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Ciencias de la Salud Humana
L la controversia de la muerte celularmediada por calcio,
¿es disparada por la mitocondria o el retículo endoplásmico?
Alejandro Martínez Sómez y Myrna A. R. Dent*
Recepción: marzo 5 de 2001Aceptación: junio 11 de 2001
' Laboratorio de Neurociencias. Facultad de
Medicina, Universidad Aulótuma del Estado de
México. Paseo Tollocan y Jesús Carranza.
Toluca, Estado de Méidco. C. P. 50160.
Telélono: (722) 2 17 35 52, fax; 2 17 41 42.
Correo electrónico: amartin@ilisioi.unam.mx
y md@coatepec.uaerrex.mx
Resumen: F.I cilcio (('n2') es una de las
principales señales incraceluinres. ModuLi
procesos biolój^cos escncLiIcs como la
proliferación, la diferenciadrjn )• el
metabolismo celular, la exocitosis y la
contracción muscular, líl Ca*" participa tanto
en señalesde vida como tie muerte, y para
que actúe como señal se requiere incrementar
los niveles de Ca"' intiiiceUilar; pero si este
incrementose prolon¡pi. puede ser letal para
la célula, llevándola a una muerte apoptótica
o necnírica. Tanto el reu'cuío endoplásmiai
(Rll) como la mitocondria son esenciales para
mantener los niveles adecuados de Ca'".
Actualmente existe una contro\'ersia que
tiene como objetivo establecer si la muerte
celulardependiente de Cia*' es disparada por
la mitocondria o prtr el lUi. Sin emijargo,
existen evidencias que sugieren que ambos
otganelos se encuentran involucrados en la
muerte celular dependie-nte de Ca"* mediante
vías de señalización independientes, peco
también se suj^ca* que ta muerte celular
disparada por el Rlí tiene como blanco la
disfundón de la mitocondria y dceversa. Es
decir, que un balance en la homcostasis del
Cia-" tanto en el Rl". como en la mitocondria,
debe desempeñar un papelcruda! en cl buen
funcionameinto de la célula.
Palabras clave: calcio, retículo
endoplásmico, mitocondria, aptosis.
The Controversy About Cell Death
Medlated by Calclum: is it Triggered
by the MItochondrIon or by Uie
Endoplesmic Reticulum?
AbStracL Calcium (Ca- ) is one of the main
Imtiicciluiar signáis, that modulares cssential
biológica! processes such as cellproliferadon,
differentiation, exocytnsis and mctabolisni, as
well as musclc contraction. Cal* is im'olved
in both, liteand deatli signáis, sincc high levéis
of intraceiiular C.a2' are necessatv- to aa as a
sartal, but ctjniinued high Ict'cLs of Ca2' ate
lechal tu the cell, Icadingto apopcotic ur
nccrotic ccU deatli. The endoplasmic
ceticulum (MR) and the mitochondria are both
csSLTitjal to mainiain the right ¡exeisof Gi2".
Cuncmly, ihere is a comnjvctsy about
whelher Cii2'-mcdiated cell death is triggered
by the mitochondrion ot by the ER. Ax-ailable
evidencesuj^-sts that both tirganelles are
Invülved in celldeath thmugh independcnt
signalling pathwat'S, but it also suj^psts that
the ccUular death trif^^-red by the HR has the
mitochondria as a catgct and viceversa.
Thcreforc, ihe balance of Ca'" homeostasis in
both the MR and the mitochondrion must be
crudal fitr the correct functioning of the celL
Key words: caleium, cndoplastnic
reticulum, mithocondria, apoptosis.
Introducción
En la mayoría de las actividades que realizamos se encuentra implicado el ión de calcio {Ca''); por ejemplo en nuestros movimientos, en la forma en que palpita nuestro corazón o en la forma en que nuestro cerebro procesa información y la almacena en la memoria. Para llevar a cabo
estas actividades, el Ca'* actúa como un mensajerointracclular, generando información dentro de las célulaspara que éstas regulen su actividad. Por ejemplo, el Ca''dispara el proceso de la fertilización y controla cl desarrolloy la diferenciación de las células. También media la subsecuente actividad de estas células y finalmente, se encuentrainvolucrado de manera invariable en la muerte celular. Para
62 MaitInez t Dcni i La contaoveisia de la muerte ceiulai...
coordinar todas estas tunciones las señales de Ca'' deben
ser flexibles pei"n reguladas de una manera precisa. F.staincreíble versadlidad surge a través del uso de una variada
turma de señalización mediada por este ión, donde puedeactuar en diferentes contextos de espacio, tiempo y amplitud; por lo que diversos tipos de células, seleccionan combinaciones de señales de Ca"' con ios parámetros precisos
para adecuarlos a su fisiología (Berridgc d 1998). Enrevisiones recientes (Siesjó c/<•//., 1999; Paschcn y Doutheil,
1999) se plantea una controversia, la cual tiene como punto principal de discusión la muerte celular dependiente deCa-". Siesjó da!. (1999) defienden una hipótesis que sugiere que la muerte celular es disparada por la mitocondria,mientras que Paschen y Doutheil (1999) sugieren que lamuerte celular es disparada por el retículo endoplásmico(III-.). Sin embargo, para llevar a cabo una discusión másprofunda de estas hipótesis es necesario comenzar con algunos hechos básicos del metabolismo celular de Ca"'.
