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9.1A: Moléculas de señalización y receptores celulares - Biología

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La comunicación celular asegura la regulación de los procesos biológicos dentro de varios entornos, desde organismos unicelulares hasta organismos multicelulares.

Objetivos de aprendizaje

  • Explicar la importancia de la comunicación celular.

Puntos clave

  • La capacidad de las células para comunicarse a través de señales químicas se originó en células individuales y fue esencial para la evolución de organismos multicelulares.
  • En los organismos multicelulares, las células envían y reciben mensajes químicos constantemente para coordinar las acciones de órganos, tejidos y células distantes.
  • Las células pueden recibir un mensaje, transferir la información a través de la membrana plasmática y luego producir cambios dentro de la célula en respuesta al mensaje.
  • Los organismos unicelulares, como la levadura y las bacterias, se comunican entre sí para ayudar en el apareamiento y la coordinación.
  • La comunicación celular se ha desarrollado como un medio para comunicarse con el medio, producir cambios biológicos y, si es necesario, asegurar la supervivencia.

Términos clave

  • biopelícula: una fina película de moco creada y que contiene una colonia de bacterias y otros microorganismos

Introducción: Moléculas de señalización y receptores celulares.

Imagínese cómo sería la vida si usted y las personas que lo rodean no pudieran comunicarse. No podría expresar sus deseos a los demás, ni podría hacer preguntas para obtener más información sobre su entorno. La organización social depende de la comunicación entre los individuos que componen esa sociedad; sin comunicación, la sociedad se desmoronaría.

Al igual que con las personas, es vital que las células individuales puedan interactuar con su entorno. Esto es cierto tanto si una célula está creciendo por sí misma en un estanque como si es una de las muchas células que forman un organismo más grande. Para responder adecuadamente a los estímulos externos, las células han desarrollado complejos mecanismos de comunicación que pueden recibir un mensaje, transferir la información a través de la membrana plasmática y luego producir cambios dentro de la célula en respuesta al mensaje.

En los organismos multicelulares, las células envían y reciben mensajes químicos constantemente para coordinar las acciones de órganos, tejidos y células distantes. La capacidad de enviar mensajes de forma rápida y eficiente permite a las células coordinar y ajustar sus funciones.

Si bien la necesidad de comunicación celular en organismos más grandes parece obvia, incluso los organismos unicelulares se comunican entre sí. Las células de levadura se envían señales entre sí para ayudar al apareamiento. Algunas formas de bacterias coordinan sus acciones para formar grandes complejos llamados biopelículas u organizar la producción de toxinas para eliminar organismos competidores. La capacidad de las células para comunicarse a través de señales químicas se originó en células individuales y fue esencial para la evolución de organismos multicelulares. El funcionamiento eficiente y sin errores de los sistemas de comunicación es vital para todas las formas de vida.


Figura 1. Las moléculas de señalización hidrófobas se difunden típicamente a través de la membrana plasmática e interactúan con los receptores intracelulares en el citoplasma. Muchos receptores intracelulares son factores de transcripción que interactúan con el ADN en el núcleo y regulan la expresión génica.

Receptores internos, también conocidos como receptores intracelulares o citoplasmáticos, se encuentran en el citoplasma de la célula y responden a moléculas de ligandos hidrófobos que pueden viajar a través de la membrana plasmática. Una vez dentro de la célula, muchas de estas moléculas se unen a proteínas que actúan como reguladores de la síntesis de ARNm (transcripción) para mediar en la expresión génica. La expresión genética es el proceso celular de transformar la información en el ADN de una célula en una secuencia de aminoácidos, que finalmente forma una proteína. Cuando el ligando se une al receptor interno, se desencadena un cambio conformacional que expone un sitio de unión al ADN en la proteína. El complejo ligando-receptor se mueve hacia el núcleo, luego se une a regiones reguladoras específicas del ADN cromosómico y promueve el inicio de la transcripción (Figura 1). La transcripción es el proceso de copiar la información en una célula & # 8217s ADN en una forma especial de ARN llamada ARN mensajero (ARNm) la célula usa información en el ARNm (que se mueve hacia el citoplasma y se asocia con los ribosomas) para vincular aminoácidos específicos en el orden correcto, produciendo una proteína. Los receptores internos pueden influir directamente en la expresión génica sin tener que transmitir la señal a otros receptores o mensajeros.


Formas de señalización

Hay cuatro categorías de señalización química que se encuentran en organismos multicelulares: señalización paracrina, señalización endocrina, señalización autocrina y señalización directa a través de uniones gap (Figura). La principal diferencia entre las diferentes categorías de señalización es la distancia que recorre la señal a través del organismo para llegar a la célula objetivo. No todas las células se ven afectadas por las mismas señales.

En la señalización química, una célula puede dirigirse a sí misma (señalización autocrina), una célula conectada por uniones gap, una célula cercana (señalización paracrina) o una célula distante (señalización endocrina). La señalización paracrina actúa sobre las células cercanas, la señalización endocrina utiliza el sistema circulatorio para transportar ligandos y la señalización autocrina actúa sobre la célula de señalización. La señalización a través de uniones gap implica la señalización de moléculas que se mueven directamente entre células adyacentes.


Biología 171


Imagínese cómo sería la vida si usted y las personas que lo rodean no pudieran comunicarse. No podrá expresar sus deseos a los demás, ni podrá hacer preguntas sobre su ubicación. La organización social depende de la comunicación entre los individuos que componen esa sociedad sin comunicación, la sociedad se desmoronaría.

Al igual que con las personas, es vital que las células individuales puedan interactuar con su entorno. Esto es cierto tanto para un organismo unicelular que crece en un charco como para un animal grande que vive en una sabana. Para responder adecuadamente a los estímulos externos, las células han desarrollado complejos mecanismos de comunicación que pueden recibir un mensaje, transferir la información a través de la membrana plasmática y luego producir cambios dentro de la célula en respuesta al mensaje.

En los organismos multicelulares, las células envían y reciben mensajes químicos constantemente para coordinar las acciones de órganos, tejidos y células distantes. La capacidad de enviar mensajes de forma rápida y eficiente permite a las células coordinar y ajustar sus funciones.

Si bien la necesidad de comunicación celular en organismos más grandes parece obvia, incluso los organismos unicelulares se comunican entre sí. Las células de levadura se envían señales entre sí para ayudar a encontrar otras células de levadura para la reproducción. Algunas formas de bacterias coordinan sus acciones para formar grandes complejos llamados biopelículas u organizar la producción de toxinas para eliminar organismos competidores. La capacidad de las células para comunicarse a través de señales químicas se originó en células individuales y fue esencial para la evolución de organismos multicelulares. La función eficiente y relativamente libre de errores de los sistemas de comunicación es vital para toda la vida tal como la conocemos.

Objetivos de aprendizaje

Al final de esta sección, podrá hacer lo siguiente:

  • Describir cuatro tipos de mecanismos de señalización que se encuentran en organismos multicelulares.
  • Compare los receptores internos con los receptores de la superficie celular
  • Reconocer la relación entre la estructura de un ligando y su mecanismo de acción.

Hay dos tipos de comunicación en el mundo de las células vivas. La comunicación entre células se denomina señalización intercelular y la comunicación dentro de una célula se denomina señalización intracelular. Una forma fácil de recordar la distinción es comprender el origen latino de los prefijos: enterrar- significa & # 8220between & # 8221 (por ejemplo, las líneas que se cruzan son aquellas que se cruzan entre sí) y intra- significa & # 8220inside & # 8221 (como en intravenoso).

Las señales químicas son liberadas por las células de señalización en forma de moléculas pequeñas, generalmente volátiles o solubles, llamadas ligandos. Un ligando es una molécula que se une a otra molécula específica, en algunos casos, entregando una señal en el proceso. Por tanto, los ligandos pueden considerarse moléculas de señalización. Los ligandos interactúan con proteínas en las células diana, que son células que se ven afectadas por señales químicas, estas proteínas también se denominan receptores. Existen ligandos y receptores en varias variedades, sin embargo, un ligando específico tendrá un receptor específico que típicamente se une solo a ese ligando.

Formas de señalización

Hay cuatro categorías de señalización química que se encuentran en organismos multicelulares: señalización paracrina, señalización endocrina, señalización autocrina y señalización directa a través de uniones gap ((Figura)). La principal diferencia entre las diferentes categorías de señalización es la distancia que recorre la señal a través del organismo para llegar a la célula objetivo. Debemos señalar aquí que no todas las células se ven afectadas por las mismas señales.


Señalización paracrina

Las señales que actúan localmente entre las células que están muy juntas se denominan señales paracrinas. Las señales paracrinas se mueven por difusión a través de la matriz extracelular. Este tipo de señales generalmente provocan respuestas rápidas que duran solo un corto período de tiempo. Para mantener la respuesta localizada, las moléculas de ligando paracrino normalmente son degradadas rápidamente por las enzimas o eliminadas por las células vecinas. La eliminación de las señales restablecerá el gradiente de concentración de la señal, lo que les permitirá difundirse rápidamente a través del espacio intracelular si se liberan nuevamente.

Un ejemplo de señalización paracrina es la transferencia de señales a través de las sinapsis entre las células nerviosas. Una célula nerviosa consta de un cuerpo celular, varias extensiones cortas y ramificadas llamadas dendritas que reciben estímulos y una extensión larga llamada axón, que transmite señales a otras células nerviosas o células musculares. La unión entre las células nerviosas donde ocurre la transmisión de señales se llama sinapsis. Una señal sináptica es una señal química que viaja entre las células nerviosas. Las señales dentro de las células nerviosas se propagan mediante impulsos eléctricos de movimiento rápido. Cuando estos impulsos llegan al final del axón, la señal continúa hacia una dendrita de la siguiente célula mediante la liberación de ligandos químicos llamados neurotransmisores de la célula presináptica (la célula que emite la señal). Los neurotransmisores se transportan a distancias muy pequeñas (20 a 40 nanómetros) entre las células nerviosas, que se denominan sinapsis químicas ((Figura)). La pequeña distancia entre las células nerviosas permite que la señal viaje rápidamente, lo que permite una respuesta inmediata, como, & # 8220 ¡Quite la mano de la estufa! & # 8221

Cuando el neurotransmisor se une al receptor en la superficie de la célula postsináptica, el potencial electroquímico de la célula diana cambia y se lanza el siguiente impulso eléctrico. Los neurotransmisores que se liberan en la sinapsis química se degradan rápidamente o son reabsorbidos por la célula presináptica para que la célula nerviosa receptora pueda recuperarse rápidamente y estar preparada para responder rápidamente a la siguiente señal sináptica.


