Células hablando entre sí
Para responder a los cambios en su entorno inmediato, las células deben poder recibir y procesar las señales que se originan fuera de sus fronteras. Las células individuales a menudo reciben muchas señales simultáneamente, y luego integran la información que reciben en un plan de acción unificado. Pero las células no son solo objetivos. También envían mensajes a otras celdas cercanas y lejanas.
La mayoría de las señales celulares son de naturaleza química. Por ejemplo, los organismos procariotas tienen sensores que detectan nutrientes y los ayudan a navegar hacia las fuentes de alimentos. En los organismos multicelulares, los factores de crecimiento, las hormonas, los neurotransmisores y los componentes de la matriz extracelular son algunos de los muchos tipos de señales químicas que utilizan las células. Estas sustancias pueden ejercer sus efectos localmente o pueden viajar largas distancias. Por ejemplo, los neurotransmisores son una clase de moléculas de señalización de corto alcance que viajan a través de los espacios diminutos entre las neuronas adyacentes o entre las neuronas y las células musculares. Otras moléculas de señalización deben moverse mucho más para alcanzar sus objetivos. Un ejemplo es la hormona folículo estimulante, que viaja desde el cerebro de los mamíferos al ovario, donde desencadena la liberación de huevos.
Algunas células también responden a estímulos mecánicos. Por ejemplo, las células sensoriales en la piel responden a la presión del tacto, mientras que las células similares en el oído reaccionan al movimiento de las ondas de sonido. Además, las células especializadas en el sistema vascular humano detectan cambios en la presión arterial, información que el cuerpo usa para mantener una carga cardíaca constante.
Las células tienen proteínas llamadas receptores que se unen a las moléculas de señalización e inician una respuesta fisiológica. Diferentes receptores son específicos para diferentes moléculas. Los receptores de dopamina se unen a la dopamina, los receptores de insulina se unen a la insulina, los receptores del factor de crecimiento nervioso se unen al factor de crecimiento nervioso, y así sucesivamente. De hecho, hay cientos de tipos de receptores encontrados en las células, y los diferentes tipos de células tienen diferentes poblaciones de receptores. Los receptores también pueden responder directamente a la luz o la presión, lo que hace que las células sean sensibles a los eventos en la atmósfera.
Los receptores son generalmente proteínas transmembrana, que se unen a moléculas de señalización fuera de la célula y posteriormente transmiten la señal a través de una secuencia de interruptores moleculares a vías de señalización internas. Los receptores de membrana se dividen en tres clases principales: receptores acoplados a proteína G, receptores de canales iónicos y receptores ligados a enzimas. Los nombres de estas clases de receptores se refieren al mecanismo por el cual los receptores transforman las señales externas en internas, mediante la acción de proteínas, la apertura del canal iónico o la activación enzimática, respectivamente. Debido a que los receptores de membrana interactúan con las señales extracelulares y las moléculas dentro de la célula, permiten que las moléculas de señalización afecten la función celular sin entrar realmente en la célula. Esto es importante porque la mayoría de las moléculas de señalización son demasiado grandes o están demasiado cargadas para atravesar la membrana plasmática de una célula.
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No todos los receptores existen en el exterior de la célula. Algunos existen en el interior de la célula, o incluso en el núcleo. Estos receptores generalmente se unen a moléculas que pueden atravesar la membrana plasmática, como los gases como el óxido nitroso y las hormonas esteroides como el estrógeno.
Una vez que una proteína receptora recibe una señal, sufre un cambio conformacional, que a su vez inicia una serie de reacciones bioquímicas dentro de la célula. Estas vías de señalización intracelular, también llamadas cascadas de transducción de señales, típicamente amplifican el mensaje, produciendo múltiples señales intracelulares para cada receptor que se une.
La activación de los receptores puede desencadenar la síntesis de pequeñas moléculas llamadas segundos mensajeros, que inician y coordinan las vías de señalización intracelular. Por ejemplo, el AMP cíclico (cAMP) es un segundo mensajero común que participa en las cascadas de transducción de señales. (De hecho, fue el primer segundo mensajero jamás descubierto.) El cAMP se sintetiza a partir del ATP mediante la enzima adenilil ciclasa, que reside en la membrana celular. La activación de la adenilil ciclasa puede dar como resultado la fabricación de cientos o incluso miles de moléculas de cAMP. Estas moléculas de AMPc activan la enzima proteína quinasa A (PKA), que luego fosforila múltiples sustratos proteicos uniéndoles grupos de fosfato. Cada paso en la cascada amplifica aún más la señal inicial, y las reacciones de fosforilación median las respuestas tanto a corto como a largo plazo en la célula (Figura 2). ¿Cómo cAMP deja de señalizar? Es degradado por la enzima fosfodiesterasa.
Otros ejemplos de segundos mensajeros incluyen diacilglicerol (DAG) e inositol 1,4,5-trifosfato (IP3), que son ambos producidos por la enzima fosfolipasa, también una proteína de membrana. IP3 provoca el lanzamiento de Ca2 + – otro segundo mensajero – de las tiendas intracelulares. Juntos, DAG y Ca2 + activan otra enzima llamada proteína quinasa C (PKC).
Las proteínas quinasas tales como PKA y PKC catalizan la transferencia de grupos fosfato de moléculas de ATP a moléculas de proteína. Dentro de las proteínas, los aminoácidos serina, treonina y tirosina son sitios especialmente comunes para la fosforilación. Estas reacciones de fosforilación controlan la actividad de muchas enzimas implicadas en las vías de señalización intracelular. Específicamente, la adición de grupos fosfato causa un cambio conformacional en las enzimas, que puede activar o inhibir la actividad de la enzima. Luego, cuando sea apropiado, las proteínas fosfatasas eliminan los grupos fosfato de las enzimas, revirtiendo así el efecto sobre la actividad enzimática.
La fosforilación permite un control complejo de la función de la proteína. Los grupos fosfato se pueden agregar a múltiples sitios en una sola proteína, y una sola proteína a su vez puede ser el sustrato para múltiples quinasas y fosfatasas.
En cualquier momento, una célula está recibiendo y respondiendo a numerosas señales, y múltiples vías de transducción de señales están operando en su citoplasma. Muchos puntos de intersección existen entre estas rutas. Por ejemplo, un solo segundo mensajero o proteína quinasa podría desempeñar un papel en más de una vía. A través de esta red de vías de señalización, la célula integra constantemente toda la información que recibe de su entorno externo.
Las células típicamente reciben señales en forma química a través de diversas moléculas de señalización. Cuando una molécula de señalización se une con un receptor apropiado en la superficie de la célula, esta unión desencadena una cadena de eventos que no solo transmite la señal al interior de la célula, sino que la amplifica también. Las células también pueden enviar moléculas de señalización a otras células. Algunas de estas señales químicas, incluidos los neurotransmisores, viajan solo una corta distancia, pero otras deben ir mucho más lejos para alcanzar sus objetivos.