I. La regulación del calcio dentro de la célula
La concentración de Ca'' libre en el citoplasma de cualquier célula es extremadamente baja (~-lxlO .\l), mientrasque la concentraeión en el fluido cxtracelular es >1x1() -'m(Alberts et o/., 1994) y dentro del Rlí es de 3x10 'm(Sambrook, 1990). De manera que, un gradiente elevadoen el exterior de la célula tiende a conducir Ca-* cxtracelular
hacia el citoplasma a través de la membrana plasmática ydel interior de la membrana del RI-; haciael citoplasma. Cuando una señal abre los canales de Ca-* en cualquiera de estasmembranas, este ión es liberado hacia el citoplasma,incrementando dramáticamente la concentración de Ca"'
intracelular ([Ca-*|i) y activando mecanismos de respuesta
sensibles a Ca'* en la célula. Para que estos mecanismos
funcionen, la concentración de Ca'* debe mantenerse baja,
lo cual se logra de diferentes manetas. Todas las célulaseucariotas tienen una bomba A'l'Pasa de Ca'* en su mem
brana plasmática (l'AMCA), queutiliza laenergía delahidrólisisdel ATP para bombear Ca'* fuera del citoplasma. Célulascomo las musculares o las nerviosas, las cuales hacen un
uso extensivo de la señalización a través de este ión, tienen
una bomba adicional de Na'/Ca-' en su membrana
plasmática que acopla el flujo de Ca'* hacia elexterior de lacélula, y la entrada de iones de Na* hacia el citoplasma.Además, una bomba de Ca- '̂ en la membrana del Rlí (SLRC.V)
juega un papel importante al mantener baja la concentración citoplasmática de este ión; esta ATPasa de Ca'* permiteal RL tomar grandes cantidades de Ca '̂ del citoplasma contra un excesivo gradiente de concentración, aún cuando los
CIENCIA erflo sum. Vol. 9-1, marze*|unle 2002
Ciencias de la Saljd Humana
nivelesde este ión en el citoplasma sean bajos (Albeits d tiL,1994). Los receptores de inositol trifosfato (ip3rs) y losreceptores de ryanodina (RyRs) son el principal blanco delos csumulos que evocan señales de Ca'* intracelular, produciendo cambios dinámicos en la ¡Ca-*|i. El mecanismo
para la liberación de Ca'* por parte de los IP3Rs consiste enla estimulación por señales externas (hormonas,ncurotransmisores y factores de crecimiento) que se enlazan con sus receptores en la superficie celular para iniciarvías de .señalización. La formación de IP3 es el punto prin
cipal para dos vías: a) una iniciada por una familia de proteínas G enlazadas a sus receptores; y b) otra iniciada porreceptores enlazados a tirosina cinasa de forma directa oindirecta. Estos receptores son acoplados en forma separada a requerimientos de energía (GTP o ATP) mediantemecanismos que activana la fosfolipasa c (Pl-C) para hidrolizar elprecutsor fosfatidilinosito! 4,5-bifosfato, y dar como resultado ip3 \' diacilglieerol (DAG). Posteriormente el IP3 se pegaal 1P3ren el Ri-; para movilizar el Ca'* almacenado en el Rl-^y promover un flujo de Ca'" hacia el citoplasma, mientrasque el DAG activa a la proteína cinasa C, lo que conlleva auna variedad de respuestas celulares en diferentes células.Por ejemplo, en las células del hígado, la proteína cinasa cfosforila la enzima glucógeno sintetasa y de esta manera laactiva (Berridgc, 1993; Dent et aL, 1996; Maillcux et ni,1992) (figura 1). Por otro lado,el control de la liberación deCa'* por los canales tetraméricos de lyanodina en respuesta a la despolarización de la membrana ocurre de la siguiente forma: a) los RyRs localizados en el retículo sarcoplásmicodel músculo esquelético, y que contribuyen a la estructurade los túbulos-T, son responsables del acoplamiento excitación-contracción de las fibras musculares; de esta manera,
el receptor de dihidropiridina en la superficie de la membrana celular percibe un cambio de voltaje (AV) y sufre uncambio conformacional que es transmitido a través de región K-terminal del RyR para abrir el canal de Ca-' en elretículo sarcoplásmico; b) en el músculo cardíaco ocurreun proceso conocido como "calcio induce la liberación decalcio" (CICR) que probablemente también se presenta enlas neuronas. En este proceso, un canal operado por voltaje(VOG) responde a un AV permitiendo la entrada de unapequeña cantidad de Ca'*, el cual activa al RyR para liberarCa^* del retículo endoplásmico (Berridgc, 1993) (figura 1).
lí. Muerte celular
Una de las paradojas que rodea al Ca'* es que puede participar en señales de vida y muerte, ya que son necesarias laselevaciones en la concentración de este ión dentro de la
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Ciencias oe la Salud Humana
célula para que funcione como señal,pero por otra parte, prolongadas elevaciones de Ca^"* íntracelular puedenser letales, guiando a la célula a una
muerte apoptótica o necrótica. Enmuchos tipos de células,la mitocondriaparticipa en la recuperación del estadonormal de Ca"' Intracelular, secuestran
do Ca"'' que es posteriormente regresado al RH. Durante una señalización
de Ca"' normal existe un continuo in
tercambio entre estos dos organelos.
Normalmente, el RF. es el principal almacén de Ca^' intracelular, no obstan
te, la mitocondria también contiene Ca"'
(a bajos niveles), y estos niveles de Ca"'
en ambos organelos son esenciales paramantener la homcostasis celular. Si el
Ca-' almacenado en el RF. es liberado,
la mitocondria puede capturar una cantidad muy elevada de este ión, dando
lugar a dos principales consecuencias;
la primera, que la disminución de losniveles de Ca^' en el RF. activen señales
de stress, con lascuales se activen genesasociados con la muerte celular vía apoptótica (Berridge et
a!., 1998, Paschcn y Douthcil, 1999); y segunda, que losaltos niveles de Ca*' dentro de la mitocondria inicien una
serie de eventos que dirigen a la muerte celular ya sea
apoptótica o necrótica. Cuando una célula es dañada y nopuede bombear eficientemente Ca'' fuera del citoplasma,la concentración de este ión puede elevarse a niveles peli-gro.sos (>5xlü''' m). En esas circunstancias entra en acciónuna bomba de Ca'' de alta capacidad-baja afinidad en lamembrana de la mitocondria, haciendo uso del gradienteelectroquímico generado en esta membrana durante el proceso de transferencia de electrones de la fosforilación
oxidativa, permitiendo la entrada de Ca'' del citosol haciael interior de la mitocondria y guiando a la célula a un proceso conocidocomo muerte celular programadao apoptosis(Berridge et ai, 1998, Siesjó et al., 1999).
