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15.8 APOPTOSIS (MUERTE CELULAR PROGRAMADA)La apoptosis, o muerte celular programada, es un hecho normal en el que una secuencia organizada de fenómenos conduce a la muerte de la célula. La muerte por apoptosis es un proceso limpio y ordenado (fig. 15-35) caracterizado por el encogimiento general del volumen de la célula y su núcleo, pérdida de adhesión a las células contiguas, formación de vesículas en la superficie celular, disección de la cromatina en pequeños fragmentos y englobamiento rápido del “cadáver” por fagocitosis. Como es un proceso seguro y ordenado, la apoptosis podría compararse con la implosión controlada de un edificio mediante la colocación cuidadosa de explosivos, a diferencia de la simple explosión de una estructura sin considerar lo que ocurre con los detritos que vuelan.

¿Por qué el cuerpo tiene células indeseables y dónde se encuentran las células que están marcadas para la eliminación? La respuesta sintética es la siguiente: en casi cualquier parte donde se busque. Se ha estimado que en el cuerpo humano cada día mueren 1010 a 1011 células por apoptosis. Por ejemplo, la apoptosis participa en la eliminación de células que sufrieron daño genómico irreparable. Esto es importante porque el daño a la huella genética puede permitir la división celular no regulada y el desarrollo de cáncer. Por ejemplo, durante el desarrollo embrionario las neuronas crecen a partir del sistema nervioso central para inervar órganos que se encuentran en la periferia del cuerpo. Por lo general, crecen

muchas más neuronas de las necesarias para la inervación normal. Las neuronas que llegan a su destino reciben una señal del tejido blanco que les permite sobrevivir. Las neuronas que no encuentran el camino hasta el tejido blanco no reciben la señal de supervivencia y al final se eliminan por apoptosis. Los linfocitos T son células del sistema inmunitario, que reconocen y destruyen a las células blanco anormales o infectadas con patógenos. Estas células blanco se reconocen por receptores específicos que se encuentran en la superficie de los linfocitos T. Durante el desarrollo embrionario se producen linfocitos T que tienen receptores capaces de unirse con firmeza a las proteínas presentes en la superficie de las células normales dentro del cuerpo. Los linfocitos T que tienen esta peligrosa capacidad, se eliminan por apoptosis (fig. 17-25). Por último, la apoptosis parece participar en enfermedades neurodegenerativas como las de Alzheimer, Parkinson y Huntington. La eliminación de neuronas esenciales durante la progresión de la afección conduce a pérdida de memoria o de la coordinación motora. Estos ejemplos muestran que la apoptosis es importante para mantener la homeostasis en los organismos multicelulares y que la falla de la regulación de la apoptosis puede ocasionar daños graves al organismo.

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FIGURA 15-35 Comparación de una célula normal y células apoptóticas. (a y b) Micrografías electrónicas de barrido de una célula normal (a) y una célula apoptótica (b) de un hibridoma de células T. La célula que se somete a apoptosis tiene muchas vesículas superficiales que se desprenden de la célula. La barra equivale a 4 μm. (c) Micrografía electrónica de transmisión de una célula apoptótica tratada con un inhibidor que detiene la apoptosis en la etapa de vesículas de membrana. (a y b: tomadas de Y. Shi y D. R. Green, en S. J. Martin et al., Trends Biochem Sci 19:28, 1994; c: cortesía de Nicola J. McCarthy.)

John Kerr, Andrew Wyllie y A. R. Currie de la Aberdeen University en Escocia acuñaron el término “apoptosis” en 1972, en un documento trascendental que describía por primera vez los fenómenos coordinados que ocurrían durante la muerte programada de una gran variedad de células. La información sobre la base molecular de la apoptosis se reveló por primera vez en los estudios con el gusano nematodo C. elegans, cuyas células pueden seguirse con absoluta precisión durante el desarrollo embrionario. De las 1 090 células producidas durante el desarrollo de este gusano, 131 se destinaban a morir por apoptosis. En 1986, Robert Horvitz et al. del Massachusetts Institute of Technology descubrieron que los gusanos que tenían una mutación en el gen CED-3 continuaban con el desarrollo sin perder ninguna de sus células por apoptosis. Este hallazgo sugirió que el producto del gen CED-3 tenía una participación crucial en el proceso de la apoptosis en este organismo. Una vez que se identificó el gen en un organismo, como un nematodo, los investigadores pueden buscar genes homólogos en otros organismos, como los seres humanos u otros mamíferos. La identificación del gen CED-3 en los nematodos condujo al descubrimiento de una familia homóloga de proteínas en los mamíferos, que ahora se llaman

