Comunicación celular: tipos, importancia, ejemplos
La comunicación celular, también denominada comunicación intercelular, consiste en la transmisión de moléculas de señal extracelulares. Estas moléculas parten de una célula generadora de señales y se unen a los receptores de la célula blanco, produciendo una respuesta específica.
La molécula señal puede ser una molécula pequeña (ejemplo: un aminoácido), un péptido o una proteína. Por ello, la comunicación, que es química, es una característica de los organismos unicelulares y multicelulares.
En las bacterias, las moléculas señal son feromonas bacterianas. Estas son necesarias para funciones tales como la transferencia horizontal de genes, la bioluminiscencia, la formación de biofilms, y la producción de antibióticos y factores patogénicos.
En los organismos multicelulares, la comunicación celular pueder tener lugar entre células que están adyacentes, o entre células que están separadas. En este último caso, las moléculas señal deben difundirse y transportarse durante largas distancias. Entre las funciones de las señales se encuentran cambios en la expresión génica, la morfología y el movimiento celular.
La comunicación celular también puede llevarse a cabo mediante vesículas extracelulares (VE), denominadas ectosomas y exosomas. Algunas funciones de las VE son: modulación de linfocitos y macrófagos; control de la función sináptica; en los vasos sanguíneos y el corazón, coagulación y angiogénesis; e intercambio de ARN.
Índice del artículo
- 1 Tipos (sistemas/mecanismos)
- 2 Quorum sensing (qs)
- 3 Comunicación química
- 4 Características de receptores acoplados a proteína G
- 5 Vía del AMPc
- 6 Vía del fosfoinositol
- 7 Vía del ácido araquidónico
- 8 Características de receptores tirosin quinasa
- 9 Características generales de los receptores
- 10 Características de los receptores que son canales iónicos
- 11 Comunicación mediante vesículas extracelulares
- 12 Importancia
- 13 Referencias
En las bacterias, hay un tipo de comunicación celular que se denomina quorum sensing, que consiste en comportamientos que ocurren únicamente cuando la densidad de la población bacteriana es alta. El quorum sensing implica la producción, liberación, y subsecuente detección de concentraciones elevadas de moléculas señal, denominadas autoinductores.
En eucariotas unicelulares, como T. brucei, también hay quorum sensing. En las levaduras, el comportamiento sexual y la diferenciación celular sucede en respuesta a la comunicación por feromonas y cambios medioambientales.
En plantas y animales, el uso de moléculas señal extracelulares, tales como hormonas, neurotransmisores, factores de crecimiento o gases, es un tipo de comunicación importante que implica la síntesis de la molécula señal, su liberación, su transporte hacia la célula blanco, detección de la señal y respuesta específica.
En relación con el transporte de la molécula señal en animales, la distancia de acción de la molécula determina dos tipos de señales: 1) autocrinas y paracrinas, las cuales actúan, respectivamente, sobre la misma célula y sobre las células cercanas; y 2) endocrina, la cual actúa sobre una célula blanco distante, siendo transportada por el torrente sanguíneo.
La comunicación celular mediante vesículas extracelulares es un tipo de comunicación celular importante en los organismos eucariotas y los Archaea.
A medida que la población bacteriana o de eucariotas unicelulares crece, alcanza el número de células suficiente, o quórum, que produce la concentración del inductor capaz de producir un efecto en las células. Esto constituye un mecanismo de realización de censo.
Se conocen tres tipos de sistemas quorum sensing en bacterias: uno en gram-negativas; otro en gram-positivas; y otro en la gram negativa Vibrio harveyi.
En bacterias gram-negativas, el autoinductor es la homoserina lactona acilada. Esta sustancia es sintetizada por la enzima tipo LuxI y difunde pasivamente a través de la membrana, acumulándose en el espacio extracelular e intracelular. Cuando se alcanza la concentración estimulante, se activa la transcripción de genes regulados por QS.
En bacterias gram-negativas, los autoinductores son péptidos modificados, los cuales son exportados al espacio extracelular, donde interactúan conjuntamente con proteínas de membrana. Se produce una cascada de fosforilación que activa proteínas, las cuales se unen al ADN y controlan la transcripción de genes blanco.
Vibrio harveyi produce dos autoinductores, denominados HAI-1 y A1-2. HAI-1 es homoserina lactona acilada, pero su síntesis no depende de LuxI. A1-2 es furanosil borato diéster. Ambas sustancias actúan mediante una cascada de fosforilación similar a la de otras bacterias gram-negativas. Este tipo de QS controla la bioluminiscencia.