III. Muerte celular disparada por la mitocondria
El daño ncuronal en enfermedades neurodegenerativasagudas ha sido tradicionalmentc ligado a un metabolismoperturbado de Ca'* dentro de las células. Aunque los mecanismos básicos que comprende la lesión cerebral porisquemia no han sido del todo comprendidos, es amplia-
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Esquemd^ue mu^tra cómo se lleva a cabo la regulación de la liberación de calcio Intracelular.
CVIAL
PAOn KAG
Imagen modjficnda do AJomono Labg. Moduintor, 1999.
RECCmOA0ET1R0SIHA
CIMASA
UCNaUM*
fVASHÁnCA
&
mente reconocido que e! Ca"* desempeña un papel muvimportante dentro de este proceso. La hipótesis central decalcio propuesta por Kristian y Siesjó (1998), señala queel daño celular producido por la isquemia cerebral transitoria es producido por una entrada masiva de este ión a la
célula a través de canales de Ca'* operados por voltaje(VOCs) y canales de Ca-* operados por receptores (ROCs),así como por la liberación de Ca'* mediada por los almacenes intracelulares como el RE, la mitocondria o los
calciosomas. Esta masiva entrada de Ca"' conduce a una
sobrecarga de estos iones en la mitocondria, la cual indu
ce la producción de especies reactivas de oxígeno y radicales libres, la activación de protcasas v fosfolipasas, laactivación de la enzima óxido nítrico sintetasa, y la formación de poros mitocondriales de permeabilidad de transición (mit). Esto da como resultado disturbios en el sis
tema de producción de energía de la mitocondria, y dependiendo de la gravedad del daño ocasionado y de las
circunstancias, conduce a las células a la muerte celular,
ya sea apoptótica o necrótica. Además, es ampliamenteaceptado que las mitocondrias forzadas metabólicamcntcpueden liberar moléculas que disparan una cascada dereacciones que conducen a la muerte celular (Siesjó e¡ al.,1999, Green y Recd, 1998) (figura 2).
MaatÍnsz t Dent i La controverspa de la muerte celular...I
I.as condickmcs adversas que dirigen la apertura de iosMlTs<jn ocasionadas por la acumulación de da*" dentro dela mitocondria y por el estrés oxidativo. I¿i apcrnira de lt)sMPT ocasiona el colapso del potencial de membrana de lamitocondria, suprimiendo la formación de ATI', la cual puede ser inhibida por el inmunosupresor de ciclosporina A(CsA), dado que este bloquea los MlT (Duchen ti til, 1993).Se ha mostrado que la (;sA tiene efectos neuroprotectores,va que elimina el daño en las neuronas CAl del hipocampo,sometidas a unos 7 a 10 minutos de isquemia en el cerebroanterior de la rata (Siesjó <•/ ií/, 1999). Además, la aperturade los .\1PT es indiscriminadamentepermeable a los solutoscon una masa molecular < 150(1 daltones, por lo que elCa^' puede ser rápidamente descargado, y no solamenteel Ca'', sino que también se prtxluce la liberación de proteínas mitocondriales. incluyendo el cicocromo c y el foctor inductor de apoptosis (Siesjó ti uL, 1999,Grcen y Rccd, 1998)(figura 2).
Por otra parte, una gran cantidad de información sobre
las taitas de muerte celular ha sido obtenida del nemácodo
en el cual se han identificado genes involucradoscon la muerte v la sobrevivencia. Ia>s genes (;iúD-3 v (;ivD-4,
promueven la apoptosis,mientras qucel genf:iU3-9 lainhibe.f!liD-3 es una caspasa, que existe normalmente como unzimógcno que puede ser actit'ado ptir autoproteólisis.4 se une a (;i;D-3 promoviendo la activación de (:IlO-3; sinembargo, la unión de <;id1-9 con (;i®-4 previene la activación de (:i-:o-3. r.n los mamíferos, el gen homt'rlogo de lacaspasa CUD-3 es la caspasa-3, la ejecutora de la muertecelular. Pll gen homólogo de (;iü>4 es Apaf-1, y los geneshomólogos de (;í;o-9 son los miembros de la familiaantiapoptótica Bcl-2 (Bcl-2, Bcl-.X|). Esta familia tambiénincluve miembros pro-apoptóticos tales como Bax y Bicfntomberry y l.azebnik, 1988). Muchas de las proteínasde la familia Bcl-2 se encuentran unidas a la membrana
mitocondrial externa. Sin embargo, Bcl-2 también se encuentra en la región citosólica de la membrana plasmática,del RI-; Vde la envoltura nuclear, sugiriendo que Bcl-2 puede "detectar" el estadt) e integridad de las membranas, posiblemente modulando la función mediante el flujo
transmembranal de iones y la liberación de proteínas, l.aliberación de citocromo en grandes cantidades da comt>resultado la muerte celular, ya que esta liberación provircael ensamblaje del apoptosoma, que esta compuesto decitocromo c, Apaf-I y la procaspasa 9, el cual activa a lacaspasa 9, que a su vez activaotras caspasas, principalmente a la caspasa-3. Por lo tanto, la liberación del citocromo cpuede llevar a una serie de eventos apoptóticos queinvolucra a Apaf-l, o en grandescantidades puede dar como
CIENCIA ergo ivm. Vol. 9*1. morzo-lirnio 2002
Ciencias oe la Salud Humana
resultado la muerte celular necrótica (MacManus y Linnik,1977). Sin embargo, esta liberación es inhibida por la presencia de Bcl-2, que posiblemente (y junco con Bcl-Xj) puede disminuir el colapso del ptuencial de membrana de lamitocondria y prevenir la apertura de los MlT (Groen yReed, 1998). Asimismo, la protcínn pro-apoptótica Bax induce apoptosis al fortalecer la apertura de los MlT. Sinembargo, existe la posibilidad de que las proteínas anti-apoptódcas (Bcl-2 v Bcl-X|), ancladas a sitios de la membrana mitocondria! o del Kl'., unan cofnctores como Apaf—1,previniendo de esta manera la activacic'm de la pro-caspasa-9 y por otra parte, que los miembros pro-apoptóticos de lafamilia (como Bax o Bic) actúen desplazando los cofactoresde sus sitios de unión (Siesjíi <•/ ///., 1999, Grecn v Rced,1998) (figura 2).