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caspasas. Las caspasas son un grupo distintivo de proteasas de cisteína (proteasas con un residuo clave de cisteína en su sitio catalítico) que se activan en una etapa temprana de la apoptosis y desencadenan la mayor parte o todos los cambios observados durante la muerte celular. Las caspasas realizan esta tarea mediante la división de un grupo selecto de proteínas esenciales. Entre los blancos de las caspasas figuran los siguientes:

Más de una docena de proteínas cinasas, incluida la cinasa de adhesión focal (FAK), PKB, PKC y Raf1. Por ejemplo, se presupone que la inactivación de FAK interrumpe la adhesión celular, con lo que se desprende la célula apoptótica de sus vecinas.

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

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

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

Estudios recientes se han enfocado en los fenómenos que conducen a la activación de un programa de suicidio celular. La apoptosis puede iniciarse por estímulos internos, como anormalidades en el DNA, y externos, como determinadas citosinas (proteínas secretadas por células del sistema inmunitario). Por ejemplo, las células epiteliales de la próstata sufren apoptosis cuando se les priva de la hormona

sexual masculina testosterona. Ésta es la razón por la que el cáncer prostático que se diseminó a otros tejidos a menudo se trata con fármacos que interfieren con la producción de testosterona. Los estudios indican que los estímulos externos activan la apoptosis mediante una vía de señalización llamada vía extrínseca, que se distingue de la utilizada por los estímulos internos, denominada vía intrínseca. Aquí se analizarán las vías extrínseca e intrínseca por separado. Sin embargo, debe hacerse notar que existe comunicación cruzada entre estas vías y que señales apoptóticas extracelulares pueden causar la activación de la vía intrínseca.

La vía extrínseca de la apoptosisLos pasos de la vía extrínseca se ilustran en la figura 15-36. En el caso mostrado en esta figura, el estímulo para la apoptosis lo porta una proteína mensajera extracelular llamada factor de necrosis tumoral (TNF), que recibe este nombre por su capacidad para destruir células tumorales. El TNF se produce en ciertas células del sistema inmunitario como respuesta a factores adversos, como la exposición a radiación ionizante, temperatura elevada, infección vírica o sustancias tóxicas como las empleadas en la quimioterapia contra el cáncer. Al igual que otros tipos de primeros mensajeros descritos en este capítulo, el TNF induce su reacción mediante la unión con un receptor transmembrana, TNFR1. Éste es miembro de una familia de “receptores de muerte” relacionados que median la apoptosis. La evidencia disponible sugiere que el receptor para TNF se encuentra en la membrana plasmática como un trímero ya ensamblado. El dominio citoplásmico de cada subunidad del receptor para TNF contiene un segmento de unos 70 aminoácidos llamado “dominio de

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muerte” (cada segmento verde de la fig. 15-36) que media las interacciones entre proteínas. La unión de TNF al receptor trimérico produce un cambio en la conformación del dominio de muerte del receptor que conduce al reclutamiento de varias proteínas, como se indica en la figura 15-36.

Las últimas proteínas en unirse al complejo que se ensambla en la superficie interna de la membrana plasmática son dos moléculas de procaspasa 8 (fig. 15-36). Estas proteínas se llaman “procaspasas” porque cada una es precursora de una caspasa; contienen una porción adicional que debe eliminarse mediante procesamiento proteolítico para activar la enzima. La síntesis de las caspasas como proenzimas protege a la célula del daño proteolítico accidental. A diferencia de la mayor parte de las proenzimas, las procaspasas tienen un nivel bajo de actividad proteolítica. De acuerdo a un modelo, cuando dos o más procaspasas se mantienen muy próximas unas con otras, como se encuentran en la figura 15-36, son capaces de dividir sus cadenas polipeptídicas entre sí y convertir a la molécula en una caspasa activa. La enzima madura final (caspasa 8) posee cuatro cadenas polipeptídicas derivadas de dos precursores procaspasa como lo muestra la figura.

