrula enlazada permanece en el mismo sitio y el mismo foco (c), pero la [Ca2+] se eleva hasta un valor mximo (d); la [Ca2+] retorna posteriormente a un nivel cercano a la basal (/) y las esfrulas se mueven al interior de las clulas. La flecha indica el sitio de la esfrula. (Segn Takashi Hishikawa y cois. ]. Cell Biol. 115:62, 1991; con permiso de Rockefeller University Press.)

eos; a saber, su concentracin en el citoplasma es determinada por acontecimientos que ocurren dentro de una membrana. En circunstancias normales, la concentracin de Ca2+~ se mantiene a niveles muy bajos dentro del citoplasma, tpicamente alrededor de 10~7 M. En contraste, la concentracin de este ion en el espacio extracelular o entre ciertos organelos citoplsmicos, como el REL o las mitocondrias, puede ser

CUADRO 15-5. Resumen de respuestas celulares producidas por adicin de IPs a clulas permeabilizadas o ntegras Tipo de clula Msculo liso vascular Msculo liso del estmago Msculo esqueltico Moho del fango Plaquetas sanguneas Bastoncillos de salamandra Gocitos de Xenopus Huevos de erizo de mar Glndula lagrimal Respuesta Contraccin Contraccin Contraccin Formacin de GMP cclico, polimerizacin de actina Cambio de forma, agregacin Modulacin de la respuesta a la luz Movilizacin de calcio, despolarizacin de la membrana Despolarizacin de la membrana, reaccin cortical Incremento de la corriente de potasio

Adaptado de MJ. Berridge, reproducido con permiso de Annua! Rcview of Biochemistry, vol. 56, 1987 por Annual Reviews Inc.

ms de 10 000 veces mayor. La concentracin citoplsmica de calcio se mantiene muy baja debido a la relativa impermeabilidad de las membranas a este ion y gracias a la presencia en la membrana plasmtica y las membranas celulares de un sistema de transporte que bombea calcio hacia afuera del citoplasma. Muchos estmulos diferentes, que van desde un espermatozoide fertilizante hasta un impulso nervioso que llega a la clula muscular, inducen su respuesta en una clula especfica, lo que provoca un incremento sbito de la concentracin de Ca2+ er el citoplasma. En el cuadro 15-6 se muestran algunos objetivos especficos del [Ca2+] elevado. Algunas de las respuestas inducidas por calcio son mediadas por el segundo mensajero IPs, pero se conocen diversos factores que abren transitoriamente los canales de calcio en el REL o en la membrana plasmtica.

CAPITULO 15 Seales celulares: comunicacin entre las clulas y su ambiente CUADRO 15-6. Ejemplos de protenas de mamfero desencadenadas por Ca2+Protena Funcin de a protena

643

Troponina C Calmodulina Calretinina, retinina, vicinina Calcineurina B Calpain PLC especfica de inositol fosfolpido cr-Actinina Anexina Fosfolipasa A2 Proteincinasa C Gelsolina Receptor I?3 Receptor de rianodina Intercambiador de Na+Ca 2+ Ca2+ ATPasa Antiportadores de Ca2+ Caldesmon Vilina Arrestina Calsecuestrina

Modulador de la contraccin muscular Modulador ubicuo de proteincinasas y otras enzimas (MLCK, CaM cinasa I!, adenilciclasa I) Activador de guanililciclasa Fosfatasa Proteasa Generador de IPs y diacilglicerol Protena formadora de haces de actina Implicada en endocitosis y exocitosis, inhibicin de PLA^ canal inico? Productor de cido araquidnico Proteincinasa ubicua Protena seccionadora de actina Efector de liberacin de Ca2+ intracelular Efector de liberacin de Ca2+ intracelular Efector del intercambio de Ca2+ para Na2+ a travs de la membrana plasmtica Bombeo de Ca2+ a travs de las membranas Intercambiador de Ca2+ para iones monovalentes Regulador de la contraccin muscular Organizador de actina Finalizador de la respuesta fotorreceptora Amortiguador Ca2+

Adaptado de D.E. Clapham, CeU. 80:260, 1995, con permiso de Cell Press.