La unión específica de la molécula señal, o ligando, a la proteína receptora produce una respuesta celular específica. Cada tipo de célula posee ciertos tipos de receptores. Aunque un determinado tipo de receptor también puede encontrarse en diferentes tipos de células, y producir diferentes respuestas al mismo ligando.
La naturaleza de la molécula señal determina la vía que será utilizada para entrar en la célula. Por ejemplo, las hormonas hidrofóbicas, tales como los esteroides, se difunden a través de la bicapa lipídica y se unen a receptores para formar complejos que regulan la expresión de genes específicos.
Los gases, tales como el óxido nítrico y el monóxido de carbono, se difunden a través de la membrana y, por lo general, activan la guanilil ciclasa, productora de GMP cíclico. La mayoría de las moléculas señal son hidrofílicas.
Sus receptores se encuentran en la superficie celular. Los receptores actúan como traductores de señal que alteran la conducta de la célula blanco.
Los receptores de superficie celular se dividen en: a) receptores acoplados a proteína G; b) receptores con actividad de enzimas, tales como la tirosin quinasa; y c) receptores de canales iónicos.
Los receptores acoplados a proteína G se encuentran en todos los eucariotas. En general, son receptores con siete dominios que atraviesan la membrana, con la región N-terminal hacia el exterior celular y la C-terminal hacia el interior celular. Estos receptores se asocian a una proteína G que traduce las señales.
Cuando el ligando se une al receptor, la proteína G se activa. Esta a su vez activa una enzima efectora que produce un segundo mensajero intracelular, el cual puede ser el adenosín monofosfato cíclico (AMPc), el ácido araquidónico, el diacilglicerol, o el inositol-3-fosfato, el cual actúa como amplificador de la señal inicial.
La proteína G poseen tres subunidades: alfa, beta y gamma. La activación de la proteína G implica la disociación del GDP de la proteína G y la unión del GTP a la subunidad alfa. En el complejo Galfa-GTP se disocian de las subunidades beta y gamma, interactúando de forma específica con proteínas efectoras, activándolas.
La vía del AMPc puede activarse por receptores beta-adrenérgicos. El AMPc es producido por la adenilil ciclasa. La vía fosfoinositol es activada por receptores muscarínicos de acetilcolina. Activan la fosfolipasa C. La vía del ácido araquidónico es activada por el receptor de histamina. Activa la fosfolipasa A2.
La unión del ligando al receptor la proteína estimuladora G (Gs), unida a GDP, ocasiona el intercambio de GDP por GTP, y la disociación de la subunidad alfa de Gs de las subunidades beta y gamma. El complejo Galfa-GTP se asocia con un dominio de la adenil ciclasa, activando la enzima, y produciendo AMPc a partir de ATP.
El AMPc se une a las subunidades reguladoras de la proteína quinasa dependiente de AMPc. Libera las subunidades catalíticas, las cuales fosforilan proteínas que regulan respuestas celulares. Esta vía es regulada por dos tipos de enzimas, a saber las fosfodiesterasas, y las proteínas fosfatasas.
La unión del ligando al receptor activa la proteína G (Gq), la cual activa la fosfolipasa C (PLC). Esta enzima rompe el fosfatidil inositol 1,4,5-bifosfato (PIP2) en dos segundos mensajeros, el inositol 1,4,5-trifosfato (IP3) y diacilglicerol (DAG).
El IP3 difunde en el citoplasma y se une a receptores del retículo endoplasmático, ocasionando la liberación de Ca+2 desde el interior. El DAG se mantiene en la membrana y activa la proteína quinasa C (PKC). Algunas isoformas de PKC necesitan de Ca+2.
La unión del ligando al receptor hace que las subunidades beta y gamma de la proteína G activen la fosfolipasa A2 (PLA2). Esta enzima hidroliza el fosfatidilinositol (PI) en la membrana plasmática, liberando ácido araquidónico, el cual es metabolizado por diferentes vías, tales como 5 y 12-lipoxigenasa y cicloxigenasa.
Los receptores tirosin quinasa (RTK) tienen dominios reguladores extracelulares y dominios catalíticos intracelulares. A diferencia del receptor acoplado a proteína G, la cadena polipeptídica de los receptores tirosin quinasa atraviesa la membrana plasmática una sola vez.