En principio, la activación de la caspasa 8 es similar a la activación de los efectores por acción de una hormona o factor de crecimiento. En todas estas vías de señalización, la unión de un ligando extracelular crea un cambio en la conformación de un receptor que lleva a la unión y activación de proteínas situadas corriente abajo en la vía. La caspasa 8 se describe como una caspasa iniciadora porque comienza la apoptosis mediante la división y activación en dirección 3', o como caspasas ejecutoras porque realizan la autodestrucción controlada de la célula, como se describió antes.

FIGURA 15-36 La vía extrínseca (mediada por receptor) de la apoptosis. Cuando TNF se une con un receptor para TNF (TNFR1), el receptor activado se une

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con dos proteínas adaptadoras citoplásmicas diferentes (TRADD y FADD) y a la procaspasa 8 para formar un complejo multiproteínico en la superficie interna de la membrana plasmática. Los dominios citoplásmicos del receptor TNF, FADD y TRADD interactúan entre sí mediante regiones homólogas llamadas dominios de muerte que se encuentran en cada proteína (indicados como cuadros verdes). La procaspasa 8 y FADD interactúan mediante regiones homólogas llamadas dominios efectores de muerte (indicadas como cuadros cafés). Una vez ensambladas en el complejo, las dos moléculas de procaspasa se dividen una a la otra para generar una molécula activa de caspasa 8 que contiene cuatro segmentos polipeptídicos. La caspasa 8 es un complejo iniciador que divide a las caspasas en dirección 3' (ejecutoras) que perpetran la sentencia de muerte. Puede notarse que la interacción entre TNF y TNFR1 también activa otras vías de señalización, una de las cuales conduce a la supervivencia celular en lugar de la autodestrucción.

La vía intrínseca de la apoptosisLos estímulos internos, como el daño genético irreparable, las concentraciones demasiado elevadas de Ca2+ en el citosol, infección viral o el estrés oxidativo grave (esto es, la producción de grandes cantidades de radicales libres destructivos, pág. 34) y la falta de señales de supervivencia (ausencia de factores de crecimiento) desencadenan la apoptosis por la vía intrínseca ilustrada en la figura 15-37. La activación de la vía intrínseca está regulada por miembros de la familia Bcl-2 de proteínas, que se caracteriza por la presencia de uno o más dominios BH. Los miembros de la familia Bcl-2 pueden subdividirse en tres grupos: 1) miembros que fomentan la apoptosis (p. ej., Bax y Bak), 2) miembros antiapoptóticos que protegen a las células de la apoptosis (p. ej., Bclx L, Bcl-w y Bcl-2)3 y 3) proteínas sólo BH3 (llamadas así porque sólo comparten un dominio pequeño, el dominio BH3, con otros

miembros de la familia Bcl-2), que fomentan la apoptosis por un mecanismo indirecto. De acuerdo con la idea prevaleciente, las proteínas sólo BH3 (p. ej., Bid, Bad, Puma y Bim) pueden ejercer su efecto antiapoptótico de dos formas distintas, según las proteínas particulares implicadas. En algunos casos parecen promover la apoptosis por inhibición de los miembros Bcl-2 antiapoptóticos, mientras que en otros casos parecen promover la apoptosis mediante la activación de los miembros proapoptóticos de Bcl-2. En cualquier caso, las proteínas sólo BH3 son los determinantes probables de que una célula siga una vía de supervivencia o muerte. En una célula saludable, las proteínas sólo BH3 están ausentes o muy inhibidas, y las proteínas antiapoptóticas Bcl-2 pueden restringir a los miembros proapoptóticos. El mecanismo por el cual ocurre esto es tema de debate. Sólo en presencia de ciertos tipos de estrés es que se expresan o activan las proteínas sólo BH3, lo que desplaza el equilibro en dirección de la apoptosis. En estas circunstancias, se rebasan los efectos restrictivos de las proteínas Bcl-2 antiapoptóticas y ciertos integrantes proapoptóticos de la familia Bcl-2, como Bax, quedan libres para trasladarse del citosol a la membrana mitocondrial externa. Aunque el mecanismo no se comprende del todo, se cree que las moléculas Bax (y/o Bak) experimentan un cambio en la conformación que las hace insertarse en la membrana mitocondrial externa y ensamblarse en un conducto de unidades múltiples recubierto por proteína. Una vez formado, este conducto aumenta en forma drástica la permeabilidad de la membrana mitocondrial externa y fomenta la liberación de ciertas proteínas mitocondriales, en particular el citocromo c (fig. 15-38), que reside en el espacio intermembrana (fig. 5-17). La permeabilización de la membrana mitocondrial puede acelerarse mediante un aumento en la concentración de Ca2+ citosólico después de la