Diagrama que muestro cómo la mitocondria puede disparar la muerte celular
necrótica o apoptótica La muerte cotuiaree diaparada por un decremento en et potencial
de la membrana mttocondríni. promovido porun exceaoen la acumulación de Ca'* o por
ostrós oxidativo, el cual es contrarrestado por CsA y por ios miembros antiapoptóticoa
de la familia Bci-2. Una apertura sostenida de ios mpt ocasiona que la mitocondria so
hírwhey se rompa lamembrar^a exlema, conduciendo a una liberaciónmasiva de protcfnas
mitocondriales. El resultado inmediato es ci colapso del potencial de la membrana
mftocondriái. el desacoptamienlo de la fosforilación oxidativa. la producción de especies
reactivas de oxigeno (ros) y laeUmlrtación do producción de atp: dando como resultado
final la muerte celular necrótica. La muerto cciutof apoptóticaesconducida por la líber»
dón de citocromo c y d factor apoptótlco que disparan ta muerte celular por una sertede
eventosque involucran Apaf*1y laactivación da las caspasasS y 3de ta mitocondria. No
esdaro si mpt seencuentra involucradoeneste proceso, perosi es así. sólosería una
apertura transitoria, de manera que la mitocondria mantienesu estnicturacompactay no
se bincha.
Ccramida
Hinchdmicnlo
mitof&rdnxT
Ctocromoc
ROStATPA-
Necfosis
Apaf-laeuvsdo
Activación delii CaspaM-9
activadas
(CasoóM-A)
Apoptosis
imagen modificada de Qreen y Reed, 19dd.
Cospescs <•
aiocmmoc
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Ciencias de la Salud Humana
IV. La mítocondría y las enfermedadesneurodegenerativas
Como se ha explicado en los párrafos anteriores, los disturbios en la liomeostasis del Ca'' dentro de la célula jueganun papel muv importante en la isquemia cerebral transitoria. Sin embargo, éste no es el único dcsftrdcn neurológicoasociado con la homcostasis de Ca^', también se ha descri
to en la enfermedad de Alzheimer (AO) y en la esclerosislateral amiotrófica (ai.s). 1-a AD es la causa más común del
deterioro cognitivo progresivo en personas de más de 65años, que afecta a varios millones de personas en el mundo.1.0S signos patológicos son las placas de amiloidc y la maraña de ncurofibnllas, junto con muerte celular en áreas es
pecíficas de! cerebro. Se piensa que las placas de amiloideson las responsables por el deterioro mental en los enfermos de Alzheimer, y el principal componente de estas placases un pépüdopequeñoconocido como /5-amiloide (AH).lista enfermedad puede ser esporádica o de tipo familiarpor herencia autosómica dominante. La AD familiar estáasociada con mutaciones puntuales en la proteína precursora de /J-amiloide y en las proteínas prcscnilina-1 (PS-l) ypresenilina-2 (PS-2) (Beal, 1998). La forma esporádica seencuentra asociada con perturbaciones en la homeostasisdel calcio, en la generación de especies reacti\'as al oxígeno(ROS) y en el metabolismo amiloidco de la mitocondria
(Sheehan et ai, 1997). En estudios de plaquetas y tejidocerebral poslmoileiu de pacientes con AD, se obtuvo una reducida actividad de la citocrornts oxidasa, sugiriendo unareducción en la actividad del complejo IV del transporte deelectrones mitocondrial. Además de que un deterioro en laactividad de la citocromo oxidasa in vitro conduce a un in
cremento en la producción de fragmentos C-terminal delAPI' que contiene cl péptido/J-amiloidc (Beal, 1998; Vanker,1996). Un decrcmento en la acdvidaddel complejo IV de lamitocondria tiene consecuencias funiconales en términos
del manejo del calcio y la producción de ROS. También unincremento en los niveles de calcio en estas micocondrias,
incrementa la formación de radicales libres (Dykcns, 1994)y la inhibición del complejo IV incrementa la producciónde R(iS en líneas celulares de neuroblastoma (Miller et ai,1996). Es decir, la homeostasis del calcio v la producciónde ROS se encuentran íntimamente asociadas en el funcit>-
namiento mitocondrial, y un desequilibrio en alguno de ellospuede tener graves consecuencias, que lleven a la muertecelular bajo condiciones no necesariamente tóxicas.