Los receptores lP- pertenecen a uno de dos tipos principales de canales intracelulares para Ca2+; a los otros se les denomina receptores de rianodina porque son sensibles al alcaloide vegetal rianodina. Los receptores de rianodina se observan principalmente en clulas excitables y son mejor estudiados en clulas de msculo esqueltico, donde se encargan de la liberacin de Ca2+ del retculo sarcoplsmico luego de la llegada de un potencial de accin a lo largo del tbulo T (pg. 365). Segn el tipo de clula, una variedad de agentes puede abrir los receptores de rianodina, pero al parecer no por IPs- Entre los agentes que pueden abrir los canales de Ca2+ de rianodina se encuentra el propio calcio. El flujo hacia adentro de una cantidad limitada de calcio a travs de los canales en la membrana plasmtica induce la abertura de los receptores de rianodina en el REL, lo que provoca la liberacin de Ca2+ hacia el citoplasma (fig. 15-17). Este fenmeno, denominado liberacin de calcio inducida por calcio, puede generar con rapidez una onda transitoria de iones calcio que se propaga a travs del citoplasma.FIGURA 15-17. Liberacin de calcio inducida por calcio, la cual ocurre en clulas excitables como las del msculo cardiaco. Un cambio del voltaje de la membrana provoca la abertura de los canales de calcio gobernados por voltaje en la membrana plasmtica, lo que permite la entrada de una pequea cantidad de Ca2+ (paso 1). Los iones calcio se enlazan al receptor de rianodina en la membrana de! REL (paso 2), provocando la liberacin del calcio almacenado (paso 3). A continuacin los iones calcio se liberan del citoplasma por accin de una bomba de Ca2+ localizada en la membrana del REL (paso 4). (Segn MJ. Berridge, reimpreso con permiso de Nature, vol. 361, p. 317, 1993. Copyright 1993, Macmillan Magazines Limited.)

Canal Ca+ controlado por voltaje

Receptor de rianodina o o

Bomba de Ca2+

644


La elevacin de la concentracin del ion calcio es transitoria porque los iones rpidamente son bombeados hacia afuera del citoplasma y regresan al REL o al exterior de la clula en el espacio extracelular. Una de las ondas ms espectaculares de Ca2+ ocurre antes del primer minuto, aproximadamente, despus de la fertilizacin y es indicada por el contacto del espermatozoide con la membrana plasmtica del vulo (fig. 15-18). La sbita elevacin de la concentracin de calcio en el citoplasma es un importante factor desencadenante para iniciar procesos del desarrollo embrionario temprano, incluyendo activacin de cinasas dependiente de ciclinas (pg. 583) que impulsan al huevo fertilizado hacia su primera divisin mittica. Se cree que esta onda de calcio se inicia por la sntesis en la superficie interna de la membrana celular de un segundo mensajero denominado ADPRc (ribosa de difosfato de adenosina cclica, figura 15-19, a). Las molculas ADPRc se difunden al citoplasma donde provocan la abertura de los canales de Ca2+ receptores de rianodina en la membrana del retculo endoplsmico Uso. La inyeccin de cantidades muy pequeas de ADPRc a un huevo no fertilizado de erizo de mar puede desencadenar la liberacin de Ca2+ de los almacenes de la membrana (fig. 15-19, b) con activacin completa del vulo. Se ha considerado al ADPRc como un segundo mensajero que abre los canales de Ca2+ de rianodina en una gran variedad de clulas, incluyendo clulas beta pancreticas, donde produce secrecin de la hormona insulina en respuesta a la elevacin de la concentracin de glucosa en sangre. A diferencia de los nucletidos cclicos, cuya accin invariablemente es mediada por estimulacin de una pro-

teincinasa, el calcio puede afectar a diversos tipos de efectores celulares, entre ellos a proteincinasas dependientes de calcio. Segn la clula, la concentracin elevada de calcio puede producir activacin o inhibicin de varias enzimas y sistemas de transporte, cambios en la permeabilidad inica de membranas, fusin de membranas y alteraciones en la funcin contrctil del citoesqueleto. En estado inico libre, el calcio de ordinario no acta sobre estos diferentes efectores, sino que se enlaza a un pequeo nmero de protenas que se enlazan a calcio, que a su vez despiertan la respuesta celular. Slo una de estas protenas que se enlazan a calcio est extensamente distribuida; es la calmodulina, un pequeo polipptido descubierto en tejido cerebral a finales de los aos 1960. Cada molcula de calmodulina (fig. 15-20, a) contiene cuatro sitios de enlace para calcio; el enlace de uno o ms iones Ca2+ modifica la conformacin de la protena incrementando su afinidad por muchas otras protenas. Segn la clula, el complejo calcio-calmodulina puede unirse a una proteincinasa, una nucletido fosfodiesterasa cclica, o incluso al sistema de transporte de calcio de la membrana plasmtica. En este ltimo caso, la concentracin elevada de calcio activa al sistema encargado de desembarazar a la clula de cantidades excesivas de este ion, constituyendo as un mecanismo autorregulador para conservar baja la concentracin de calcio intracelular. La calmodulina se encuentra en todas las plantas, animales y microorganismos eucarotas, y prcticamente tiene la misma secuencia de aminocidos en toda la gama de eucariotes. En la figura 15-20, b, se muestra la distribucin de calmodulina en el ojo compuesto de la mosca de la fruta.