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liberación del ion desde el ER. Casi todas las moléculas del citocromo c presentes en todas las mitocondrias de una célula pueden liberarse de una célula apoptótica en un periodo de sólo 5 min.

La liberación de proteínas mitocondriales proapoptóticas, como el citocromo c, parece ser el “punto sin retorno”; o sea, un fenómeno que destina a la célula de manera irreversible a la apoptosis. Una vez en el citosol, el citocromo c forma parte de un complejo multiproteínico llamado apoptosoma, que también incluye varias moléculas de procaspasa 9. Se piensa que las moléculas de procaspasa 9 se activan con la simple unión del complejo multiproteínico y no requieren división proteolítica (fig. 15-37). Al igual que la caspasa 8, que se activa por la vía mediada por el receptor descrito antes, la caspasa 9 es una caspasa iniciadora que activa las caspa-

___________3El primer miembro de la familia, el Bcl-2 mismo, se descubrió en 1985 como un oncogén causante de cáncer en los linfomas humanos. El gen que codifica Bcl-2 se expresa en demasía en estas células malignas como resultado de una translocación. Ahora se sabe que Bcl-2 actúa como un oncogén mediante la promoción de la supervivencia de células cancerosas potenciales que de otra manera morirían por apoptosis.

sas ejecutoras en dirección 3', lo cual causa la apoptosis.4 Al final, las vías externa (mediada por receptor) e interna (mediada por mitocondrias) convergen mediante la activación de las mismas caspasas ejecutoras, que dividen los mismos blancos celulares.

FIGURA 15-37 La vía intrínseca (mediada por mitocondrias) de la apoptosis. Varios tipos de estrés celular hacen que los miembros de la familia de proteínas Bcl-2 que favorecen la apoptosis, como Bax, se inserten en la membrana mitocondrial externa. La inserción de estas proteínas conduce a la liberación de moléculas del citocromo c del espacio intermembranoso de las mitocondrias. Se cree que la liberación depende de poros en la membrana mitocondrial que se forman por oligómeros Bax. Una vez en el citosol, las moléculas de citocromo c forman un complejo con múltiples subunidades con una proteína citosólica llamada Apaf-1 y moléculas de procaspasa 9. Al parecer, las moléculas de procaspasa 9 alcanzan su actividad proteolítica

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completa como resultado del cambio de la conformación inducido por su relación con Apaf-1. Las moléculas de caspasa 9 dividen y activan a las caspasas ejecutoras, las cuales realizan la reacción de apoptosis.

FIGURA 15-38 Liberación del citocromo c y fragmentación nuclear durante la apoptosis. Micrografías con fluorescencia de células de mamífero cultivadas antes (a) y después (b) del tratamiento con inhibidor de proteína cinasa citotóxico que activa la vía intrínseca de la apoptosis. En la célula no tratada, el citocromo c (verde) se halla en la red mitocondrial y el núcleo permanece intacto (azul). Una vez que se inicia la apoptosis, se libera el citocromo c de la mitocondria y se encuentra en toda la célula, mientras que el núcleo se rompe en varios fragmentos. (Cortesía de S. E. Wiley, USCD/Walther Cancer Institute.)

4También se han descrito otras vías intrínsecas independientes de Apaf-1 y la caspasa 9 y tal vez también independientes del citocromo c.