Señalización endocrina

Las señales de células distantes se denominan señales endocrinas y se originan en células endocrinas. (En el cuerpo, muchas células endocrinas se encuentran en las glándulas endocrinas, como la glándula tiroides, el hipotálamo y la glándula pituitaria). Estos tipos de señales suelen producir una respuesta más lenta pero tienen un efecto más duradero. Los ligandos liberados en la señalización endocrina se denominan hormonas, moléculas de señalización que se producen en una parte del cuerpo pero que afectan a otras regiones del cuerpo a cierta distancia.

Las hormonas viajan grandes distancias entre las células endocrinas y sus células diana a través del torrente sanguíneo, que es una forma relativamente lenta de moverse por todo el cuerpo. Debido a su forma de transporte, las hormonas se diluyen y están presentes en concentraciones bajas cuando actúan sobre sus células diana. Esto es diferente de la señalización paracrina, en la que las concentraciones locales de ligandos pueden ser muy altas.

Señalización autocrina

Las señales autocrinas son producidas por células de señalización que también pueden unirse al ligando que se libera. Esto significa que la celda de señalización y la celda objetivo pueden ser la misma celda o una similar (el prefijo auto- significa yo, un recordatorio de que la célula de señalización se envía una señal a sí misma). Este tipo de señalización a menudo ocurre durante el desarrollo temprano de un organismo para asegurar que las células se desarrollen en los tejidos correctos y asuman la función adecuada. La señalización autocrina también regula la sensación de dolor y las respuestas inflamatorias. Además, si una célula está infectada con un virus, la célula puede enviarse una señal para sufrir una muerte celular programada, matando al virus en el proceso. En algunos casos, las células vecinas del mismo tipo también están influenciadas por el ligando liberado. En el desarrollo embriológico, este proceso de estimular un grupo de células vecinas puede ayudar a dirigir la diferenciación de células idénticas en el mismo tipo de célula, asegurando así el resultado de desarrollo adecuado.

Señalización directa a través de uniones de brecha

Gap uniones en animales y plasmodesmos en las plantas hay conexiones entre las membranas plasmáticas de las células vecinas. Estos canales llenos de líquido permiten que pequeñas moléculas de señalización, llamadas mediadores intracelulares, se difundan entre las dos células. Las moléculas pequeñas, como los iones de calcio (Ca 2+), pueden moverse entre las células, pero las moléculas grandes como las proteínas y el ADN no pueden pasar por los canales. La especificidad de los canales asegura que las células permanezcan independientes pero que puedan transmitir señales rápida y fácilmente. La transferencia de moléculas de señalización comunica el estado actual de la célula que está directamente al lado de la célula objetivo, lo que permite que un grupo de células coordine su respuesta a una señal que solo una de ellas puede haber recibido. En plantas, plasmodesmos son omnipresentes, lo que convierte a toda la planta en una red de comunicación gigante.

Tipos de receptores

Los receptores son moléculas de proteína en la célula diana o en su superficie que se unen al ligando. Hay dos tipos de receptores, receptores internos y receptores de superficie celular.

Receptores internos

Los receptores internos, también conocidos como receptores intracelulares o citoplasmáticos, se encuentran en el citoplasma de la célula y responden a moléculas de ligandos hidrófobos que pueden viajar a través de la membrana plasmática. Una vez dentro de la célula, muchas de estas moléculas se unen a proteínas que actúan como reguladores de la síntesis de ARNm (transcripción) para mediar en la expresión génica. La expresión genética es el proceso celular de transformar la información en el ADN de una célula en una secuencia de aminoácidos, que finalmente forma una proteína. Cuando el ligando se une al receptor interno, se desencadena un cambio conformacional que expone un sitio de unión al ADN en la proteína. El complejo ligando-receptor se mueve hacia el núcleo, luego se une a regiones reguladoras específicas del ADN cromosómico y promueve el inicio de la transcripción ((Figura)). La transcripción es el proceso de copiar la información en una célula & # 8217s ADN en una forma especial de ARN llamada ARN mensajero (ARNm) la célula usa información en el ARNm (que se mueve hacia el citoplasma y se asocia con los ribosomas) para vincular aminoácidos específicos en el orden correcto, produciendo una proteína. Los receptores internos pueden influir directamente en la expresión génica sin tener que transmitir la señal a otros receptores o mensajeros.


Receptores de superficie celular

Los receptores de la superficie celular, también conocidos como receptores transmembrana, son proteínas ancladas a la membrana (integrales) de la superficie celular que se unen a moléculas de ligandos externos. Este tipo de receptor atraviesa la membrana plasmática y realiza la transducción de señales, a través de la cual una señal extracelular se convierte en una señal intracelular. Los ligandos que interactúan con los receptores de la superficie celular no tienen que entrar en la célula a la que afectan. Los receptores de la superficie celular también se denominan proteínas o marcadores específicos de la célula porque son específicos de los tipos de células individuales.

Debido a que las proteínas receptoras de la superficie celular son fundamentales para el funcionamiento celular normal, no debería sorprender que un mal funcionamiento en cualquiera de estas proteínas pueda tener consecuencias graves. Se ha demostrado que los errores en las estructuras proteicas de ciertas moléculas receptoras influyen en la hipertensión (presión arterial alta), el asma, las enfermedades cardíacas y el cáncer.

Cada receptor de la superficie celular tiene tres componentes principales: un dominio de unión a ligando externo, una región hidrófoba que atraviesa la membrana llamada dominio transmembrana y un dominio intracelular dentro de la célula. El dominio de unión al ligando también se denomina dominio extracelular. El tamaño y la extensión de cada uno de estos dominios varían ampliamente, dependiendo del tipo de receptor.

Cómo reconocen los virus a un huésped A diferencia de las células vivas, muchos virus no tienen una membrana plasmática ni ninguna de las estructuras necesarias para mantener la vida metabólica. Algunos virus se componen simplemente de una capa de proteína inerte que encierra ADN o ARN. Para reproducirse, los virus deben invadir una célula viva, que sirve como huésped, y luego apoderarse del aparato celular del huésped. Pero, ¿cómo reconoce un virus a su anfitrión?

Los virus a menudo se unen a los receptores de la superficie celular de la célula huésped. Por ejemplo, el virus que causa la influenza humana (gripe) se une específicamente a los receptores en las membranas de las células del sistema respiratorio. Las diferencias químicas en los receptores de la superficie celular entre los huéspedes significan que un virus que infecta a una especie específica (por ejemplo, los seres humanos) a menudo no puede infectar a otra especie (por ejemplo, pollos).

Sin embargo, los virus tienen cantidades muy pequeñas de ADN o ARN en comparación con los humanos y, como resultado, la reproducción viral puede ocurrir rápidamente. La reproducción viral produce invariablemente errores que pueden conducir a cambios en los virus recién producidos, estos cambios significan que las proteínas virales que interactúan con los receptores de la superficie celular pueden evolucionar de tal manera que pueden unirse a los receptores en un nuevo huésped. Dichos cambios ocurren aleatoriamente y con bastante frecuencia en el ciclo reproductivo de un virus, pero los cambios solo importan si un virus con nuevas propiedades de unión entra en contacto con un huésped adecuado. En el caso de la influenza, esta situación puede ocurrir en entornos donde los animales y las personas están en contacto cercano, como las granjas avícolas y porcinas. 1 Una vez que un virus salta la antigua & # 8220 barrera de especies & # 8221 a un nuevo huésped, puede propagarse rápidamente. Los científicos observan de cerca los virus que aparecen recientemente (llamados virus emergentes) con la esperanza de que tal monitoreo pueda reducir la probabilidad de epidemias virales globales.

Los receptores de la superficie celular están involucrados en la mayor parte de la señalización en organismos multicelulares. Hay tres categorías generales de receptores de superficie celular: receptores ligados a canales iónicos, receptores ligados a proteínas G y receptores ligados a enzimas.

Los receptores ligados a canales de iones se unen a un ligando y abren un canal a través de la membrana que permite el paso de iones específicos. Para formar un canal, este tipo de receptor de superficie celular tiene una extensa región que atraviesa la membrana. Para interactuar con la doble capa de colas de fosfolípidos de ácidos grasos que forman el centro de la membrana plasmática, muchos de los aminoácidos en la región que atraviesa la membrana son de naturaleza hidrófoba. Por el contrario, los aminoácidos que recubren el interior del canal son hidrófilos para permitir el paso del agua o los iones.Cuando un ligando se une a la región extracelular del canal, hay un cambio conformacional en la estructura de la proteína que permite el paso de iones como sodio, calcio, magnesio e hidrógeno ((Figura)).


Los receptores ligados a la proteína G se unen a un ligando y activan una proteína de membrana llamada proteína G. La proteína G activada luego interactúa con un canal iónico o una enzima en la membrana ((Figura)). Todos los receptores ligados a proteína G tienen siete dominios transmembrana, pero cada receptor tiene su propio dominio extracelular específico y sitio de unión a proteína G.

La señalización celular que usa receptores ligados a proteína G ocurre como una serie cíclica de eventos. Antes de que el ligando se una, la proteína G inactiva puede unirse a un sitio recientemente revelado en el receptor específico para su unión. Una vez que la proteína G se une al receptor, el cambio de forma resultante activa la proteína G, que libera diposfato de guanosina (GDP) y recoge 3-fosfato de guanosina (GTP). Las subunidades de la proteína G luego se dividen en α subunidad y la βγ subunidad. Como resultado, uno o ambos de estos fragmentos de proteína G pueden activar otras proteínas. Después de un tiempo, el GTP en el activo α subunidad de la proteína G se hidroliza a GDP y la βγ la subunidad está desactivada. Las subunidades se vuelven a asociar para formar la proteína G inactiva y el ciclo comienza de nuevo.


Los receptores ligados a la proteína G se han estudiado ampliamente y se ha aprendido mucho sobre su papel en el mantenimiento de la salud. Las bacterias que son patógenas para los humanos pueden liberar venenos que interrumpen la función específica del receptor ligado a la proteína G, lo que conduce a enfermedades como la tos ferina, el botulismo y el cólera. En el cólera ((Figura)), por ejemplo, la bacteria transmitida por el agua Vibrio cholerae produce una toxina, el cólerageno, que se une a las células que recubren el intestino delgado. Luego, la toxina ingresa a estas células intestinales, donde modifica una proteína G que controla la apertura de un canal de cloruro y hace que permanezca continuamente activo, lo que resulta en grandes pérdidas de líquidos del cuerpo y, como resultado, una deshidratación potencialmente fatal.