|jt esclerosis lateral amiotrófica es una típica enfermedad neurodegenerativa crónica que se caracteriza por lapérdida progresiva de las neuronas motoras, atrofia del
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músculíj esquelético, parálisis y muene; la patogénesis se
desconoce (Kong y Xu; 1998). El 9(l"'ii de los casos son
aparentemente esporádicos, sin ningún factf>r genético o deriesgo medioambiental idcntillcable que la ocasione, el restante Id'f". muestra una herencia familiar autosómica do
minante. De este líliimo grupo de casos, 25% de ios pacientes presentan mutaciones puntuales en la enzimasuperóxido dismutasa-l (SODI) lo que sugiere que el dañooxidativo puede desempeñar un papel importante en estaenfermedad (Beal, 1998). I^s mutaciones en la SODl pueden generar un incremento en la cantidad de radicaleshidro.xilo (/>/ vitro), de .Vnitrotirosina y vacualización de lamitocondria (en ratones transgénicos) (Del Canto y Gurney,1995). Además la expresión de la SODl con la mutaciónc;93a en células de neuroblastoma in vitro, conducen a la
perdida del potencial de membrana v a un incremento deCa"' citosólico. En pacientes con AI.S esporádica, loslinfocitos del torrente sanguíneo muestran un incrementoen el Ca"' citosólico y una deteriorada respuesta adesacopladorcs de la fosforilación oxidadva. Algunos estudios de motoneuronas en pacientes con Al.s esporádicamuestran una acumulación de micocondrias en los axones
proximales, y biopsiasde músculo muestran un incrementoen cl volumen de las mitocondrias y de k)S niveles de f'.a-'(Beal, 1998). Esto se correlaciona con los estudios quemuestran cuatro etapas en la enfermedad de Alü, en líneastransgcnicas de ratones que expresan la mutacitin de .SODI.Al principio de la enfermedad se observa una pérdida de lafuerza muscular y un explosivo incremento de vacuolas enlas mitocondrias degeneradas, pero poca muerte de lasneuronas motoras. La mayoría de las neuronas se muerenhasta la última etapa de la enfermedad (Kong y Xu, 1998).Hs decir, la toxicidad en los murantes de SODl daña primerolas mitocondrias de las neuronas motoras y este daño dispara la pérdida funcional de las mismas.
V. Muerte celular disparada por el retículocndoplásmico
El RE es un compartimiento que desempeña un papel importante en el plegamiento y procesamiento de las proteínas de membrana v proteínas secretables recién sintetizadas, reacciones que son estrictamente dependientes de Ca"'.Además de la alta actividad del Ca-', se requiere de unmedio ambiente oxidativo en el RIí, dado que el plegamicn-tt) de las proteínas es una reacción oxidativa que puedeserbloqueada por compuestos que tienen una alta actividadrcductiva, como el ditiotritol (Kuznetsov et ai, 1992). ElCa '̂ del RI-' es controlado por los ip.3rs v los RyRs (los cua-
Martínez t Dent | La controversia de la muerte celular,,.
les bajo estimulación liberan Ca-' del RK) y una ATPasa deCa-' (Sl'.RCA) la cual bombea Ca"' de regreso contra ungradiente de concentración. I/)S IP.'íRs v los RvRs son familias de receptores de Ca*' intracciular t]ue tienen una granhomolí^'a (Ncwton el«/. 1994) y cada una se compone devarios miembros, además de tener ditcrcntc distribución
en el cerebro. Hasta el momento se han descrito 3 subtiposdel fl'3u y 3 subtipos del RyR. Se lia reportado tjue, en elcerebro, el IP3r-1 se expresa en neuronas, principalmente
en las células de Purkinje del cerebelo (Mignert' et 1990,Dent et <//., 1996, Sharp <7 (//., 1999), en células CAl delhipocampo, cuerpo estriado, corteza cerebral, órganocircunventricular y estructuras ncuroendócrinas (Dent t!
ai, 1996), el 1P3R-2 se expresa únicamente en células glialcsy por último, el IP3R-3 es predominantemente ncuronal aunque también se detecta un poco en glía, se encuentra enriquecido en el neuropilo, especialmente en las terminalesneuronalcs (Sharp r/<•//., 1999). Además, el IP3R-! y el IP3R-3 muestran diferentes patrones de expresión durante el desarrollo embrionario con respecto al tiempo (Sharp et ¡iL,1999). Por otro lado, también los tres tipos de RyR se expre-
Una intervención terapéutica para reducir la
lesión celular por isquemia, como el tratamiento
con barbitúricos, promueve la recuperación de la
síntesis de proteína en las áreas vulnerables;
implicando que es la Incapacidad de estas células
para recuperarse lo que define su vulnerabilidad.
san en el cerebro v cerebelo, pero con diferentes patronesde expresión. Ki RyR-l se expresa en las células de Purkinjedel cerebelo, en la corteza, en el giro dentado, y en menorcantidad en las células (;a3 y CAl del hipocampo, en el núcleo caudado, putamcn y en las células mitrales del bulboolfatorio. El RvR-2 es la principal isofornia que se expresaen el cerebro, enriquecido en la capa granular del cerebeloy el giro dentado del hipocampo; también se expresa encorteza, amígdala y células granulares del bulbo olfatorio;por último el RyR-3 se expresa en la capa granular del cerebelo aunque en menor cantidad que el RyR-2, en elhipocampo, principalmente en lascélulas CAl, en el tálamo,regif)nes hipotalámicas, en el núcleo caudado, putamcn, ytanto en las células mitrales como granulares del bulbt)olfatorio (Giannini et ai, 1995). Por otra parte, la protcinaBcl-2, se encuentra también en las membranas del Rb y
CIENCIA «igo tum. Vel. ?•). niarie-|«nle 2002
Ciencias de la Salud Humana
diferentes observaciones sugieren que puede facilitar losflujos de Ca-' dentro e! RI-. Por ejemplo, en células tratadascon Tapsigargina CTg), que es un bloqueador de la SI-.RCA, lasobrc-cxprcsión de Bcl-2 ayuda a mantener los niveles deCa'' en el R1-; (He et al., 1997), además se ha encontradoque es capaz de formar canales iónicos en membranaslipídicas sintéticas (Minn et ai., 1997). Bcl-2 es capaz desuprimir el vaciamiento de los almacenes de Ca-' en el Rlíproducidos en una variedad de estados patológicos, comoson el estrés oxidativo, el retiro de factores de crecimiento,
o la inhibición de la bomba de Ca-' (He et aL, 1997).