FIGURA 15-39 La eliminación de las células apoptóticas se lleva a cabo por fagocitosis. Esta micrografía electrónica muestra el “cadáver” de una célula apoptótica dentro del citoplasma de un fagocito. Nótese la naturaleza compacta de la célula englobada y el estado denso de su cromatina. (Reimpresa con autorización de Peter M. Henson, Donna L. Bratton y Valerie A. Fadok, Curr. Biol. 11:R796, 2001.)

Es posible preguntarse por qué el citocromo c, un componente de la cadena de transporte de electrones, y la mitocondria, un organelo que funciona como planta energética de la célula, participan en el inicio de la apoptosis. Por ahora no hay una respuesta obvia a esta pregunta. La función clave de las mitocondrias en la apoptosis suscita aún más perplejidad cuando se considera que estos organelos evolucionaron a partir de simbiontes internos procariotas y que los procariotas no sufren apoptosis. Cuando las células ejecutan el programa de apoptosis, pierden el contacto con sus vecinas y empiezan a encogerse. Al final, la célula se desintegra en un cuerpo apoptótico condensado y rodeado por membrana. Este programa apoptótico completo puede ejecutarse en menos de 1 h. Los cuerpos apoptótico se reconocen por la presencia de fosfatidilserina en su superficie. La fosfatidilserina es un fosfolípido que sólo suele

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encontrarse en la hoja interna de la membrana plasmática. Durante la apoptosis, una “revoltasa” de fosfolípido mueve a las moléculas de fosfatidilserina a la hoja externa de la membrana plasmática, donde los macrófagos especializados la reconocen como una señal de fagocitar. Por lo tanto, la muerte celular por apoptosis ocurre sin verter el contenido celular al ambiente extracelular (fig. 15-39). Esto es importante porque la liberación de detritos celulares causaría inflamación, la cual puede provocar daño hístico de consideración.

Tal y como existen señales que destinan la célula a la autodestrucción, también hay señales opuestas que mantienen la supervivencia celular. De hecho, la interacción del TNF con un receptor para TNF transmite a menudo dos señales distintas y contrarias hacia el interior celular: una estimula la apoptosis y la otra promueve la supervivencia celular. Como resultado, la mayoría de las células que tienen receptores para TNF no sufre apoptosis cuando se tratan con TNF. Esto fue un hallazgo decepcionante porque al principio se pensó que el TNF podía usarse como agente para destruir células tumorales. La supervivencia celular casi siempre está mediada por la activación de un factor de transcripción clave llamado NF-κB, que media la expresión de genes que codifican las proteínas para la supervivencia celular. Parecería que el destino de una célula (ya sea la supervivencia o la muerte), depende del equilibrio entre las señales que fomentan y las que impiden la apoptosis.

REVISIÓN ?1. ¿Cuáles son algunas de las funciones de la

apoptosis en la biología de los vertebrados? Describa los pasos que ocurren entre a) el momento en que la molécula de TNF se une con su receptor y la muerte final de la célula y b) entre el

momento en que el miembro proapoptótico Bcl-2 se une con la membrana mitocondrial externa y la muerte de la célula.

2. ¿Cuál es la función de la formación de complejos que contienen caspasa en el proceso de la apoptosis?

SINOPSISLa señalización celular es un fenómeno en el que se transmite información a través de la membrana plasmática hacia el interior celular y muchas veces al núcleo celular. La mayor parte de las veces la señalización celular incluye el reconocimiento del estímulo en la superficie externa de la membrana plasmática, la transferencia de la señal por la membrana plasmática y la transmisión de la señal al interior celular, lo que inicia una respuesta. Las reacciones pueden incluir un cambio en la expresión genética, una alteración de la actividad de las enzimas metabólicas, una reconfiguración del citoesqueleto, un cambio de la permeabilidad iónica, la activación de la síntesis de DNA o la muerte de la célula. Este proceso se conoce a menudo como transducción de señal. Dentro de la célula, la información pasa por las vías de señalización, que muchas veces incluye proteínas cinasas y proteínas fosfatasas que activan o inhiben sus sustratos mediante cambios en la conformación. Otro rasgo prominente de las vías de señalización es la participación de proteínas de unión con GTP que sirven como interruptores que encienden o apagan la vía (pág. 606).