Los receptores ligados a enzimas son receptores de superficie celular con dominios intracelulares que están asociados con una enzima. En algunos casos, el dominio intracelular del receptor en sí es una enzima. Otros receptores ligados a enzimas tienen un pequeño dominio intracelular que interactúa directamente con una enzima. Los receptores ligados a enzimas normalmente tienen grandes dominios extracelulares e intracelulares, pero la región que atraviesa la membrana consta de una única región alfa helicoidal de la hebra peptídica. Cuando un ligando se une al dominio extracelular, se transfiere una señal a través de la membrana que activa la enzima. La activación de la enzima desencadena una cadena de eventos dentro de la célula que eventualmente conduce a una respuesta. Un ejemplo de este tipo de receptor ligado a enzimas es el receptor de tirosina quinasa ((Figura)). Una quinasa es una enzima que transfiere grupos fosfato del ATP a otra proteína. El receptor de tirosina quinasa transfiere grupos fosfato a moléculas de tirosina (residuos de tirosina). Primero, las moléculas de señalización se unen al dominio extracelular de dos receptores de tirosina quinasa cercanos. Los dos receptores vecinos se unen o se dimerizan. A continuación, se añaden fosfatos a los residuos de tirosina en el dominio intracelular de los receptores (fosforilación). Los residuos fosforilados pueden luego transmitir la señal al siguiente mensajero dentro del citoplasma.


HER2 es un receptor de tirosina quinasa. En el 30 por ciento de los cánceres de mama humanos, HER2 se activa permanentemente, lo que resulta en una división celular no regulada. El lapatinib, un medicamento que se usa para tratar el cáncer de mama, inhibe la autofosforilación del receptor de tirosina quinasa de HER2 (el proceso por el cual el receptor agrega fosfatos sobre sí mismo), reduciendo así el crecimiento tumoral en un 50 por ciento. Además de la autofosforilación, ¿cuál de los siguientes pasos sería inhibido por Lapatinib?

  1. Señalar la unión de moléculas, la dimerización y la respuesta celular aguas abajo
  2. Dimerización y respuesta celular aguas abajo
  3. La respuesta celular aguas abajo
  4. Actividad de fosfatasa, dimerización y respuesta celular posterior

Moléculas de señalización

Producidos por las células de señalización y la posterior unión a los receptores en las células diana, los ligandos actúan como señales químicas que viajan a las células diana para coordinar las respuestas. Los tipos de moléculas que sirven como ligandos son increíblemente variados y van desde pequeñas proteínas hasta pequeños iones como el calcio (Ca 2+).

Pequeños ligandos hidrofóbicos

Los ligandos hidrófobos pequeños pueden difundirse directamente a través de la membrana plasmática e interactuar con los receptores internos. Los miembros importantes de esta clase de ligandos son las hormonas esteroides. Los esteroides son lípidos que tienen un esqueleto de hidrocarburo con cuatro anillos fusionados, diferentes esteroides tienen diferentes grupos funcionales unidos al esqueleto de carbono. Las hormonas esteroides incluyen la hormona sexual femenina, estradiol, que es un tipo de estrógeno, la hormona sexual masculina, la testosterona y el colesterol, que es un componente estructural importante de las membranas biológicas y un precursor de las hormonas esteroides ((Figura)). Otras hormonas hidrófobas incluyen las hormonas tiroideas y la vitamina D. Para ser solubles en sangre, los ligandos hidrófobos deben unirse a las proteínas transportadoras mientras se transportan a través del torrente sanguíneo.


Ligandos solubles en agua

Los ligandos solubles en agua son polares y, por lo tanto, a veces no pueden atravesar la membrana plasmática sin ayuda, son demasiado grandes para atravesar la membrana. En cambio, la mayoría de los ligandos solubles en agua se unen al dominio extracelular de los receptores de la superficie celular. Este grupo de ligandos es bastante diverso e incluye pequeñas moléculas, péptidos y proteínas.

Otros ligandos

El óxido nítrico (NO) es un gas que también actúa como ligando. Puede difundirse directamente a través de la membrana plasmática y una de sus funciones es interactuar con los receptores del músculo liso e inducir la relajación del tejido. El NO tiene una vida media muy corta y, por lo tanto, solo funciona en distancias cortas. La nitroglicerina, un tratamiento para las enfermedades cardíacas, actúa desencadenando la liberación de NO, lo que hace que los vasos sanguíneos se dilaten (expandan), restaurando así el flujo sanguíneo al corazón. El NO se ha vuelto más conocido recientemente porque la vía que afecta está dirigida por medicamentos recetados para la disfunción eréctil, como Viagra (la erección involucra vasos sanguíneos dilatados).

Resumen de la sección

Las células se comunican mediante señales tanto intercelulares como intracelulares. Las células de señalización secretan ligandos que se unen a las células diana e inician una cadena de eventos dentro de la célula diana. Las cuatro categorías de señalización en organismos multicelulares son señalización paracrina, señalización endocrina, señalización autocrina y señalización directa a través de uniones gap. La señalización paracrina tiene lugar en distancias cortas. Las hormonas transportan señales endocrinas a largas distancias a través del torrente sanguíneo, y las señales autocrinas son recibidas por la misma célula que envió la señal u otras células cercanas del mismo tipo. Las uniones gap permiten que las moléculas pequeñas, incluidas las moléculas de señalización, fluyan entre las células vecinas.

Los receptores internos se encuentran en el citoplasma celular. Aquí, se unen a moléculas de ligando que atraviesan la membrana plasmática, estos complejos de receptor-ligando se mueven hacia el núcleo e interactúan directamente con el ADN celular. Los receptores de la superficie celular transmiten una señal desde el exterior de la célula al citoplasma. Los receptores ligados a los canales de iones, cuando se unen a sus ligandos, forman un poro a través de la membrana plasmática a través del cual pueden pasar ciertos iones. Los receptores ligados a proteína G interactúan con una proteína G en el lado citoplásmico de la membrana plasmática, promoviendo el intercambio de GDP unido por GTP e interactuando con otras enzimas o canales iónicos para transmitir una señal. Los receptores ligados a enzimas transmiten una señal desde el exterior de la célula a un dominio intracelular de una enzima unida a la membrana. La unión del ligando provoca la activación de la enzima. Pequeños ligandos hidrofóbicos (como los esteroides) pueden penetrar la membrana plasmática y unirse a los receptores internos. Los ligandos hidrófilos solubles en agua no pueden atravesar la membrana, sino que se unen a los receptores de la superficie celular, que transmiten la señal al interior de la célula.

Conexiones de arte

(Figura) HER2 es un receptor de tirosina quinasa. En el 30 por ciento de los cánceres de mama humanos, HER2 se activa permanentemente, lo que resulta en una división celular no regulada. El lapatinib, un medicamento que se usa para tratar el cáncer de mama, inhibe la autofosforilación del receptor de tirosina quinasa de HER2 (el proceso por el cual el receptor agrega fosfatos sobre sí mismo), reduciendo así el crecimiento tumoral en un 50 por ciento. Además de la autofosforilación, ¿cuál de los siguientes pasos sería inhibido por Lapatinib?

  1. Señalización de la unión de moléculas, dimerización y respuesta celular aguas abajo.
  2. Dimerización y respuesta celular aguas abajo.
  3. La respuesta celular aguas abajo.
  4. Actividad de fosfatasa, dimerización y respuesta celular aguas abajo.

(Figura) C. Se inhibiría la respuesta celular aguas abajo.

Respuesta libre

¿Cuál es la diferencia entre la señalización intracelular y la señalización intercelular?

La señalización intracelular ocurre dentro de una célula y la señalización intercelular ocurre entre células.

¿Cómo se limitan los efectos de la señalización paracrina a un área cercana a las células de señalización?

Los ligandos secretados se eliminan rápidamente por degradación o reabsorción en la célula para que no puedan viajar muy lejos.

¿Cuáles son las diferencias entre los receptores internos y los receptores de la superficie celular?

Los receptores internos están ubicados dentro de la célula y sus ligandos ingresan a la célula para unirse al receptor. El complejo formado por el receptor interno y el ligando luego ingresa al núcleo y afecta directamente la producción de proteínas al unirse al ADN cromosómico e iniciar la producción de ARNm que codifica proteínas. Los receptores de la superficie celular, sin embargo, están incrustados en la membrana plasmática y sus ligandos no ingresan a la célula. La unión del ligando al receptor de la superficie celular inicia una cascada de señalización celular y no influye directamente en la producción de proteínas; sin embargo, puede implicar la activación de proteínas intracelulares.

Las células cultivadas en el laboratorio se mezclan con una molécula de tinte que no puede atravesar la membrana plasmática. Si se agrega un ligando a las células, las observaciones muestran que el tinte ingresa a las células. ¿A qué tipo de receptor se unió el ligando en la superficie celular?

Un receptor de canal iónico abrió un poro en la membrana, lo que permitió que el tinte iónico se moviera hacia la célula.

La insulina es una hormona que regula el azúcar en sangre al unirse a su receptor, el receptor de insulina tirosina quinasa. ¿En qué se diferencia el comportamiento de la insulina de la señalización de las hormonas esteroides y qué se puede inferir sobre su estructura?

El receptor de insulina es un receptor transmembrana ligado a enzimas, como se puede determinar a partir de la "tirosina quinasa" en su nombre. Este receptor está incrustado en la membrana plasmática y la insulina se une a su superficie extracelular (exterior) para iniciar cascadas de señalización intracelular.

Normalmente, las hormonas esteroides atraviesan la membrana plasmática para unirse a los receptores intracelulares. Estos complejos hormona-receptor intracelular interactúan luego directamente con el ADN para regular la transcripción. Esto limita las hormonas esteroides a ser moléculas pequeñas no polares para que puedan atravesar la membrana plasmática. Sin embargo, dado que la insulina no tiene que atravesar la célula, podría ser grande o polar (es una molécula polar pequeña).

Notas al pie

    A. B. Sigalov, La escuela de la naturaleza. IV. Aprendiendo de los virus, Yo / No Yo 1, no. 4 (2010): 282-298. Y. Cao, X. Koh, L. Dong, X. Du, A. Wu, X. Ding, H. Deng, Y. Shu, J. Chen, T. Jiang, Estimación rápida de la actividad de unión de la hemaglutinina del virus de la influenza a Receptores humanos y aviares, Más uno 6, no. 4 (2011): e18664.