la importancia de la homcostasis de Ca'' del Rlí para mantener las célulasen un estado fisiológico se basa en la observación de que el vaciamiento de Ca'' del RE por el ionóforoA23187, o la inhabilitación de la SlíRC.A mediante Tg, ocasionan un bloqueo en la división celular y detienen el crecimiento de las células (Gosch et ai., 1991). Es decir, una elevadaconcentración de Ca"' en el Rl-^ parece ser un prcrrcquísitopara el buen funcionamiento de lascélulas. Este bloqueo porTg se quita cuando la Tg se lava y la síntesis de la SURCA seactiva al cultivar las célulascon grandes cantidades de suero,sugiriendo que la SUR(-\ está controlada por factores de crecimiento (Paschcn y Douthcii, 1999).
La isquemia rerebral transitoria es una forma severa deestrés que causa disturbios bioquímicos y moleculares en lacélula, las células han desarrollado un sistema de respuestaal estrés que está muy conservado entre diferentes especies.Las respuestas más comunes son la supresión de la síntesisglobal de proteínas y la activación de laexpresión de genes de-estrés. Cíuando se produce una isquemia cerebral transitoriase produce un cese total de la síntesis de proteínas a lo laigode todo el cerebro, lista se recupera en estructuras no vulnerables del cerebro, como la corteza cerebral, pero no así enlas áreas vulnerables como las neuronas 0\1 del hipocampo(Bt)dsch et al., 1985). Una intervención terapéutica para reducir la lesión celular por isquemia, como es el tratamientocon barbitúricos, promueve la recuperación de la síntesis deptotcína en las áreas vulnerables; implicando que es la incapacidad de estas células para recuperarse lo que define suvulnerabilidad. Por otro lado, el vaciamiento de Ua-* del Rl',
produce un estrés severo dentro de las células y da comoresultado la supresión de la síntesis de proteínas, el crecimiento celular y la muerte celular (Paschen et al., 1996). Di
versos experimentos han mostrado que es el decrcmento enla actividad del Ca'' de! RI-; el que tiene efecto sobre la síntesis de proteínas y no el correspondiente incremento en laactividad del Ca-' citoplásmico. Por ejemplo, la síntesis deproteínas se suprime cuando los iones de calcio son alejadosde) compartimento del Rliporquelaciónintracelular (Douthcii
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Ciencias de la Salud Humana
el a!., 1997). Además, la isquemia cerebral transitoria activala expresión de variosgenes, y el incremento en la actividaddel Ca"' citoplásmico durante la ist]ucmia puede ser responsable cíe esta respuesta ilc estrés, linire estos genes se encuentran la proteína reguladora de glucosa (gpr) 78, gpr 94 yotras proteínas de estrés tiel RI-; como la hemosigenasa-1, laproteína del lili 72 o el gen que induce daño en el DNA ydetiene el crecimiento (gadd) 153 (l'aschcn y Douthcil, 1999).Ya que la expresión de proteínas de estrés residentes del Rlison activadas específicamente por condiciones que perturban al lili, se puede concluir que la isquemia cerebral transitoriaproducedisturbitts en c!funcionamiento del Rli (Paschcny Douthei!, 1999). Cuando el Rli se queda desprovisto decalcio se activa la expresión de varios genes, incluyendo factores de transcripción o proteínas de estrés del RE (l.inden el«/., 1988). activación de estos genes no se suprime si seagrega un quelante como UAFl'A, indicando que el efecto sedebe a! decrcmento de calcio del llii y no al correspondiente
incremento de calcio citoplásmico (Linden ctaL, 1988). Estaobservación no es sorprendente, ya que esta misma situación se da cuando el funcionamiento del RE es perturbadosin cambios directos en la acóvidad del calcio, tales como la
perturbación del medio oxidativo dentro del RE inducido pordidotritol (Brostrom el a!., 1990).
Actualmente no existe evidencia directa de experimentos ///rifo que muestren que ladisfunci(>n del RE en neuronastlispara el proceso patológico observado en la isquemia. Sinembargo, estudios in vivo c /// vitro indican que la disfunción
del RE desempeña un papel clave en eventos que conducena la muerte celular (Paschen y Douthcil, 1999), Experimentos llevados a cabo en isquemia aguda de riñón permitenestablecer que la lesión celular en la isquemia probablemente se deba al plegamiento incorrecto de las proteínassccrctabics (Kuznetsov el ai, 1996).