Muchos estímulos extracelulares (primeros mensajeros) inician respuestas mediante la interacción con un receptor unido con proteína G (GPCR) en la superficie externa de la célula y el estímulo de la liberación de un segundo mensajero dentro de la célula.

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

de subunidades específicas componen proteínas G que tienen diferentes propiedades en sus interacciones, con los receptores y los efectores (pág. 609).

La fosfolipasa C es otro efector importante en la superficie interna de la membrana plasmática que pueden activarla las proteínas G heterotriméricas. La PI-fosfolipasa C separa al 4,5-difosfato de fosfatidilinositol (PIP2) en dos segundos mensajeros diferentes, 1,4,5-trifosfato de inositol (IP3) y 1,2-diacilglicerol (DAG). El DAG permanece en la membrana plasmática, donde activa a la enzima proteína cinasa C, la cual fosforila los residuos de serina y treonina en varias proteínas blanco. La activación constitutiva de la proteína cinasa C causa la pérdida del control de crecimiento. El IP3 es una pequeña molécula hidrosoluble que puede difundirse al citoplasma, donde se une con receptores para IP3 localizados en la superficie del retículo endoplásmico liso. Los receptores para IP3 son conductos iónicos tetraméricos para calcio; la unión de IP3 hace que se abran los conductos iónicos y el Ca2+ se difunda al citosol (pág. 616).

Una vía de señalización, que comienza con un GPCR activado, controla la utilización de glucosa. La degradación de glucógeno en glucosa la estimulan las hormonas adrenalina y glucagón, que actúan como primeros mensajeros mediante la unión con sus receptores respectivos en la superficie externa de las células blanco. La unión de las hormonas activa un efector en la superficie interna de la membrana, la adenilil ciclasa, lo que conduce a la producción del segundo mensajero cAMP capaz de difundirse. El cAMP genera su respuesta mediante una cascada de reacciones en la que una serie de enzimas se modifica de manera covalente. Las moléculas del cAMP se unen con las subunidades reguladoras de una

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proteína cinasa dependiente de cAMP llamada PKA, que fosforila a la fosforilasa cinasa y la glucógeno sintasa, lo que da lugar a la activación de la primera enzima y la inhibición de la segunda. Las moléculas de fosforilasa cinasa activada que agregan fosfatos a la glucógeno fosforilasa, activan a esta última enzima y conducen al desdoblamiento de glucógeno en glucosa 1-fosfato, que se convierte en glucosa. Como resultado de esta cascada de reacciones, el mensaje original, que llegó a la superficie celular con la unión de una hormona, se amplifica en gran medida y el tiempo de respuesta disminuye de manera notoria. Las cascadas de reacción de este tipo también suministran varios sitios de regulación. La adición de grupos fosfato por acción de las cinasas se revierte por las fosfatasas que retiran los fosfatos. El cAMP se produce en muchas células distintas como reacción a una gran variedad de primeros mensajeros. El curso de sucesos que ocurre en la célula blanco depende de las proteínas específicas fosforiladas por la cinasa dependiente de cAMP (pág. 618).

Muchos estímulos extracelulares inician una respuesta celular mediante la unión con el dominio extracelular de una proteína tirosina cinasa receptora (RTK), que activa el dominio de tirosina cinasa localizado en la superficie interna de la membrana plasmática. Las RTK regulan diversas funciones, como el crecimiento y proliferación celulares, el curso de la diferenciación celular, la captación de partículas ajenas y la supervivencia celular. Los ligandos estimulantes del crecimiento mejor estudiados, como PDGF, EGF y FGF, activan una vía de señalización llamada cascada de cinasa de MAP que incluye una pequeña proteína monomérica de unión con GTP denominada Ras. Al igual que otras proteínas G, la Ras fluctúa entre una forma inactiva unida con GDP y una forma activa