Glosario


9.1 Moléculas de señalización y receptores celulares

En esta sección, explorará las siguientes preguntas:

  • ¿Cuáles son los cuatro tipos de señalización que se encuentran en los organismos multicelulares?
  • ¿Cuáles son las diferencias entre los receptores internos y los receptores de la superficie celular?
  • ¿Cuál es la relación entre la estructura de un ligando y su mecanismo de acción?

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Al igual que te comunicas con tus compañeros de clase cara a cara, usando tu teléfono o por correo electrónico, las células se comunican entre sí mediante señales tanto inter e intracelulares. Las células detectan y responden a cambios en el medio ambiente mediante vías de señalización. Las vías de señalización permiten a los organismos coordinar las actividades celulares y los procesos metabólicos. Los errores en estas vías pueden causar enfermedades. Las células de señalización secretan moléculas llamadas ligandos que se unen a las células diana e inician una cadena de eventos dentro de la célula diana. Por ejemplo, cuando se libera epinefrina, que se une a las células diana, esas células responden convirtiendo el glucógeno en glucosa. La comunicación celular puede ocurrir en distancias cortas. Por ejemplo, los neurotransmisores se liberan a través de una sinapsis para transferir mensajes entre neuronas (Figura 26.15). Las uniones gap y los plasmodesmos permiten que las moléculas pequeñas, incluidas las moléculas de señalización, fluyan entre las células vecinas. La comunicación celular también puede ocurrir a largas distancias usando. Por ejemplo, las hormonas liberadas por las células endocrinas viajan a las células diana en múltiples sistemas corporales. ¿Cómo "sabe" un ligando como una hormona que viaja a través del torrente sanguíneo cuando ha llegado a su órgano objetivo para iniciar una respuesta celular? Casi todas las vías de señalización celular involucran tres etapas: recepción, transducción de señales y respuesta celular.

Las vías de señalización celular comienzan cuando el ligando se une a un receptor, una proteína que está incrustada en la membrana plasmática de la célula diana o que se encuentra en el citoplasma celular. Los receptores son muy específicos y cada ligando es reconocido por uno diferente. Esta etapa de la vía se llama recepción. Las moléculas no polares, como los esteroides, se difunden a través de la membrana celular y se unen a los receptores internos. A su vez, el complejo receptor-ligando se mueve hacia el núcleo e interactúa con el ADN celular. Esto cambia la forma en que se expresa un gen. Los ligandos polares, por otro lado, interactúan con la proteína receptora de membrana. Algunos receptores de membrana funcionan cambiando la conformación para que ciertos iones, como Na + y K +, puedan pasar a través de la membrana plasmática. Otros receptores de membrana interactúan con una proteína G en el lado citoplásmico de la membrana plasmática, lo que provoca una serie de reacciones dentro de la célula. Las interrupciones de este proceso están relacionadas con varias enfermedades, incluido el cólera.

Es importante tener en cuenta que cada célula tiene una variedad de receptores, lo que le permite responder a una variedad de estímulos. Algunos receptores pueden unirse a varios ligandos diferentes, por ejemplo, moléculas / receptores odoríparos asociados con el sentido del olfato en animales. Una vez que la molécula de señalización y el receptor interactúan, una cascada de eventos llamada transducción de señales generalmente amplifica la señal dentro de la célula.

El contenido presentado en esta sección apoya los Objetivos de aprendizaje descritos en la Gran Idea 3 del Marco del Currículo de Biología AP ® enumerados. Los objetivos de aprendizaje de AP ® fusionan el contenido de conocimientos esenciales con una o más de las siete prácticas científicas. Estos objetivos proporcionan una base transparente para el curso de Biología AP ®, junto con experiencias de laboratorio basadas en la investigación, actividades de instrucción y preguntas del examen AP ®.

Gran idea 3 Los sistemas vivos almacenan, recuperan, transmiten y responden a información esencial para los procesos de la vida.
Comprensión duradera 3.D Las células se comunican generando, transmitiendo y recibiendo señales químicas.
Conocimiento esencial 3.D.3 Las vías de transducción de señales vinculan la recepción de señales con la respuesta celular.
Práctica de la ciencia 6.2 El alumno puede construir explicaciones de fenómenos basados ​​en evidencia producida a través de prácticas científicas.
Objetivo de aprendizaje 3.34 El estudiante es capaz de construir explicaciones de la comunicación celular a través del contacto directo de célula a célula o mediante señales químicas.
Conocimiento esencial 3.D.3 Las vías de transducción de señales vinculan la recepción de señales con la respuesta celular.
Práctica de la ciencia 1.1 El estudiante puede crear representaciones y modelos de fenómenos y sistemas naturales o creados por el hombre en el dominio.
Objetivo de aprendizaje 3.35 El alumno es capaz de crear representaciones que describan cómo se produce la comunicación de célula a célula por contacto directo o desde la distancia a través de señales químicas.

Las preguntas del desafío de práctica científica contienen preguntas de prueba adicionales para esta sección que lo ayudarán a prepararse para el examen AP. Estas preguntas abordan los siguientes estándares:
[APLO 3.33] [APLO 3.36]

Hay dos tipos de comunicación en el mundo de las células vivas. La comunicación entre células se denomina señalización intercelular y la comunicación dentro de una célula se denomina señalización intracelular. Una manera fácil de recordar la distinción es entendiendo el origen latino de los prefijos: inter- significa "entre" (por ejemplo, las líneas que se cruzan son aquellas que se cruzan entre sí) e intra- significa "adentro" (como intravenoso).

Las señales químicas son liberadas por las células de señalización en forma de moléculas pequeñas, generalmente volátiles o solubles, llamadas ligandos. Un ligando es una molécula que se une a otra molécula específica, en algunos casos, entregando una señal en el proceso. Por tanto, los ligandos pueden considerarse moléculas de señalización. Los ligandos interactúan con proteínas en las células diana, que son células que se ven afectadas por señales químicas, estas proteínas también se denominan receptores. Existen ligandos y receptores en varias variedades, sin embargo, un ligando específico tendrá un receptor específico que típicamente se une solo a ese ligando.

Formas de señalización

Hay cuatro categorías de señalización química que se encuentran en organismos multicelulares: señalización paracrina, señalización endocrina, señalización autocrina y señalización directa a través de uniones gap (Figura 9.2). La principal diferencia entre las diferentes categorías de señalización es la distancia que recorre la señal a través del organismo para llegar a la célula objetivo. No todas las células se ven afectadas por las mismas señales.

Señalización paracrina

Las señales que actúan localmente entre las células que están muy juntas se denominan señales paracrinas. Las señales paracrinas se mueven por difusión a través de la matriz extracelular. Estos tipos de señales suelen provocar respuestas rápidas que duran poco tiempo. Para mantener la respuesta localizada, las moléculas de ligando paracrino normalmente son degradadas rápidamente por las enzimas o eliminadas por las células vecinas. La eliminación de las señales restablecerá el gradiente de concentración de la señal, lo que les permitirá difundirse rápidamente a través del espacio intracelular si se liberan nuevamente.

Un ejemplo de señalización paracrina es la transferencia de señales a través de las sinapsis entre las células nerviosas. Una célula nerviosa consta de un cuerpo celular, varias extensiones cortas y ramificadas llamadas dendritas que reciben estímulos y una extensión larga llamada axón, que transmite señales a otras células nerviosas o células musculares. La unión entre las células nerviosas donde ocurre la transmisión de señales se llama sinapsis. Una señal sináptica es una señal química que viaja entre las células nerviosas. Las señales dentro de las células nerviosas se propagan mediante impulsos eléctricos de movimiento rápido.Cuando estos impulsos llegan al final del axón, la señal continúa hacia una dendrita de la siguiente célula mediante la liberación de ligandos químicos llamados neurotransmisores por la célula presináptica (la célula que emite la señal). Los neurotransmisores se transportan a través de distancias muy pequeñas entre las células nerviosas, que se denominan sinapsis químicas (Figura 9.3). La pequeña distancia entre las células nerviosas permite que la señal viaje rápidamente, lo que permite una respuesta inmediata, como, ¡Quite la mano de la estufa!

Cuando el neurotransmisor se une al receptor en la superficie de la célula postsináptica, el potencial electroquímico de la célula diana cambia y se lanza el siguiente impulso eléctrico. Los neurotransmisores que se liberan en la sinapsis química se degradan rápidamente o son reabsorbidos por la célula presináptica para que la célula nerviosa receptora pueda recuperarse rápidamente y estar preparada para responder rápidamente a la siguiente señal sináptica.

Señalización endocrina

Las señales de células distantes se denominan señales endocrinas y se originan en células endocrinas. (En el cuerpo, muchas células endocrinas se encuentran en las glándulas endocrinas, como la glándula tiroides, el hipotálamo y la glándula pituitaria). Estos tipos de señales suelen producir una respuesta más lenta pero tienen un efecto más duradero. Los ligandos liberados en la señalización endocrina se denominan hormonas, moléculas de señalización que se producen en una parte del cuerpo pero que afectan a otras regiones del cuerpo a cierta distancia.

Las hormonas viajan grandes distancias entre las células endocrinas y sus células diana a través del torrente sanguíneo, que es una forma relativamente lenta de moverse por todo el cuerpo. Debido a su forma de transporte, las hormonas se diluyen y están presentes en concentraciones bajas cuando actúan sobre sus células diana. Esto es diferente de la señalización paracrina, en la que las concentraciones locales de ligandos pueden ser muy altas.

Señalización autocrina

Las señales autocrinas son producidas por células de señalización que también pueden unirse al ligando que se libera. Esto significa que la celda de señalización y la celda objetivo pueden ser la misma celda o una similar (el prefijo auto- significa yo, un recordatorio de que la célula de señalización se envía una señal a sí misma). Este tipo de señalización a menudo ocurre durante el desarrollo temprano de un organismo para asegurar que las células se desarrollen en los tejidos correctos y asuman la función adecuada. La señalización autocrina también regula la sensación de dolor y las respuestas inflamatorias. Además, si una célula está infectada con un virus, la célula puede enviarse una señal para sufrir una muerte celular programada, matando al virus en el proceso. En algunos casos, las células vecinas del mismo tipo también están influenciadas por el ligando liberado. En el desarrollo embriológico, este proceso de estimular un grupo de células vecinas puede ayudar a dirigir la diferenciación de células idénticas en el mismo tipo de célula, asegurando así el resultado de desarrollo adecuado.