FIGURA 15-18. Onda de calcio en el vulo de una estrella de mar inducida por un espermatozoide fertilizante. Se inyect un colorante fluorescente sensible a calcio en el vulo no fertilizado y en el vulo fertilizado, y se tomaron fotografas cada cinco segundos con un microscopio confocal. La liberacin de Caz+ se propaga desde el punto de entrada del espermatozoide (flecha) a travs de todo el vulo. El color azul indica concentracin baja [Ca2+] libre, en tanto que el color rojo indica concentracin elevada de calcio. (Cortesa de Stephen A. Stricker.)

15 nm

CAPITULO 15 Seales celulares: comunicacin entre las clulas \j su ambiente

645

ADP-ribosil cJclasa

p

HO NAD

OH

wHO

OH

(a)

ADP-rbosa cclica

(b)

FIGURA 15-19. La ADP-ribosa cclica tal vez sea un segundo mensajero para despertar la respuesta de fertilizacin, a) Formacin de ADPRc a partir de NAD + . b) Este huevo de erizo de mar fue cargado previamente con colorante sensible a calcio y luego se le aplic una microinyeccin de una solucin de ADPRc. El cambio de color dentro del huevo refleja elevacin de la concentracin de calcio intracelular desde 100 nM (azul y verde) hasta 900 nM (rojo y amarillo) luego de la inyeccin, (b: Reimpreso con permiso de Antony Galione, Science 259:325, 1993; copyright 1993 American Association for the Aduancement of Science.)

Regulacin de la concentracin de calcio en clulas vegetales Se cree que los iones calcio (que actan junto con la calmodulina) son segundos mensajeros importantes para desen-

C terminal

cadenar respuestas en clulas vegetales. La concentracin de calcio citoplsmico cambia de manera espectacular en ciertas clulas vegetales en respuesta a varios estmulos, incluyendo cambios de la iluminacin, presin, gravedad y la concentracin de hormonas de la planta, como el cido abscsico. La concentracin de Ca2+ en el citoplasma es regulada por la permeabilidad de los canales de Ca2+ localizados en la membrana plasmtica y tambin por la disponibilidad del Ca2+ almacenado en la vacuola. Se cree que la membrana (tonoplasto) que rodea la vacuola posee canales de Ca2+ que, igual que en las clulas animales, son abiertos por molculas de trifosfato de inositol (IPs) producidas por una fosfolipasa C enlazada a la membrana plasmtica. El papel de la concentracin cambiante de Ca2+ citoplsmico se puede observar ms claramente en las clulas de defensa, cuya funcin es regular el dimetro de los poros microscpicos (estomas) a travs de los cuales el C2 atmosfrico alcanza las clulas de las hojas que contienen cloroplastos (fig. 15-21, a). Como se analiza en la pgina 228, los estomas son la va principal para perder agua, y se debe controjar su dimetro de abertura para evitar la desecacin.

.* f

- ' -/^

-

- --

-1*

FIGURA 15-2D Calmodulina. a) Diagrama de la calmodulina en forma de listn con cuatro iones calcio enlazados, b) El ojo compuesto de Drosophila consta de cientos de fotounidades individuales llamadas ommatidia. Cada ommatidia contiene ocho clulas fotorreceptoras. Seis de las ocho clulas fotorreceptoras se extienden a toda la profundidad de la ommatidia, en tanto que las otras dos ocupan las porciones superior o inferior de una ommatidia; por consiguiente, slo siete clulas fotorreceptoras estn presentes en cualquier seccin transversal determinada (izquierda). La distribucin espacial de la protena calmodulina enlazada a calcio es revelada por inmunofluorescencia (derecha) y se observa que ocupa una parte de cada uno de los fotorreceptores. (b: Reimpreso con permiso de feffrey A. Portcr y cois., cortesa de Craig Montell, Science 262:1039, 1993; copyright 1993 American Association for the Advancement of Science.)