unida con GTP. En su forma activa, estimula a los efectores que se encuentran corriente abajo en la vía de señalización. Como otras proteínas G, la Ras tiene actividad de GTP-asa (estimulada por una GAP) que hidroliza el GTP unido para formar GDP unido, con lo que se apaga a sí misma. Cuando un ligando se une con la RTK, la transautofosforilación del dominio citoplásmico del receptor conduce al reclutamiento de Sos, un activador de Ras, a la superficie interna de la membrana. Sos cataliza el intercambio de GDP por GTP, lo que activa a la Ras. La proteína Ras activada tiene una mayor afinidad por otra proteína llamada Raf, que sufre la atracción de la membrana plasmática, donde se convierte en una proteína cinasa activa que inicia una cadena ordenada de reacciones de fosforilación mostradas en la figura 15-20. Los últimos blancos de la cascada de la cinasa de MAP son factores de transcripción que estimulan la expresión de los genes cuyos productos tienen una función clave en la activación del ciclo celular, lo que inicia la síntesis de DNA y la división celular. La cascada de cinasa de MAP se encuentra en todos los eucariotas, desde las levaduras hasta los mamíferos, aunque durante la evolución se adaptó para inducir respuestas diferentes en los diversos tipos de células (pág. 623).

La insulina media muchas de sus acciones en las células blanco mediante la interacción con el receptor para insulina, que es una RTK. La cinasa activada agrega grupos fosfato a los residuos de tirosina localizados en el receptor y las proteínas de acoplamiento relacionadas con el receptor llamadas IRS. Los residuos fosforilados de tirosina de una IRS sirven como sitios de acoplamiento para las proteínas que tienen dominios SH2, las cuales se activan con la unión con IRS. Varias vías de señalización separadas pueden activarse como resultado de distintas proteínas de señalización que se unen

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con una IRS fosforilada. Una vía puede estimular la síntesis de DNA y la división celular, otra puede estimular el movimiento de los transportadores de glucosa a la membrana celular y otras más pueden activar los factores de transcripción que inician la expresión de un conjunto de genes específicos de insulina (pág. 631).

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

contiene cuatro sitios para unión con calcio. El ion calcio también es un mensajero intracelular importante en las células vegetales, donde media las respuestas a diversos estímulos, incluidos cambios de la luz, presión, gravedad y la concentración de hormonas vegetales como el ácido abscísico (pág. 634).

Las diferentes vías de señalización se interconectan con frecuencia. Como resultado, las señales de diversos ligandos no relacionados pueden convergir para activar a un efector común, como Ras; las señales del mismo ligando pueden divergir para activar varios efectores diferentes y las señales pueden pasar en uno y otro sentido entre distintas vías (comunicación cruzada) (pág. 638).

El óxido nítrico actúa como mensajero intercelular que se difunde en forma directa por la membrana plasmática de la célula blanco. Entre las actividades que estimula el NO está la relajación de las células de músculo liso que recubren los vasos sanguíneos. El NO se produce por acción de la enzima sintasa de óxido nítrico, que emplea arginina como sustrato. A menudo, el NO funciona mediante la activación de la guanilil ciclasa para producir el segundo mensajero cGMP (pág. 640).

Las vías de señalización pueden conducir a la apoptosis, la muerte celular programada. Los ejemplos de apoptosis incluyen la muerte del exceso de células nerviosas, la muerte de linfocitos T que reaccionan con los propios tejidos del cuerpo y la muerte de las células cancerosas potenciales. La muerte por apoptosis se caracteriza por la compactación general de la célula y su núcleo, con disección ordenada de la cromatina por efecto de endonucleasas especiales. La apoptosis está mediada por enzimas proteolíticas llamadas caspasas que activan o desactivan sustratos proteínicos clave mediante la eliminación de una parte de su

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cadena polipeptídica. Se han identificado dos vías distintas de apoptosis, una iniciada por estímulos extracelulares que actúan mediante receptores de muerte, como TNFR1, y la otra desencadenada por estrés celular interno que actúa a través de la liberación de citocromo c del espacio intermembranoso de la mitocondria y la activación de miembros proapoptóticos de la familia de la proteína Bcl-2 (pág. 642).