La unión del ligando, que es una hormona o factor de crecimiento, al dominio regulador ocasiona que las dos subunidades del receptor se asocien. Esto permite la autofosforilación del receptor en un residuo de tirosina, y la activación de cascadas de fosforilación de proteínas.
Los residuos de tirosina fosforilados del receptor de la tirosin quinasa (RTK) interactúan con proteínas adaptadoras, que conectan el receptor activado con componentes de la vía de la transducción de la señal. Las proteínas adaptadoras sirven para formar complejos de señalamiento multiproteicos.
El RTK se une a diferentes péptidos, tales como: factor de crecimiento epidérmico; factores de crecimiento de fibroblastos; factores de crecimiento del cerebro; factor de crecimiento de nervios; y la insulina.
La activación de los receptores de superficie produce cambios en la fosforilación de proteínas mediante la activación de dos tipos de proteínas quinasas: tirosin quinasa y quinasas de serina y treonina .
Las quinasas de serina y treonina son: la proteína quinasa dependiente de AMPc; la proteína quinasa dependiente de GMPc; la proteina quinasa C; y la proteína dependiente de Ca+2/Calmodulina. En estas proteínas quinasas, con excepción de la quinasa dependiente de AMPc, el dominio catalítico y regulador se encuentra en la misma cadena polipeptídica.
El segundo mensajero se une a estas quinasas de serina y treonina, activándolas.
Los receptores canal de iones tienen las características siguientes: a) conducen iones; b) reconocen y seleccionan iones específicos; c) abren y cierran en respuesta a señales químicas, eléctricas o mecánicas.
Los receptores canal de iones pueden ser un monómero, o ser heteroligómeros u homoligómeros, cuyas regiones de la cadena polipeptídica atraviesan la membrana plasmática. Hay tres familias de canales de iones: a) canales puerta del ligando; b) canales de uniones gap; y c) canales voltaje dependientes de Na+.
Algunos ejemplos de receptores canal de iones son los receptores de acetilcolina de la unión neuromuscular, y los receptores ionotrópicos de glutamato, NMDA y no NMDA, en el sistema nervioso central.
Las vesículas extracelulares (VE) son una mezcla de ectosomas y exosomas, que se encargan de transmitir información biológica (ARN, enzimas, especies reactivas de oxígeno, etc.) entre célula y célula. El origen de ambas vesículas es diferente.
Los ectosomas son vesículas producidas por brotes de la membrana plasmática, seguida por su separación y liberación hacia el espacio extracelular.
Primero, ocurre el agrupamiento de proteínas de membrana en dominios discretos. Luego, los anclajes de lípidos de proteínas acumulan proteínas citosólicas y ARN en el lumen, con lo cual el brote crece.
Los exosomas son vesículas que se forman a partir de cuerpos multivesiculares (MVB) y son liberadas por exocitosis al espacio extracelular. Los MVB son endosomas tardíos, en cuyo interior hay vesículas intraluminales (ILVs). Los MVB pueden fusionarse a lisosomas y continuar la vía degradativa, o liberar las ILVS como exosomas mediante exocitosis.
Las VE interaccionan con la célula blanco de maneras distintas: 1) desvanecimiento de la membrana de VE y liberación de los factores activos de su interior; 2) las VE establecen contacto con la superficie de la célula blanco, las cuales fusionan, liberando su contenido en el citosol; y 3) las VE son capturadas enteramente mediante macropinocitosis y fagocitosis.
La gran variedad de funciones de la comunicación intercelular indica por si sola su importancia. Mediante algunos ejemplos, se ilustra la importancia de los diferentes tipos de comunicación celular.
– Importancia del quorum sensing. El QS regula diversos procesos tales como la virulencia dentro de una especie, o microorganismos de especies o géneros diferentes. Por ejemplo, una cepa de Staphylococcus aureus usa una molécula señal en el quorum sensing para infectar al hospedador, e inhibe a otras cepas de S. aureus de hacerlo.
– Importancia de la comunicación química. El señalamiento químico es necesario para la sobrevivencia y el éxito reproductivo de los organismos multicelulares.
Por ejemplo, la muerte celular programada, que regula el desarrollo multicelular, elimina estructuras completas y permite el desarrollo de tejidos específicos. Todo ello es mediado por factores tróficos.
– Importancia de las VE. Tienen un papel importante en la diabetes, la inflamación y enfermedades neurodegenerativas y cardiovasculares. Las VE de células normales y células cáncer difieren bastante. Las VE pueden transportar factores que promueven o suprimen el fenotipo de cáncer en las células blanco.
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