Señalización directa a través de uniones de brecha

Las uniones entre huecos en los animales y los plasmodesmos en las plantas son conexiones entre las membranas plasmáticas de las células vecinas. Estos canales llenos de líquido permiten que pequeñas moléculas de señalización, llamadas mediadores intracelulares, se difundan entre las dos células. Las moléculas pequeñas, como los iones de calcio (Ca 2+), pueden moverse entre las células, pero las moléculas grandes como las proteínas y el ADN no pueden pasar por los canales. La especificidad de los canales asegura que las células permanezcan independientes pero que puedan transmitir señales rápida y fácilmente. La transferencia de moléculas de señalización comunica el estado actual de la célula que está directamente al lado de la célula objetivo, lo que permite que un grupo de células coordine su respuesta a una señal que solo una de ellas puede haber recibido. En las plantas, los plasmodesmos son omnipresentes, lo que convierte a toda la planta en una red de comunicación gigante.

Tipos de receptores

Los receptores son moléculas de proteína en la célula diana o en su superficie que se unen al ligando. Hay dos tipos de receptores, receptores internos y receptores de superficie celular.

Receptores internos

Los receptores internos, también conocidos como receptores intracelulares o citoplasmáticos, se encuentran en el citoplasma de la célula y responden a moléculas de ligandos hidrófobos que pueden viajar a través de la membrana plasmática. Una vez dentro de la célula, muchas de estas moléculas se unen a proteínas que actúan como reguladores de la síntesis de ARNm (transcripción) para mediar en la expresión génica. La expresión genética es el proceso celular de transformar la información del ADN de una célula en una secuencia de aminoácidos, que finalmente forma una proteína. Cuando el ligando se une al receptor interno, se desencadena un cambio conformacional que expone un sitio de unión al ADN en la proteína. El complejo ligando-receptor se mueve hacia el núcleo, luego se une a regiones reguladoras específicas del ADN cromosómico y promueve el inicio de la transcripción (Figura 9.4). La transcripción es el proceso de copiar la información en el ADN de una célula en una forma especial de ARN llamada ARN mensajero (ARNm) la célula usa información en el ARNm (que se mueve hacia el citoplasma y se asocia con los ribosomas) para vincular aminoácidos específicos en el orden correcto, produciendo una proteína. Los receptores internos pueden influir directamente en la expresión génica sin tener que transmitir la señal a otros receptores o mensajeros.

Receptores de superficie celular

Los receptores de la superficie celular, también conocidos como receptores transmembrana, son proteínas ancladas a la membrana (integrales) de la superficie celular que se unen a moléculas de ligandos externos. Este tipo de receptor atraviesa la membrana plasmática y realiza la transducción de señales, en la que una señal extracelular se convierte en una señal intracelular. Los ligandos que interactúan con los receptores de la superficie celular no tienen que entrar en la célula a la que afectan. Los receptores de la superficie celular también se denominan proteínas o marcadores específicos de la célula porque son específicos de los tipos de células individuales.

Debido a que las proteínas receptoras de la superficie celular son fundamentales para el funcionamiento celular normal, no debería sorprender que un mal funcionamiento en cualquiera de estas proteínas pueda tener consecuencias graves. Se ha demostrado que los errores en las estructuras proteicas de ciertas moléculas receptoras influyen en la hipertensión (presión arterial alta), el asma, las enfermedades cardíacas y el cáncer.

Cada receptor de la superficie celular tiene tres componentes principales: un dominio de unión a ligando externo, una región hidrófoba que atraviesa la membrana y un dominio intracelular dentro de la célula. El dominio de unión al ligando también se denomina dominio extracelular. El tamaño y la extensión de cada uno de estos dominios varían ampliamente, dependiendo del tipo de receptor.

CONEXIÓN EVOLUCIÓN

Cómo reconocen los virus a un anfitrión

A diferencia de las células vivas, muchos virus no tienen membrana plasmática ni ninguna de las estructuras necesarias para sustentar la vida. Algunos virus están compuestos simplemente por una capa de proteína inerte que contiene ADN o ARN. Para reproducirse, los virus deben invadir una célula viva, que sirve como huésped, y luego apoderarse del aparato celular del huésped. Pero, ¿cómo reconoce un virus a su anfitrión?

Los virus a menudo se unen a los receptores de la superficie celular de la célula huésped. Por ejemplo, el virus que causa la influenza humana (gripe) se une específicamente a los receptores en las membranas de las células del sistema respiratorio. Las diferencias químicas en los receptores de la superficie celular entre los huéspedes significan que un virus que infecta a una especie específica (por ejemplo, humanos) no puede infectar a otra especie (por ejemplo, pollos).

Sin embargo, los virus tienen cantidades muy pequeñas de ADN o ARN en comparación con los humanos y, como resultado, la reproducción viral puede ocurrir rápidamente. La reproducción viral produce invariablemente errores que pueden conducir a cambios en los virus recién producidos, estos cambios significan que las proteínas virales que interactúan con los receptores de la superficie celular pueden evolucionar de tal manera que pueden unirse a los receptores en un nuevo huésped. Dichos cambios ocurren aleatoriamente y con bastante frecuencia en el ciclo reproductivo de un virus, pero los cambios solo importan si un virus con nuevas propiedades de unión entra en contacto con un huésped adecuado. En el caso de la influenza, esta situación puede ocurrir en entornos donde los animales y las personas están en contacto cercano, como las granjas avícolas y porcinas. 1 Una vez que un virus pasa a un nuevo anfitrión, se puede propagar rápidamente. Los científicos observan de cerca los virus que aparecen recientemente (llamados virus emergentes) con la esperanza de que tal monitoreo pueda reducir la probabilidad de epidemias virales globales.

  1. El virus debe infectar al menos a dos animales diferentes antes de infectar a los humanos.
  2. El virus debe entrar en contacto con un nuevo huésped para que ocurran mutaciones que permitan que el virus se una a ese huésped.
  3. Debe ocurrir una mutación en el anfitrión que permita que el virus se una al anfitrión.
  4. Debe ocurrir una mutación en el virus que permita que el virus infecte a un nuevo huésped, y el virus debe entrar en contacto con este huésped.

Los receptores de la superficie celular están involucrados en la mayor parte de la señalización en organismos multicelulares. Hay tres categorías generales de receptores de superficie celular: receptores ligados a canales iónicos, receptores ligados a proteínas G y receptores ligados a enzimas.

Los receptores ligados a canales de iones se unen a un ligando y abren un canal a través de la membrana que permite el paso de iones específicos. Para formar un canal, este tipo de receptor de superficie celular tiene una extensa región que atraviesa la membrana. Para interactuar con las colas de fosfolípidos de ácidos grasos que forman el centro de la membrana plasmática, muchos de los aminoácidos en la región que atraviesa la membrana son de naturaleza hidrófoba. Por el contrario, los aminoácidos que recubren el interior del canal son hidrófilos para permitir el paso del agua o los iones. Cuando un ligando se une a la región extracelular del canal, hay un cambio conformacional en la estructura de las proteínas que permite el paso de iones como sodio, calcio, magnesio e hidrógeno (Figura 9.5).

Los receptores ligados a la proteína G se unen a un ligando y activan una proteína de membrana llamada proteína G. La proteína G activada luego interactúa con un canal iónico o una enzima en la membrana (Figura 9.6). Todos los receptores ligados a proteína G tienen siete dominios transmembrana, pero cada receptor tiene su propio dominio extracelular específico y sitio de unión a proteína G.

La señalización celular que usa receptores ligados a proteína G ocurre como una serie cíclica de eventos. Antes de que el ligando se una, la proteína G inactiva puede unirse a un sitio recientemente revelado en el receptor específico para su unión. Una vez que la proteína G se une al receptor, el cambio de forma resultante activa la proteína G, que libera GDP y recoge GTP. Las subunidades de la proteína G luego se dividen en α subunidad y la βγ subunidad. Como resultado, uno o ambos de estos fragmentos de proteína G pueden activar otras proteínas. Después de un tiempo, el GTP en el activo α subunidad de la proteína G se hidroliza a GDP y la βγ la subunidad está desactivada. Las subunidades se vuelven a asociar para formar la proteína G inactiva y el ciclo comienza de nuevo.

Los receptores ligados a la proteína G se han estudiado ampliamente y se ha aprendido mucho sobre su papel en el mantenimiento de la salud. Las bacterias que son patógenas para los humanos pueden liberar venenos que interrumpen la función específica del receptor ligado a la proteína G, lo que conduce a enfermedades como la tos ferina, el botulismo y el cólera. En el cólera (Figura 9.7), por ejemplo, la bacteria transmitida por el agua Vibrio cholerae produce una toxina, el cólerageno, que se une a las células que recubren el intestino delgado. Luego, la toxina ingresa a estas células intestinales, donde modifica una proteína G que controla la apertura de un canal de cloruro y hace que permanezca continuamente activo, lo que resulta en grandes pérdidas de líquidos del cuerpo y, como resultado, una deshidratación potencialmente fatal.

Los receptores ligados a enzimas son receptores de superficie celular con dominios intracelulares que están asociados con una enzima. En algunos casos, el dominio intracelular del receptor en sí es una enzima. Otros receptores ligados a enzimas tienen un pequeño dominio intracelular que interactúa directamente con una enzima. Los receptores ligados a enzimas normalmente tienen grandes dominios extracelulares e intracelulares, pero la región que atraviesa la membrana consta de una única región alfa helicoidal de la hebra peptídica. Cuando un ligando se une al dominio extracelular, se transfiere una señal a través de la membrana que activa la enzima. La activación de la enzima desencadena una cadena de eventos dentro de la célula que eventualmente conduce a una respuesta. Un ejemplo de este tipo de receptor ligado a enzimas es el receptor de tirosina quinasa (Figura 9.8). Una quinasa es una enzima que transfiere grupos fosfato del ATP a otra proteína. El receptor de tirosina quinasa transfiere grupos fosfato a moléculas de tirosina (residuos de tirosina). Primero, las moléculas de señalización se unen al dominio extracelular de dos receptores de tirosina quinasa cercanos. Los dos receptores vecinos se unen o se dimerizan. A continuación, se añaden fosfatos a los residuos de tirosina en el dominio intracelular de los receptores (fosforilación). Los residuos fosforilados pueden luego transmitir la señal al siguiente mensajero dentro del citoplasma.