646

CAPITULO 15 Seaks celulares: comunicacin entre las clulas y su ambiente

Clula guardin AHjO

H?0

Cierre del poro del estomaHjO

H,0Membrana plasmticaABA

\l de flujoCanal de flujo hacia adentro de K+ (cerrado)

hacia afuera de K+ (abierto)

Tonoplasto

Vacuola FIGURA 15-21. Papel del calcio como segundo mensajero en el cierre de las clulas guardianes, a) Fotografa de los poros estomquicos, cada uno flanqueado por un par de clulas guardin. Los estomas se conservan abiertos en tanto la presin por turgencia se mantenga elevada entre las clulas guardianes, provocando que sobresalgan hacia afuera, como se observa aqu, b) Uno de los factores que controla el tamao del poro de los estomas es la hormona cido abscsico (ABA). Cuando la concentracin de ABA se eleva, los canales de ion calcio en la membrana plasmtica se abren, permitiendo el ingreso de Ca2+ (paso 1), que desencadena la liberacin de Ca2+ de los almacenes internos (paso 2). La subsecuente elevacin de [Ca2+] intracelular provoca el cierre de los canales de flujo hacia adentro de K+ (paso 3a) y la abertura de Jos canales de flujo hacia afuera de K + (paso 3b), lo que conduce a un descenso de la concentracin interna del soluto y la prdida de agua por osmosis (paso 4). (a: Jeremy Burgess/Photo Researchers.)

Condiciones adversas, como temperaturas altas y escasa humedad, estimulan la liberacin de cido abscsico, que acta sobre las clulas protectoras para incrementar la permeabilidad de los canales de calcio en la membrana plasmtica (fig. 15-21, b). El flujo hacia adentro de Ca2+ desencadena la liberacin de Ca2+ adicional procedente de los almacenes intracelulares que actan para cerrar los canales de ingreso de K+ en la membrana plasmtica, en tanto que abre los canales de salida de K + . Estos cambios inducen flujo neto hacia afuera de iones potasio y disminucin de la presin de lquido (turgencia) dentro de la clula, lo que a su vez disminuye la abertura de los estomas.

15-3 Receptor de tirosincinasas (RTK): un segundo tipo principal de sistemas de sealesIniciamos el anlisis de la transduccin de seales con el mecanismo de accin de glucagon y epinefrina, dos hormonas que actan para poner la glucosa a disponibilidad de los tejidos. La hormona insulina acta sobre clulas hepticas y musculares para iniciar una serie de reacciones opuestas en

las cuales la glucosa se elimina del torrente sanguneo y se polimeriza para formar glucgeno. Adems de sus efectos sobre la captacin y metabolismo de la glucosa, la insulina tambin es un potente estimulante de la sntesis de lpidos (en las clulas adiposas), sntesis de protenas, as como del crecimiento y proliferacin de las clulas. El mecanismo mediante el cual la insulina estimula estas diferentes respuestas ha eludido los esfuerzos de los investigadores durante muchos aos. Pero en el ltimo decenio se hicieron grandes avances para aclarar el mecanismo mediante el cual interacta la insulina con la superficie externa de clulas especficas e indica su presencia a varios efectores dentro de la clula. La insulina acta por medio de una va de seales diferente en muchos aspectos de la empleada por glucagon y epinefrina.

Mecanismo de accin de la insulina! seales por un RTKLas clulas capaces de responder a la insulina poseen un receptor para insulina en su superficie, El receptor para insulina es algo ms que una simple protena que se enlaza a un ligando; tambin es una enzima: una proteincinasa de