Si la disfunción del IIE es un factor causal de las lesiones
celulares en la isquemia, se requiere dar una explicación depor qué ciertas regiones del cerebro son más vulnerablesaque se produzca una isquemia. Hn las células CAl delbipocampo los 1P3r se encuentran enriquecidos, mientrasque la inmunoreactividad de la SEIICA es relativamente baja(I'asclicn V Douthcil, 1999). Esto sugiere que las células(;A i vulnerables del hipocampo son una región del cerebroparticularmente propensa a tener un desbalance entre laliberación de Ca'' mediada pttr el II'3r y la entrada de Ca'"mediada por la SERCA, particularmente bajo situaciones patológicas en donde los niveles de Ca'' citoplásmico seincrementan, ya que la salida de (ia"* a través de los IP3r esafectada severamentepor los niveles de Ca'' citoplasmáticos(Bezprozvanny el ai, 1991),
68
Por otra parte, varios estudios muestran que la Tg disparala muerte celular programada, causaniio el vaciamiento de(ia"' del lili e incrementando los niveles de Ca"' citosólia»,
aunque no es claro si la apoptosis es iniciada por el \ acia-micntt> de Ca'* del RE o por el incremento de C]a'' citosólico(Pctersen el <//., 1995). Sin embargo, varias observacionesindican que un decremento en la concentracitin de Ca'" dellili es un evento importante para disparar la inducción de laapoptosis: por ejemplo, laapoptosis inducida pordexametasonavacía parcialmente de Ca"' al Rli, y el tlantroicno, que es unbloqueacior de los RyRs, suprime la apoptosis inducida porTg (Paschcn )• Doutheil, 1999). También la sobre expresit'tnde Bcl-2 previene la apoptosis inducida pt)r Tg (He el ai,1997) mientras que las células T deficientes en íP3Rs sonresistentes a la apioptosis, sugiriendo que la liberación de Ca''mediada por los IP3Rs está implicada en la apoptosisQayaraman y Marck, 1997). Di apoptosis inducida por Tg esacompañada de la activaciónde la caspasa-3 y suprimida porel inhibidor de caspasas /C-Val-Ala-Asp-fluoromctilcctona (/.-VAD-fmk) o por el factor de crecimiento ncuronal (NGl). Laapoptosis inducida porTg puede también ser suprimida porel inmunosupresorCsA (dependiendo de ia concentración deTg) ya que ia CsA es efectí\'a en células expuestas a 2nM/Lde Tg, concentración que normalmente causa apoptosis enmitocondrias intactas, pero es inefectivo en una concentración de IfinM/L de Tg, concentracit'tn que causadaño en lamitocondria (W'aring y Bcavcr, 1996). l-!stas obserxacioncsmuestran que el efecto neuroprotector de la fIsA observadoen modelos de isquemia cerebral transitoria no se debe necesariamente a una inhibicióndel daño mitocondrial (KrisrianySicsjü eliil, 1998). Otra obscnación de interés consiste en laactivación de la caspasa-i2, esta proteasase localiza en el RI-:y es activada por estrés causado por la liberación de Ca'* de!RE Vpor un exceso en b acumulación ile proteínas, pero nopor señales apopnjdcas de la membrana plasmática o de lamitocondria; la caspasa-12 se encuentra específicamenteinvolucrada en la apoptosis por estrés del Rlí (Mchmct, 2(1(1(1,Nakagawa el ni, 2ü0ü). Hn conclusión, pLiede decirse quevarias observaciones de estudios ht vilro e in viiv indican queel mal funcionamiento del RE juega un papel muy importanteen el proceso patológico que lleva a la muerte celular, va seaapoptótica o necrótica.
'VI. El retículo cndoplásmico y las enfermedadesneurodegenerativas
J.as neuronas tienen un RE elaborado que se extiende a lolargo de toda la célula, el cual aparece como un sistemamembranoso continuo. Este Rií presenta especializacioncs
IMartínez y Dent I La controviríia de la muerte celular...
regionales, las cuales tienen un significado particular conrespecto a las señales de ("a*' (Tcrasaki r/d/, 1994, Martonef/tí/, 1993). Kmpezando con el soma, la membrana nuclear externa es continua, con la red del RK que se extiendedesde las dendritas hasta la punta del axón. Dentro delsoma y en las regiones iniciales de la región dendrítica,porciones del RI-; entran en un estrecho contacto con lamembrana plasmática t'ormando la subsupcrfide de la cisterna (Roscnbluth, 1962). lista subsuperficic de la cisternaha sido clasificada en tres tipos dependiendo de su aproximación a la membrana plasmática (tipo i de 40 a 80 nm, ylas tipo II V111 menores de 20 nm). Hn el segmento inicialdeciertas neuronas (por ejemplo, las células corticales y célulasgranularesdel giro dentado) la subsuperficic de la cisternasemeja unaestructurade multicapas denominadaorganelode cisterna (Bencdec/kv <•/ tí/., 1994). Estas subsuperficiesde la cistetna y los organelos de cisterna pueden tener unpapel importante en la regulaciónde lae.xcitabilidad neuronal.Hn el axón, el Ri; consiste de túbulos conectados que corren en paralelo dentro del axón, esta red del Rlí axonal seextiende hasta la región sináptica donde se encuentra estrechamente asociado con la mitocondria (McGraw et a¡.,
1980). En la otra punta de la neurona, el RI-: se extiende através del árbol dendritico y adentro de las espinas, dondefinalmente termina como el aparato de la espina (Martonett al, 1993; Spacek and Harris, 1997). El Rü neuronal contribuye de esta manera a las señalizaciones dinámicas delCa"", actuando como origen o como vertedero de la señalde da-'. Las neuronas emplean dos orígenes de señales deCa"' a través de RoCs y VOCs, pero también hay una importante contribución de la liberación de Ca'' del RK mediada
por los íP3Rs y los RyRs. lístructural y tuncionaímcntc el RKpuede ser considerado como una "neurona dentro de unaneurona", va que el RK: tiene muchas propiedades similaresa lasde la membrana plasmática (figura .3). En particular elRK mantiene un gradiente de concentración de Ca'" quepuede ser liberado de una manera regenerati\-a, permitiendo que la información recorra grandes distancias a travésde ondas de Ca** y esta regeneración es mediada por losII>3rs, los RyRs, la Si'RCA (Hcrridge, 1998), y posiblementepor Bcl-2.
Por otro lado, muchas observaciones señalan una rela
ción entre los cambios morfológicos y bioquímicos dentro del RE Vel comienzo de enfermedades degenerativas.Como se ha mencionado con anterioridad la AD familiar
está asociada con mutaciones de la APP, ta cual se corta
por proccasas como son la j8-sccrctasa, la a-sccretasa y lay-secrecasa (De Strooper y Koning, 20(1(1, Yan et al., 2000)generándose de esta forma el amiloidc A/3. El Rlc ha sido
CIENCIA ergo «um. Ve). morte*Jgnle 2003
Ciencias ce la Salud Humana
Organización estructural del re an neuronas. 0 reos una continua red quesoextiendo a todas las partes de la neurona, los tres apañados muestran detalles del arreglo
dd RE en teespinas dencfrTücss. el soma neuronal ylatermina)sínápttca SRRC esetcomptejopoüríbosómico asociado 8 ta sinapsis y ssces la superAcie de la cistema.