CONEXIÓN VISUAL

  1. dimerización y la respuesta celular aguas abajo
  2. Actividad de fosfatasa, dimerización y respuesta celular aguas abajo.
  3. unión de moléculas de señalización, dimerización y la respuesta celular aguas abajo
  4. la respuesta celular aguas abajo

Producidos por las células de señalización y la posterior unión a los receptores en las células diana, los ligandos actúan como señales químicas que viajan a las células diana para coordinar las respuestas. Los tipos de moléculas que sirven como ligandos son increíblemente variados y van desde pequeñas proteínas hasta pequeños iones como el calcio (Ca 2+).

Pequeños ligandos hidrofóbicos

Los ligandos hidrófobos pequeños pueden difundirse directamente a través de la membrana plasmática e interactuar con los receptores internos. Los miembros importantes de esta clase de ligandos son las hormonas esteroides. Los esteroides son lípidos que tienen un esqueleto de hidrocarburo con cuatro anillos fusionados, diferentes esteroides tienen diferentes grupos funcionales unidos al esqueleto de carbono. Las hormonas esteroides incluyen la hormona sexual femenina, el estradiol, que es un tipo de estrógeno, la hormona sexual masculina, la testosterona y el colesterol, que es un componente estructural importante de las membranas biológicas y un precursor de las hormonas esteroides (Figura 9.9). Otras hormonas hidrófobas incluyen las hormonas tiroideas y la vitamina D. Para ser solubles en sangre, los ligandos hidrófobos deben unirse a las proteínas transportadoras mientras se transportan a través del torrente sanguíneo.

Ligandos solubles en agua

Los ligandos solubles en agua son polares y, por lo tanto, a veces no pueden atravesar la membrana plasmática sin ayuda, son demasiado grandes para atravesar la membrana. En cambio, la mayoría de los ligandos solubles en agua se unen al dominio extracelular de los receptores de la superficie celular. Este grupo de ligandos es bastante diverso e incluye pequeñas moléculas, péptidos y proteínas.

Otros ligandos

El óxido nítrico (NO) es un gas que también actúa como ligando. Puede difundirse directamente a través de la membrana plasmática y una de sus funciones es interactuar con los receptores del músculo liso e inducir la relajación del tejido. El NO tiene una vida media muy corta y, por lo tanto, solo funciona en distancias cortas. La nitroglicerina, un tratamiento para las enfermedades cardíacas, actúa desencadenando la liberación de NO, lo que hace que los vasos sanguíneos se dilaten (expandan), restaurando así el flujo sanguíneo al corazón.


Señalización química

Hay dos tipos de comunicación en el mundo de las células vivas. La comunicación entre células se denomina señalización intercelular y la comunicación dentro de una célula se denomina señalización intracelular. Una manera fácil de recordar la distinción es entendiendo el origen latino de los prefijos: inter- significa & ldquobetween & rdquo (por ejemplo, las líneas que se cruzan son aquellas que se cruzan entre sí) e intra- significa & ldquoinside & rdquo (como intravenoso).

Las señales químicas son liberadas por las células de señalización en forma de moléculas pequeñas, generalmente volátiles o solubles, llamadas ligandos. Un ligando es una molécula que se une a otra molécula específica, en algunos casos, entregando una señal en el proceso. Por tanto, los ligandos pueden considerarse moléculas de señalización. Los ligandos interactúan con proteínas en las células diana, que son células que se ven afectadas por señales químicas, estas proteínas también se denominan receptores. Existen ligandos y receptores en varias variedades, sin embargo, un ligando específico tendrá un receptor específico que típicamente se une solo a ese ligando.

Formas de señalización

Hay cuatro categorías de señalización química que se encuentran en organismos multicelulares: señalización paracrina, señalización endocrina, señalización autocrina y señalización directa a través de uniones gap (Figura 9.2). La principal diferencia entre las diferentes categorías de señalización es la distancia que recorre la señal a través del organismo para llegar a la célula objetivo. No todas las células se ven afectadas por las mismas señales.

Figura 9.2. Formas de señalización química: autocrina, uniones gap, paracrina y endocrina.

En la señalización química, una célula puede dirigirse a sí misma (señalización autocrina), una célula conectada por uniones gap, una célula cercana (señalización paracrina) o una célula distante (señalización endocrina). La señalización paracrina actúa sobre las células cercanas, la señalización endocrina utiliza el sistema circulatorio para transportar ligandos y la señalización autocrina actúa sobre la célula de señalización. La señalización a través de uniones gap implica la señalización de moléculas que se mueven directamente entre células adyacentes.

Señalización paracrina

Las señales que actúan localmente entre células que están muy juntas se denominan señales paracrinas. Las señales paracrinas se mueven por difusión a través de la matriz extracelular. Estos tipos de señales suelen provocar respuestas rápidas que duran poco tiempo. Para mantener la respuesta localizada, las moléculas de ligando paracrino normalmente son degradadas rápidamente por las enzimas o eliminadas por las células vecinas. La eliminación de las señales restablecerá el gradiente de concentración de la señal, lo que les permitirá difundirse rápidamente a través del espacio intracelular si se liberan nuevamente.

Un ejemplo de señalización paracrina es la transferencia de señales a través de las sinapsis entre las células nerviosas. Una célula nerviosa consta de un cuerpo celular, varias extensiones cortas y ramificadas llamadas dendritas que reciben estímulos y una extensión larga llamada axón, que transmite señales a otras células nerviosas o células musculares. La unión entre las células nerviosas donde ocurre la transmisión de señales se llama sinapsis. Una señal sináptica es una señal química que viaja entre las células nerviosas. Las señales dentro de las células nerviosas se propagan mediante impulsos eléctricos de movimiento rápido. Cuando estos impulsos llegan al final del axón, la señal continúa hacia una dendrita de la siguiente célula mediante la liberación de ligandos químicos llamados neurotransmisores por la célula presináptica (la célula que emite la señal). Los neurotransmisores se transportan a través de distancias muy pequeñas entre las células nerviosas, que se denominan sinapsis químicas (Figura 9.3). La pequeña distancia entre las células nerviosas permite que la señal viaje rápidamente, lo que permite una respuesta inmediata, como, ¡Quite la mano de la estufa!

Cuando el neurotransmisor se une al receptor en la superficie de la célula postsináptica, el potencial electroquímico de la célula diana cambia y se lanza el siguiente impulso eléctrico. Los neurotransmisores que se liberan en la sinapsis química se degradan rápidamente o son reabsorbidos por la célula presináptica para que la célula nerviosa receptora pueda recuperarse rápidamente y estar preparada para responder rápidamente a la siguiente señal sináptica.

Figura 9.3. Sinapsis que muestra la liberación de neurotransmisores.

La distancia entre la célula presináptica y la célula postsináptica (llamada brecha sináptica) es muy pequeña y permite una rápida difusión del neurotransmisor.Las enzimas en la hendidura sináptica degradan algunos tipos de neurotransmisores para terminar la señal.

Señalización endocrina

Las señales de células distantes se denominan señales endocrinas y se originan en células endocrinas. (En el cuerpo, muchas células endocrinas se encuentran en las glándulas endocrinas, como la glándula tiroides, el hipotálamo y la glándula pituitaria). Estos tipos de señales suelen producir una respuesta más lenta pero tienen un efecto más duradero. Los ligandos liberados en la señalización endocrina se denominan hormonas, moléculas de señalización que se producen en una parte del cuerpo pero que afectan a otras regiones del cuerpo a cierta distancia.

Las hormonas viajan grandes distancias entre las células endocrinas y sus células diana a través del torrente sanguíneo, que es una forma relativamente lenta de moverse por todo el cuerpo. Debido a su forma de transporte, las hormonas se diluyen y están presentes en concentraciones bajas cuando actúan sobre sus células diana. Esto es diferente de la señalización paracrina, en la que las concentraciones locales de ligandos pueden ser muy altas.

Señalización autocrina

Las señales autocrinas son producidas por células de señalización que también pueden unirse al ligando que se libera. Esto significa que la celda de señalización y la celda objetivo pueden ser la misma celda o una similar (el prefijo auto- significa yo, un recordatorio de que la célula de señalización se envía una señal a sí misma). Este tipo de señalización a menudo ocurre durante el desarrollo temprano de un organismo para asegurar que las células se desarrollen en los tejidos correctos y asuman la función adecuada. La señalización autocrina también regula la sensación de dolor y las respuestas inflamatorias. Además, si una célula está infectada con un virus, la célula puede enviarse una señal para sufrir una muerte celular programada, matando al virus en el proceso. En algunos casos, las células vecinas del mismo tipo también están influenciadas por el ligando liberado. En el desarrollo embriológico, este proceso de estimular un grupo de células vecinas puede ayudar a dirigir la diferenciación de células idénticas en el mismo tipo de célula, asegurando así el resultado de desarrollo adecuado.

Señalización directa a través de uniones gap

Las uniones entre huecos en los animales y los plasmodesmos en las plantas son conexiones entre las membranas plasmáticas de las células vecinas. Estos canales llenos de agua permiten que pequeñas moléculas de señalización, llamadas mediadores intracelulares, se difundan entre las dos células. Las moléculas pequeñas, como los iones de calcio (Ca2 +), pueden moverse entre las células, pero las moléculas grandes como las proteínas y el ADN no pueden pasar por los canales. La especificidad de los canales asegura que las células permanezcan independientes pero que puedan transmitir señales rápida y fácilmente. La transferencia de moléculas de señalización comunica el estado actual de la célula que está directamente al lado de la célula objetivo, lo que permite que un grupo de células coordine su respuesta a una señal que solo una de ellas puede haber recibido. En las plantas, los plasmodesmos son omnipresentes, lo que convierte a toda la planta en una red de comunicación gigante.

Tipos de receptores

Los receptores son moléculas de proteína en la célula diana o en su superficie que se unen al ligando. Hay dos tipos de receptores, receptores internos y receptores de superficie celular.