647

tirosina, enzima que aade el grupo fosfato a residuos de tirosina especficos de otras protenas. La tirosincinasa forma parte de una superfamilia distinta de la cinasas de serina y treonina que operan en la reaccin en cascada analizada anteriormente en relacin con la movilizacin de glucosa (fig. 15-6), aunque un pequeo nmero de tirosincinasas poseen una doble especificidad y tambin son capaces de fosforilar residuos de serina y treonina (un ejemplo es la PAMKK de la figura 15-27). Las tirosincinasas participan principalmente en el control del crecimiento y la diferenciacin celular, ms bien que en el control del metabolismo intermediario. Puesto que el receptor para insulina tiene esta actividad enzimtica, se le conoce como receptor de tirosincinasa (o RTK). Se han identificado ms de 50 diferentes RTK y su nmero aumenta con rapidez. A diferencia de los receptores acoplados a protena G, que tienen siete segmentos transmembrana, cada monmero de RTK atraviesa la membrana una sola vez. El receptor de insulina es una protena tetramrica compuesta de dos cadenas de polipptido a y dos cadenas de polipptido/?. Las cadenas a residen en la superficie extracelular de la membrana y contienen los sitios para enlazar insulina, en tanto que las cadenas/ atraviesan la membrana y transmiten la seal a travs de la misma hasta su superficie interna (fig. 15-22). En ausencia de insulina enlazada, la funcin de la tirosincinasa del receptor es inactiva. El enlace de insulina cambia la conformacin del receptor activando su tirosincinasa, la cual entonces aade fosfatos a: 1) residuos especficos de tirosina de la otra subunidad /? del complejo, reaccin llamada autofosforilacin, y 2) una docena o ms de residuos de tirosina localizados estratgicamente en cuando menos dos sustratos de protena llamados sustratos receptores de insulina (SRI) (fig. 15-22). Al parecer, los SRI fosforados slo tienen una funcin, que es la de enlazar y activar a varios efectores "subsecuentes". Para comprender cmo ocurre esto se necesita un parntesis en este momento. El receptor de tirosincinasa no fosforita toda la tirosina en una protena del sustrato; slo fosforila a las que estn presentes en cierta secuencia de aminocidos conocidas como " motivos de f osf otirosina". Estudios recientes han revelado que varias protenas implicadas en las seales celulares contienen dominios, llamados dominios SH2, con sitios de elevada afinidad para enlazarse a "motivos de fosfotirosna" (fig. 15-23).3 Los dominios SH2 presentan afinidad escasa o ausente para protenas cuyos residuos de tirosina no estn fosforilados. Slo despus que una SRI ha sido fosforilada por el receptor de insulina puede actuar como "imn" para enlazar protenas que posean dominios SH2 con estructura apropiada. El enlace a un motivo de fosfotirosina puede tener efectos diferentes, dependiendo de la protena particular que contenga el SH2. La interaccin puede poner en marcha una actividad enzimtica de la protena, cambiar la conformacin de la misma provocando su enlace a otras protenas, o causar la translocacin de la protena a una parte diferente de la clula.

Sitio de enjacepara insulina

FIGURA 15-22. Respuesta del receptor de insulina para enlace de un ligando. El receptor de insulina es un tetrmero que consta de dos subunidades a y dos 5, Cuando la insulina se enlaza a la subunidad a se produce un cambio de conformacin en las subunidades j$, que activa la accin de tirosincinasa de las subunidades /J, lo que a su vez cataliza la transferencia de grupos fosfato hacia residuos de tirosina localizados en el dominio citopismico del receptor y tambin a varios sustratos del receptor de insulina (SRI),

3 Dominio SH2 es un acrnimo de dominio Src de homologa, lo que denota que este dominio que se enlaza a fosfotirosina fue identificado por primera vez en la protena codificada por el oncogen src.

Aunque operan por mecanismos diferentes, hay gran paralelismo entre la protena G y las vas de sealamiento del receptor de tirosincinasa. En las vas de la protena G, los cambios de conformacin de una protena G constituyen el interruptor molecular que transmite la seal al interior de la clula, en tanto que en la va del RTK, la fosforilacin de la tirosina ejecuta una funcin similar. Las protenas con dominios SH2 se pueden considerar los efectores de RTK, as como la adenciclasa o la fosf olipasa C son efectores para los receptores acoplados a protena G. Puesto que diferentes clulas pueden contener distintos efectores con dominios SH2 similares, el mismo ligando puede desencadenar respuestas muy diferentes en diversas clulas especficas. Retornemos a la respuesta de insulina. Una vez activado el receptor de insulina, las protenas SRI fosforiladas sirven como "atracaderos" para numerosas protenas con dominios SH2, cada una de las cuales puede activar una va separada para transmisin de seales (fig. 15-24). Como resultado, el mensaje de que se ha enlazado insulina a la