PREGUNTAS ANALÍTICAS

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

2. Suponga que la vía de señalización de la figura 15-3 condujera a la activación de un gen que inhibe una cinasa dependiente de ciclina encargada de impulsar a la célula a la fase S del ciclo celular. ¿De qué manera una mutación debilitante en la cinasa 3 de proteína afectaría el crecimiento celular?

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

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

5. En la cascada de reacciones ilustrada en la figura 15-20, ¿qué pasos conducen a la amplificación y cuáles no?

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

7. Uno de los experimentos clave para mostrar que las uniones comunicantes (pág. 256) permiten el paso de pequeñas moléculas se realizó al permitir que las células del músculo cardiaco (que se contraen como respuesta a la adrenalina) formaran uniones comunicantes con células de la granulosa ovárica (que responden a la FSH con varios cambios metabólicos). Luego, los investigadores agregaron FSH al cultivo celular mixto y observaron la contracción de las células musculares. ¿De qué manera las células musculares reaccionan a la FSH y qué supone esto acerca de la estructura y función de las uniones comunicantes?

8. ¿Cómo esperaría que un análogo de GTP que la célula no pudo hidrolizar (un análogo no hidrolizable) afecte los fenómenos de señalización que ocurren durante la estimulación de una célula hepática por el glucagon?, ¿cuál sería el efecto del mismo análogo en la transducción de la señal de una célula epitelial después de la exposición al factor de crecimiento epidérmico (EGF)?, ¿cómo se compararía esto con los efectos de la toxina del cólera (pág. 614) en estas mismas células?

9. Usted sospecha que la fosfatidilcolina podría servir como precursora de un segundo mensajero que inicia la secreción de una hormona en un tipo de célula endocrina cultivada que está bajo estudio. Además,

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sospecha que el segundo mensajero liberado por la membrana plasmática como reacción a un estímulo es el fosfato de colina. ¿Qué tipo de experimento podría llevar a cabo para comprobar su hipótesis?

10. La figura 15-25 muestra los cambios localizados en [Ca2+] dentro del árbol dendrítico de una célula de Purkinje. Los iones de calcio son agentes pequeños que se difunden con rapidez. ¿Cómo es posible que una célula mantenga diferentes concentraciones de este ion libre en distintas regiones del citosol?, ¿qué cree que sucedería si inyectara un volumen pequeño de una solución de cloruro de calcio en una región de una célula inyectada ya antes con una sonda de calcio fluorescente?

11. Formule una hipótesis que explique cómo el contacto de la superficie externa de un huevo con un espermatozoide produce una oleada de liberación de Ca2+ que se extiende a todo el huevo, como se muestra en la figura 15-27.

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

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

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

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

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

17. Usted trabaja con un tipo de fibroblasto que en condiciones normales responde al factor de crecimiento epidérmico, con un aumento de su ritmo de crecimiento y división, y a la adrenalina, con un descenso de la velocidad de crecimiento y división. Ya comprobó que ambas reacciones requieren la vía de la cinasa de MAP y que el EGF actúa mediante una RTK y la adrenalina a través de un receptor unido a proteína G. Suponga que identifica una cepa mutante de estas células que aún puede responder al EGF, pero ya no se inhibe con la adrenalina. Sospecha que la mutación afecta la comunicación cruzada entre dos vías (mostradas en la fig. 15-33). ¿Qué componente de esta figura podría afectarse por tal mutación?

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

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

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

21. La mayor parte de las RTK actúa en forma directa sobre los efectores en dirección 3', mientras que la RTK de la insulina actúa mediante una proteína de acoplamiento intermediaria, un sustrato receptor de insulina (IRS). ¿Existe alguna ventaja en la señalización que pudiera derivar del uso de estos IRS intermediarios?

22. Los investigadores han informado que 1) la mayor parte de los efectos fisiológicos de la insulina sobre las células blanco puede bloquearse mediante la incubación de células con wortmanina, un compuesto que inhibe en forma específica la enzima PI3K, y 2) que el impulso para que las células expresen de modo exagerado una forma con actividad constitutiva de PKB (una forma de la enzima que siempre está activa sin importar las circunstancias) induce una reacción en las células idéntica a la que suscita la adición de insulina a estas células. Al observar la figura 15-23, ¿puede decirse que esto era lo previsto?, ¿por qué?

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

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