Aparataespino»
DendriUro
Kudeo
Temínal
snáptua
RE
Axonal
Imagen modificada de Perridge. 1
Aparata
MiMcendrla
Ve&culas
sirtaphca
identificado como el sitio de formación del péptido Ap.Por otro lado, la prcscnilina-l (l'S-l) y la presenilia-2 (PS-2)se encuentran localizadas principalmente en el RK y ambas inccractúan con proteínas del citoesqueleto y con APP,involucrándose de esta manera con el transporte de proteínas y con el procesamiento de APP. La APP forma uninmunocomplejo con PS-2, sugiriendo que las prcscnilinasestán involuctadas en el procesamiento de la APP(Wcidemann etal, 1997). La expresión de murantes de lasprcscnilinasen cultivo de células y en ratones transgénicosda como resultado un incremento en la producción deuna forma amiloidca excitotóxica del péptido p-amiloidc(A/3). I.,as neuronas que expresan matantes de PSs muestran un incremento en la sensibilidad para morir porapoptosis, inducida por el retiro de factores tróficos y Ap.La acción pro-apoptótica de mulantes de las PSs involucrauna perturbada liberación de Ca*' del RL, e incrementa iosniveles de estrés oxidativo (Mattson y Guo, 1997). Esto
explicaría por qué proteínas localizadas en el RE, comolas prcscnilinas (muladas), producen AD (Eovacs et al,1996). El péptido A^ exhibe propiedades similares a lasde un ionóforu, causando un incremento en la permeabilidad de las membranas al Ca*'. La exposición de neuronasal péptido AjS induce un incremento en la actividad deCa*' citosólico y la formacitin de radicales libres. Por otraparte, la forma de la proteína priónica que conduce a lasenfermedades neurt)degcnerativa5, conocidas comoencefalopatías espongiformes subagudas, también se lo-
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Ciencias de la Salud Humana
caliza en el Rli: una forma transmembranal sobre la mem
brana del Rlí produce ncurodcgcncración en ratones(Hcdge <•/«/., 1998), por lo que no es difícil pensar que laregulación aberrante de la biogénesis de las proteínas y loscambios en la topología del Rlí pueden dar como resultado la neurodcgeneración inducida por priones. En la Al^las neuronas motoras son destruidas, sin embargo, el
danttoleno, que es un bloqucador de los RyRs, reduce ladegeneración de las neuronas motoras, indicando que elvaciamiento de Cn'' del RI' contribuye a los procesos patológicos que se producen en esta enfermedad (Paschen yDouthcil 1999).
Sin embargo, a pesar de que estos resultados sugierenque la disfunción del RH contribuye al daño eerebral después de que ocurre una isquemia, no se puede aceptar sinreservas que el RT". sea el que dispara la muerte celular.También existen muchas evidencias que sugieren que lamuerte celular necrótica o apoptótica se deba a la mito-condria. Por ejemplo, la necrosis necesita que falle la producción de ATP mitocondrial v la apoptosis necesita la liberación de factores como el citocromo c, el factor
apoptótico y las procaspasas mitocondriales. Que esto seade origen mitoeondrial también se observa por el hechode que, cuando la mitocondria se sujeta a condicionesdespolarizantes, puede inducir todos los signos morfológicos de apoptosis en el núcleo aislado. Por lo tanto, serequiere obtener información adicional sobre este temapara llegar a una conclusión. Sin embargo, es probableque así como la homeostasis de ambos organelos es necesaria para el buen funcionamiento de la célula, la muertecelular se deba al mal funcionamiento tanto del RU, como
de la mitocondria.
Conclusiones
Como se ha descrito cn esta revisión, la muerte mediada porCa"' puede ser disparada por la mitocondria o por el reticulnendoplásmico, y se pueden diferenciar como vías de muertecelular particulares, pero también se sugiere que la muertecelular programada disparada por el Ri; tiene como blanco elmal fiincionamiento de la mitocondria, \' de manera inversa, la
muerte celular disparada por la mitocondria tiene como blanco la disfunción del Ri-. Sin embargo, el Ca"' intracelular y
citüSülicü desempeña un papel fundamental en ambos casos,por lo que un balance en la homeostasis tic Ca-" cn el R1-. y enla mitocondria debe desempeñar un papel crucial en el funcionamiento correcto de la célula. No obstante, un max'or núme
ro de estudios deben llevarse a cabo para tratar de comprender cómo son las relaciones entre el Rü y la mitocondria.
Por otra parte, en las enfermedades neurodegenerativas
nos enfrentamos a varios problemas que impiden tener unamejor comprensión de las causas que las originan. Uno delos principales problemas es que no existen modelos experimentales que reproduzcan las enfermedades neurodegenerativas humanas, por lo que nuestros estudios se limitan atejidos cerebrales humanos postmortem, cultivos celulares \-animales transgénicos, donde las condiciones celulares sondiferentes a las de un cerebro en proceso de degeneración.Por esta raztín, no se puede asegurar todavía si el vaciamiento del Ca-' del RI-., la elevación en la concentración de Ca-'
dtosólico, laproducción deespeciesreactivas de oxígeno (Rt is),la formación de depósitos p-amüoidc, la formación de marañas neurofibrilares o la disfunción de la mitocondria o de!
RI-; cn las neuronas de diferentes pacientes que padecen estasenfermedades, son el origen o su causa. H
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La homeosis y la macroevoiuciónFrancisco Versara Silva
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