648


Seal

Seal

Fosfato FIGURA 15-23. Interaccin entre un dominio SH2 de una protena y un pptido que contiene un residuo de f osf otirosina. Se muestra el dominio SH2 de un corte con la superficie accesible representada por puntos rojos y el esqueleto del polipptido como un listn de color prpura. El heptapptido que contiene fosfotirosina (Pro-Asn-pTirGlu-GIu-Ile-Pro) se muestra como un modelo de espacio lleno cuyas cadenas laterales se presentan en color verde y ?1 esqueleto en color amarillo. El grupo fosfato se muestra en color blanco. El residuo de tirosina fosforilado y el residuo de isoleucina (+3) se proyectan dentro de bolsas sobre la superficie del dominio SH2, creando una interaccin firmemente adaptada, pero slo cuando el residuo de tirosina clave est fosforilado. (Segn Gabriel Wakstnan y cois., cortesa de John Kuriyan, Cell 72:783, 1993; con permiso de Cell Press.)

PK41-P, PI(4,5)-P2

PI(3,4)-P2, PI(3,4,5>-P3

Seal Seal

\

Seal

superficie de la clula puede propagarse hasta el interior celular a lo largo de varias vas independientes. As, una va puede estimular la sntesis de DNA y la divisin celular, otra el movimiento de transportadores de glucosa hacia la membrana celular donde pueden introducir molculas adicionales de glucosa (pg. 147), otra puede activar factores de transcripcin encargados de expresar un conjunto de genes especficos de insulina, y aun otra va ms puede conducir a la activacin de la sntesis de protenas (pg. 651). Uno de los efectores mejor estudiados con un dominio SH2 que se sabe se enlaza a SRI fosforilado es la enzima fosfatidilinositol 3-hidroxicinasa [o PI(3) K]. La PI(3)K cataliza una reaccin en la cual se aade un grupo fosfato a la posicin 3' del anillo de azcar del fosfatidilinositol (PI). Los productos de la enzima, que incluyen 3,4-dfosfato PI y 3,4,5-trifosfato PI (fig. 15-24), sirven como precursores para algunos mensajeros celulares que contienen inositol con diversas funciones en las clulas. De mayor importancia es que la concentracin de estos PI fosforilados se relaciona estrechamente con los cambios en el estado de crecimiento de las clulas especficas, y se ha demostrado que son parte de la va mediante la cual la insulina puede estimular el crecimiento y la proliferacin celulares. En la siguiente seccin hablaremos an ms de las vas para estimular el crecimiento.

FIGURA 15-2J. Papel de los SRI fosforilados de tirosina para activar varias vas de emisin de seales. Se sabe que la fosforilacin de SRI por el receptor activado de insulina activa las vas PI(3)K, proteincinasa C y Ras, todas analizadas en el captulo. Otras vas menos bien definidas tambin son activadas por sustratos receptores de insulina.

Papel del RTK en otras actividades celulares Una gran variedad de agentes extracelulares interactan como con los RTK sobre la superficie de clulas especficas y regulan diversas funciones, incluyendo crecimiento y proliferacin celulares, curso de la diferenciacin celular, captacin de partculas extraas por fagocitosis, y supervivencia de la clula. Entre estos agentes, los mejor estudiados son hormonas como la insulina y la hormona del crecimiento; factores de crecimiento de origen sanguneo, como el factor de crecimiento epidrmico (FCE), el factor de crecimiento derivado de plaquetas (FCDP) y el factor de crecimiento de fibroblastos (FCF); y las atocinas, que son agentes secretados por un tipo de clula inmunolgica que induce una respuesta en otro tipo de clula inmunolgica, incluyendo, por ejemplo, interferones (INF) e interleucinas (IL). Todos estos agentes actan por vas para transduccin de seales que se inician con la activacin de un receptor de tirosincinasa.


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A diferencia del receptor de insulina descrito antes, la mayor parte de los RTK se presentan como monmeros en una clula no estimulada. Slo despus que un ligando se une al RTK, los monmeros interactan entre s para formar dmeros (fig. 15-25). La dimerizacin de los polipptidos RTK activa su funcin de tirosincinasa y entonces una subunidad del dmero fosforila algunos residuos de tirosina situados en el dominio citoplsmico de la otra subunidad del dmero. La fosforilacin de grupos RTK pone en movimiento una cadena de reacciones que recuerda la reac-

cin en cascada descrita en relacin con la respuesta de una clula heptica al enlace de glucagon o de epinefrina. Un elemento clave de muchas reaccion

capitulo 15 biocel

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