Receptores internos

Los receptores internos, también conocidos como receptores intracelulares o citoplasmáticos, se encuentran en el citoplasma de la célula y responden a moléculas de ligandos hidrófobos que pueden viajar a través de la membrana plasmática. Una vez dentro de la célula, muchas de estas moléculas se unen a proteínas que actúan como reguladores de la síntesis de ARNm (transcripción) para mediar en la expresión génica. La expresión genética es el proceso celular de transformar la información en una célula y rsquos ADN en una secuencia de aminoácidos, que finalmente forma una proteína. Cuando el ligando se une al receptor interno, se desencadena un cambio conformacional que expone un sitio de unión al ADN en la proteína. El complejo ligando-receptor se mueve hacia el núcleo, luego se une a regiones reguladoras específicas del ADN cromosómico y promueve el inicio de la transcripción (Figura 9.4). La transcripción es el proceso de copiar la información en el ADN de una célula en una forma especial de ARN llamada ARN mensajero (ARNm) la célula usa información en el ARNm (que se mueve hacia el citoplasma y se asocia con los ribosomas) para vincular aminoácidos específicos en el orden correcto, produciendo una proteína. Los receptores internos pueden influir directamente en la expresión génica sin tener que transmitir la señal a otros receptores o mensajeros.

Figura 9.4. Señalización hidrofóbica.

Las moléculas de señalización hidrófobas se difunden típicamente a través de la membrana plasmática e interactúan con los receptores intracelulares en el citoplasma. Muchos receptores intracelulares son factores de transcripción que interactúan con el ADN en el núcleo y regulan la expresión génica.

Receptores de superficie celular

Los receptores de la superficie celular, también conocidos como receptores transmembrana, son proteínas ancladas a la membrana (integrales) de la superficie celular que se unen a moléculas de ligandos externos. Este tipo de receptor atraviesa la membrana plasmática y realiza la transducción de señales, en la que una señal extracelular se convierte en una señal intercelular. Los ligandos que interactúan con los receptores de la superficie celular no tienen que entrar en la célula a la que afectan. Los receptores de la superficie celular también se denominan proteínas o marcadores específicos de la célula porque son específicos de los tipos de células individuales.

Debido a que las proteínas receptoras de la superficie celular son fundamentales para el funcionamiento celular normal, no debería sorprender que un mal funcionamiento en cualquiera de estas proteínas pueda tener consecuencias graves. Se ha demostrado que los errores en las estructuras proteicas de ciertas moléculas receptoras influyen en la hipertensión (presión arterial alta), el asma, las enfermedades cardíacas y el cáncer.

Cada receptor de la superficie celular tiene tres componentes principales: un dominio de unión a ligando externo, una región hidrófoba que atraviesa la membrana y un dominio intracelular dentro de la célula. El dominio de unión al ligando también se denomina dominio extracelular. El tamaño y la extensión de cada uno de estos dominios varían ampliamente, dependiendo del tipo de receptor. Los receptores de la superficie celular están involucrados en la mayor parte de la señalización en organismos multicelulares. Hay tres categorías generales de receptores de superficie celular: receptores ligados a canales iónicos, receptores ligados a proteínas G y receptores ligados a enzimas.

Los receptores ligados a canales de iones se unen a un ligando y abren un canal a través de la membrana que permite el paso de iones específicos. Para formar un canal, este tipo de receptor de superficie celular tiene una extensa región que atraviesa la membrana. Para interactuar con las colas de fosfolípidos de ácidos grasos que forman el centro de la membrana plasmática, muchos de los aminoácidos en la región que atraviesa la membrana son de naturaleza hidrófoba. Por el contrario, los aminoácidos que recubren el interior del canal son hidrófilos para permitir el paso del agua o los iones. Cuando un ligando se une a la región extracelular del canal, hay un cambio conformacional en la estructura de las proteínas que permite el paso de iones como sodio, calcio, magnesio e hidrógeno (Figura 9.5).

Figura 9.5. Un canal iónico con compuerta cerrada. Los canales iónicos cerrados forman un poro a través de la membrana plasmática que se abre cuando la molécula de señalización se une. El poro abierto permite que los iones entren o salgan de la celda.

Los receptores ligados a la proteína G se unen a un ligando y activan una proteína de membrana llamada proteína G. La proteína G activada luego interactúa con un canal iónico o una enzima en la membrana (Figura 9.6). Todos los receptores ligados a proteína G tienen siete dominios transmembrana, pero cada receptor tiene su propio dominio extracelular específico y sitio de unión a proteína G.

La señalización celular que usa receptores ligados a proteína G ocurre como una serie cíclica de eventos. Antes de que el ligando se una, la proteína G inactiva puede unirse a un sitio recientemente revelado en el receptor específico para su unión. Una vez que la proteína G se une al receptor, el cambio de forma resultante activa la proteína G, que libera GDP y recoge GTP. Las subunidades de la proteína G luego se dividen en &alfa subunidad y la & beta y gamma subunidad. Como resultado, uno o ambos de estos fragmentos de proteína G pueden activar otras proteínas. Después de un tiempo, el GTP en el activo &alfa subunidad de la proteína G se hidroliza a GDP y la & beta y gamma la subunidad está desactivada. Las subunidades se vuelven a asociar para formar la proteína G inactiva y el ciclo comienza de nuevo.

Figura 9.6. Las proteínas G heterotriméricas tienen tres subunidades: & alfa, & beta y & gamma. Cuando una molécula de señalización se une a un receptor acoplado a proteína G en la membrana plasmática, una molécula de GDP asociada con la subunidad alfa se intercambia por GTP. Las subunidades & beta y & gamma se disocian de la subunidad & alfa, y la subunidad & alfa o el par & beta & gamma disociado desencadenan una respuesta celular. La hidrólisis de GTP a GDP termina la señal.

Los receptores ligados a la proteína G se han estudiado ampliamente y se ha aprendido mucho sobre su papel en el mantenimiento de la salud. Las bacterias que son patógenas para los humanos pueden liberar venenos que interrumpen la función específica del receptor ligado a la proteína G, lo que conduce a enfermedades como la tos ferina, el botulismo y el cólera. En el cólera (Figura 9.7), por ejemplo, la bacteria transmitida por el agua Vibrio cholerae produce una toxina, el cólerageno, que se une a las células que recubren el intestino delgado. Luego, la toxina ingresa a estas células intestinales, donde modifica una proteína G que controla la apertura de un canal de cloruro y hace que permanezca continuamente activo, lo que resulta en grandes pérdidas de líquidos del cuerpo y, como resultado, una deshidratación potencialmente fatal.

Figura 9.7. Transmitido principalmente a través del agua potable contaminada, el cólera es una de las principales causas de muerte en el mundo en desarrollo y en áreas donde los desastres naturales interrumpen la disponibilidad de agua potable. La bacteria del cólera, Vibrio cholerae, crea una toxina que modifica las vías de señalización celular mediadas por proteína G en los intestinos. El saneamiento moderno elimina la amenaza de brotes de cólera, como el que azotó la ciudad de Nueva York en 1866. Este cartel de esa época muestra cómo, en ese momento, no se entendía la forma en que se transmitía la enfermedad. (crédito: Comisión Sanitaria de la Ciudad de Nueva York)

Los receptores ligados a enzimas son receptores de superficie celular con dominios intracelulares que están asociados con una enzima. En algunos casos, el dominio intracelular del receptor en sí es una enzima. Otros receptores ligados a enzimas tienen un pequeño dominio intracelular que interactúa directamente con una enzima. Los receptores ligados a enzimas normalmente tienen grandes dominios extracelulares e intracelulares, pero la región que atraviesa la membrana consta de una única región alfa helicoidal de la hebra peptídica. Cuando un ligando se une al dominio extracelular, se transfiere una señal a través de la membrana que activa la enzima. La activación de la enzima desencadena una cadena de eventos dentro de la célula que eventualmente conduce a una respuesta. Un ejemplo de este tipo de receptor ligado a enzimas es el receptor de tirosina quinasa (Figura 9.8). Una quinasa es una enzima que transfiere grupos fosfato del ATP a otra proteína. El receptor de tirosina quinasa transfiere grupos fosfato a moléculas de tirosina (residuos de tirosina). Primero, las moléculas de señalización se unen al dominio extracelular de dos receptores de tirosina quinasa cercanos. Los dos receptores vecinos se unen o se dimerizan. A continuación, se añaden fosfatos a los residuos de tirosina en el dominio intracelular de los receptores (fosforilación). Los residuos fosforilados pueden luego transmitir la señal al siguiente mensajero dentro del citoplasma.

Figura 9.8. Un receptor de tirosina quinasa es un receptor ligado a enzima con una sola región transmembrana y dominios extracelulares e intracelulares. La unión de una molécula de señalización al dominio extracelular hace que el receptor se dimerice. A continuación, los residuos de tirosina en el dominio intracelular se autofosforilan, lo que desencadena una respuesta celular aguas abajo. La señal termina con una fosfatasa que elimina los fosfatos de los residuos de fosfotirosina.


9.2.1 Vías de señalización y amplificación de señales

Aunque las moléculas de señalización se encuentran a menudo en concentraciones muy bajas, pueden producir efectos profundos. Una vez que el ligando se une al receptor de la superficie celular, la activación de los componentes intracelulares del receptor desencadena una cadena de eventos que se denomina vía de señalización o una cascada de señalización. En una vía de señalización, segundos mensajeros, enzimas y / o proteínas activadas activan otras proteínas o mensajeros (Figura 9.11). Cada miembro de la vía puede activar miles del siguiente miembro de la vía en un proceso llamado amplificación de señal. Dado que la señal se amplifica en cada paso, se puede generar una respuesta muy grande a partir de un solo receptor que se une a un ligando.

Figura 9.11 El receptor del factor de crecimiento epidérmico, EGFR, es un receptor de tirosina quinasa. Cima. Cuando EGF se une a su receptor, dos proteínas activan RAS, una pequeña proteína G. Fondo. RAS activa RAF, que fosforila MEK, que fosforila ERK. La ERK activada ingresa al núcleo y desencadena una respuesta celular.

Se muestra un ejemplo de una vía de señalización Figura 9.11. El factor de crecimiento epidérmico (EGF) es una molécula de señalización que participa en la regulación del crecimiento celular, la cicatrización de heridas y la reparación de tejidos. El receptor de EGF (EGFR) es una tirosina quinasa. Una quinasa activada fosforila y activa muchas moléculas aguas abajo. Cuando EGF se une a EGFR, una cascada de eventos de fosforilación descendente indica a la célula que crezca y se divida. Si el EGFR se activa en momentos inapropiados, puede ocurrir un crecimiento celular descontrolado (cáncer).

En ciertos cánceres, se inhibe la actividad GTPasa de la proteína G RAS. Esto significa que la proteína RAS ya no puede hidrolizar GTP en GDP. ¿Qué efecto tendría esto en los eventos celulares descendentes?


Comunicación celular

La comunicación entre células les permite transmitir información y regular la actividad de otras células. También permite que un grupo de células coordine sus actividades. Las células se comunican entre sí a través del lenguaje de pequeñas moléculas. Estos pueden ser aminas, péptidos, esteroides, nucleótidos y gases. Algunas de estas moléculas se difunden a través de la membrana plasmática para unirse a sus objetivos intracelulares, pero la mayoría debe interactuar con un receptor de la superficie celular que luego desencadena cambios en la actividad celular. La conexión entre el receptor y los objetivos celulares se llama transducción de señales y generalmente involucra varias proteínas, pequeñas moléculas e iones. Las células contienen varias vías de transducción de señales y hay diafonía entre las vías. Las vías pueden compartir la misma proteína y las proteínas en vías separadas pueden afectar la actividad de las demás.

Los efectos de una molécula de señalización pueden ser rápidos o lentos. Las respuestas rápidas generalmente implican cambios en la actividad de las proteínas (contracción muscular, fusión de vesículas secretoras, cambios en el metabolismo), mientras que las respuestas lentas requieren la síntesis de nuevas proteínas. Las respuestas rápidas son transitorias y los efectos pueden revertirse rápidamente. Las respuestas lentas a menudo generan cambios a largo plazo o permanentes en el comportamiento celular. La misma molécula de señalización a menudo provocará una respuesta rápida y transitoria de una célula seguida de un cambio más lento y a largo plazo en el comportamiento celular.

La señalización entre celdas puede ocurrir en una variedad de distancias. La señalización paracrina involucra células en la misma ubicación o tejido, y la molécula de señalización no ingresa al torrente sanguíneo. La señalización autocrina es una forma de señalización paracrina en la que la molécula de señalización afecta a la célula que la produjo. La señalización endocrina involucra células en órganos y tejidos separados y requiere que el torrente sanguíneo transporte la molécula de señalización entre órganos. La señalización también ocurre entre las células que están en contacto físico directo. Las interacciones entre proteínas en la superficie de las células pueden desencadenar cambios en el comportamiento celular. Por ejemplo, las proteínas en la superficie de las células T y las células presentadoras de antígenos interactúan para activar las vías de señalización en las células T. Un tipo especializado de señalización es la neurotransmisión. Las neuronas interactúan con sus células diana, pero utilizan pequeñas moléculas llamadas neurotransmisores para comunicarse con sus células diana.

Las vías de señalización pueden ser complejas debido al número de componentes y la diafonía entre diferentes vías de señalización. Además, las vías de señalización suelen estar reguladas por retroalimentación positiva y negativa. La retroalimentación positiva puede activar vías de señalización que permanecen activas incluso cuando se elimina la molécula de señalización. Las vías de retroalimentación negativa generan una variedad de patrones en la actividad celular.

Esteroides

Los esteroides son pequeñas moléculas hidrófobas que pueden difundirse a través de la membrana plasmática. Los esteroides interactúan con receptores dentro de la célula que alteran la actividad transcripcional de diferentes genes. Por lo general, la transcripción de estos genes se inhibe en ausencia del esteroide. A menudo, estos factores de transcripción se mantienen en el citoplasma en ausencia de esteroides, lo que les impide unirse a sus genes diana. Al unirse al esteroide, los receptores experimentan un cambio conformacional que libera una proteína inhibidora que en algunos casos les permite ser importados al núcleo. Los receptores de esteroides activan la expresión de genes de respuesta temprana que codifican factores de transcripción que activan la expresión de genes de respuesta secundaria. Las proteínas codificadas por los genes de respuesta secundaria suelen generar cambios en el comportamiento celular.

Canales iónicos activados por ligando

Algunos canales iónicos de la membrana plasmática son receptores de moléculas de señalización. Al unirse a la molécula de señalización, los canales iónicos se abren permitiendo el paso de iones. El flujo de iones despolariza la membrana desencadenando un potencial de acción. El potencial de acción puede moverse a lo largo de la superficie de la célula, desencadenando otros eventos celulares. La señalización a través de los canales iónicos suele ser muy rápida y es el mecanismo mediante el cual se estimula la contracción del músculo esquelético.

Receptores acoplados a proteína G

Algunos receptores de la membrana plasmática interactúan físicamente con las proteínas G heterotriméricas que residen en la superficie citoplásmica de la membrana plasmática. Las proteínas G heterotriméricas consisten en una subunidad alfa (Gα) que se une e hidroliza GTP y subunidades beta y gamma (Gβγ) que inhiben Gα pero también pueden participar en reacciones de señalización. Los receptores son notables porque atraviesan la membrana 7 veces y contienen un dominio de intercambio de nucleótidos de guanina (GEF). Cuando se unen al ligando, el dominio GEF cataliza Gα para unirse a GTP. Gα-GTP se disocia de Gβγ y puede alterar la actividad de diferentes enzimas posteriores. Algunas subunidades Gα (G) activan las enzimas posteriores, mientras que otras (Gi) inhiben la actividad de las enzimas posteriores.

Efectores descendentes de proteínas G heterotriméricas

Algunas subunidades G activan la adenilil ciclasa que convierte ATP en cAMP. La adenililcilclasa reside en la superficie citoplásmica de la membrana plasmática y puede aumentar la concentración de cAMP 20 veces. El aumento de las concentraciones de AMPc activa la proteína quinasa A haciendo que sus subunidades reguladoras se disocien. La proteína quinasa A tiene numerosos objetivos celulares. Afecta al metabolismo activando enzimas que degradan el glucógeno y altera la expresión génica activando factores de transcripción. A diferencia de Gs, algunas subunidades Gi inhiben la actividad de la adenilil ciclasa. Para limitar el alcance de la señalización a través de AMPc, las células expresan fosfodiesterasa que hidroliza AMPc, reduciendo la actividad de la proteína quinasa A.

Otras subunidades Gs activan las fosfolipasas. Las fosfolipasas escinden una clase de lípidos llamados fosfatidilinositoles.Los G tienden a activar la fosfolipasa C que genera inositol 3-fosfato (IP3) y diacilglicerorl (DAG). IP3 se une a los canales de calcio en el retículo endoplásmico, lo que hace que se abran y liberen calcio en el citoplasma. Muchos eventos celulares están regulados por los niveles de calcio, incluida la contracción muscular. El calcio, con la ayuda de DAG, también activa la proteína quinasa C que tiene numerosos objetivos celulares. El DAG también se puede convertir en ácido araquidónico que se usa para sintetizar prostagladinas que son mediadores de la inflamación y el dolor.

Tirosina quinasas receptoras

Algunas moléculas de señalización se unen a receptores que generalmente atraviesan la membrana una vez. Estos receptores contienen un dominio quinasa en su cola citoplasmática. Cuando se une al ligando, el dominio quinasa se activa y los receptores fosforilan otros receptores similares. Las colas fosforiladas de los receptores son reconocidas por varias proteínas de señalización diferentes. Los receptores activan estas proteínas de señalización acercándolas a sus sustratos. Normalmente, estas proteínas de señalización residen en concentraciones bajas en el citosol y rara vez interactúan con sus sustratos. Al acercar las proteínas de señalización a sus sustratos, las tirosina quinasas receptoras aumentan en gran medida las reacciones de señalización. Algunas de las proteínas de señalización que se unen a los receptores de tirosina quinasas son las fosfolipasas, enzimas que regulan las proteínas de unión a GTP y las fosfatidilinositol quinasas.

Las fosfatidilinositol quinasas fosforilan los fosfatidilinositoles y pueden generar un parche de fosftidilinositol específico en la valva interna de la membrana plasmática. Algunas proteínas de señalización contienen dominios que se unen a fosfatidilinositoles específicos y se concentran en la membrana plasmática. Una de estas proteínas generalmente activa a la otra y la segunda proteína altera los eventos celulares específicos.

MAP quinasas

La vía de la MAP quinasa es una serie de quinasas que se fosforilan entre sí de forma ordenada. Cuando se activa, la quinasa superior, MAP-quinasa quinasa quinasa (MAP-KKK), fosforila MAP-quinasa quinasa que luego fosforila MAP-quinasa. La MAP-quinasa fosforilada fosforila una variedad de dianas celulares. Muchas vías de señalización emplean la cascada de MAP quinasas, pero uno de los mecanismos más comunes para activar MAP quinasas es a través de Ras. Ras son pequeñas proteínas de unión a GTP que residen en la membrana plasmática. Las tirosina quinasas receptoras pueden reclutar el GEF para Ras que cataliza su unión de GTP. En el estado de unión a GTP, Ras activa la actividad de la MAP-quinasa quinasa quinasa.

Hay varios tipos diferentes de proteínas que funcionan como MAP-KKK, MAP-KK o MAP-K y uno de los desafíos es evitar que las MAP quinasas en una vía activen las MAP quinasas en otra vía. Las células mantienen la integridad de las vías de la MAP quinasa mediante el uso de proteínas de andamiaje. Las proteínas de andamiaje se unen a las MAP quinasas que participan en la misma vía, lo que disminuye la probabilidad de que fosforilan las MAP quinasas en otra vía.

Apagando la señal

Como se mencionó, las células necesitan terminar los eventos de señalización porque la estimulación prolongada puede causar daño a las células y provocar la muerte celular. Algunas vías de señalización se inactivan al eliminar el receptor que activa la vía de la membrana plasmática. La endocitosis mediada por receptores ocupa una porción de la membrana plasmática en vesículas recubiertas de clatrina. Estas vesículas pueden reclutar receptores eliminándolos de la membrana plasmática. Las vesículas se fusionan con endosomas de pH bajo que normalmente disocian el ligando del receptor, y el receptor puede reciclarse a la membrana plasmática. En algunos casos, el receptor se elimina permanentemente de la membrana plasmática enviando el receptor a los lisosomas donde se degrada.

Los receptores también pueden inactivarse mientras permanecen en la membrana plasmática. Algunos receptores activados encienden proteínas que modifican el receptor (fosforilación). La forma modificada del receptor se une luego a proteínas inhibidoras que impiden que el receptor active las vías de señalización aguas abajo.

En algunos casos, la molécula de señalización se elimina del exterior de la célula. Algunas células contienen enzimas fuera de la célula que degradan las moléculas de señalización. En otros casos, las células pueden absorber moléculas de señalización fuera de la célula mediante endocitosis.