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Contenido del artículo
Señales entre las células
Tipos de comunicación celular
Receptores
Receptores interiores o intracelulares
Receptores superficiales
Segundos mensajeros
Amplificación de las señales
Comunicación directa entre células
Uniones estrechas
Uniones de anclaje
Uniones de comunicación

La interacción entre células

Para comprender sin dificultades este artículo se recomienda estudiar primero el artículo Estructura general de las células.

La clave de la organización de los organismos multicelulares es la comunicación entre las células que lo conforman y esta comunicación se puede separar en dos categorías generales:

1.- A través de señales, usualmente químicas, que viajan de unas células a otras.

2.- A través de comunicaciones directas entre las células.

Señales entre las células

Se realiza usualmente a través de señales químicas. Los mensajes químicos que salen y entran a las diferentes células permiten coordinar el funcionamiento del organismo como un todo y no como una congregación de grandes cantidades de células individuales que funcionan independientemente.

Los organismos multicelulares utilizan una gran variedad de moléculas como señales, entre las cuales hay péptidos?, grandes proteínas, amino ácidos individuales, nucleótidos?, esteroides? y otros lípidos, incluso simples gases pueden ser importantes mensajeros químicos entre las células como es el caso de óxido de nitrógeno (NO). Algunas de tales moléculas pueden estar ancladas a la superficie de la célula emisora de la señal, otras pueden excretarse al fluido extracelular a través de la membrana plasmática o ser liberadas por exocitosis (En el artículo Sistema de transporte de la célula se describe la exocitosis).

Para que el mensaje emitido por una célula sea recibido e interpretado por otra, la segunda célula debe estar dotada de un mecanismo receptor de la señal, y como en los organismos multicelulares es enorme la cantidad de células presentes, y todas, de una manera u otra emiten señales químicas. Esto implica que las células viven en un ambiente con cientos o quizás miles de señales químicas simultáneas incluidas en su entorno. Digamos que es una situación similar a un radio receptor que se encuentra en una zona donde son muchas las estaciones de radio que llegan a él, sin embargo, cada radioreceptor es capaz de sintonizar solo una de las estaciones de entre el gran espectro de señales que le llegan. El "sintonizador" de la célula es una proteína receptora que se encuentra en la superficie o en su interior. Cada una de las proteínas receptoras tiene una forma tridimensional que se ajusta a la forma de la molécula específica de una señal química. Cuando una molécula señalizadora llega a la célula y entra en contacto con la proteína receptora que tiene la forma apropiada, se une a ella y esta unión produce cambios en la forma del receptor lo que conduce a una repuesta por parte de la célula. Por lo tanto, una célula solo responde a las señales químicas asociadas al juego de proteínas receptoras que posee, e ignora completamente las otras señales para las cuales no tiene receptor.

Tipos de comunicación celular


Son cuatro los mecanismos básicos por los cuales las células intercambian señales entre unas y otras, aunque algunas células se envían señales a ellas mismas segregando señales químicas que se unen a receptores ubicados sobre su propia membrana plasmática (la membrana que delimita el contorno de la célula), situación conocida como señalización autocrina, cuya utilidad no se conoce muy bien pero que se piensa que juega un rol reforzando los cambios en el desarrollo.

1.- Contacto directo: en las células eucariotas (células con núcleo) es común que su superficie presente proteínas, carbohidratos y lípidos anclados a la membrana plasmática y que sobresalen de esta. Cuando las células están muy próximas cada una de ellas puede reconocer estas sustancias pertenecientes a las células adyacentes a través de los receptores que tiene en su membrana plasmática.

2.- Señalización paracrina: en la señalización paracrina una célula exporta al fluido extracelular las moléculas mensajeras, y estas moléculas mensajeras solo existen por corto tiempo ya que: pueden ser tomadas por alguna otra célula; o eliminarse del fluido extracelular rápidamente por algún mecanismo enzimático o de otro tipo. La corta vida de la señal química implica que por este método solo pueden comunicarse células no muy distantes.

3.- Señalización endocrina: ahora la señal química es de "largo alcance", las moléculas mensajeras persisten por más tiempo y pueden pasar al torrente circulatorio, moverse en él e influir en otras células distantes de la célula emisora. A este grupo de mensajeros químicos se les llama hormonas.

4.- Señalización sináptica: la señalización sináptica es típica de las células nerviosas, las que necesitan una rápida comunicación entre células distantes. Aquí, las sustancias señalizadoras se conocen como neurotransmisores y no viajan en el sistema circulatorio como las hormonas, en su lugar, las señales se transmiten a través de largos "apéndices" en forma de fibras que salen de la célula emisora y llegan muy cerca de las células receptoras. En el extremo de las fibras, en la vecindad inmediata de las células receptoras, es que se liberan los neutotransmisores, proceso que se conoce como sinapsis química. Los neurotransmisores liberados alcanzan con rapidez las células receptoras y de este modo se puede producir una respuesta rápida. Para evitar que los neurotransmisores alcancen por difusión dentro del fluido extracelular a células que no interesan en la conexión estos tienen una vida muy breve.

Receptores

Los receptores, los que en la gran mayoría de los casos son proteínas, pueden estar ubicados en el interior de la célula diana o en su superficie, embebidos en la membrana plasmática.

Receptores interiores o intracelulares

Para que la señal química alcance a estos receptores ubicados en el interior de la célula deben atravesar primero la membrana plasmática. Ciertos mensajeros químicos son solubles en lípidos o son moléculas muy pequeñas, de modo que ambos tipos pueden cruzar la membrana plasmática sin dificultad para interactuar con los receptores en el interior de la célula. Algunos se unen a proteínas en el citoplasma mientras otros pueden atravesar también la membrana del núcleo de la célula y unirse a proteínas receptoras presentes dentro de este. De manera general estos mensajeros químicos se pueden unir a receptores cuya acción se puede separar en dos categorías generales: (1) receptores que actúan como reguladores de genes: y (2) receptores que actúan como enzimas.

Receptores reguladores de genes


Ciertos receptores intracelulares funcionan como reguladores de la expresión de genes. Entre estos están los receptores de las hormonas esteroides tales como el cortisol, el estrógeno y la progesterona así como los receptores de otras moléculas lípidas pequeñas como la vitamina D y la hormona tiroidea.

Cada uno de estos receptores tiene una zona donde puede unirse al ADN (la macromolécula que contiene la información genética), pero este sitio está ocupado por una proteína inhibidora cuando el receptor está inactivo, digamos que "durmiente". La molécula señalizadora, cuando entra a la célula se une a otro sitio en el receptor y esto hace que este libere la proteína ocupante de la región de enlace con el ADN. El sitio expuesto se une entonces a una secuencia específica de nucleótidos del ADN activando de esta forma (pocas veces suprimiendo) a genes particulares, muy comúnmente ubicados adyacentes al sitio de unión.

Receptores que actúan como enzimas

Un caso singular de este tipo de receptor es aquel vinculado con la recepción de la pequeña molécula de gas monóxido de nitrógeno (NO). La pequeñez de la molécula hace que difunda fácilmente desde la célula en la que se produce hacia las células vecinas. Allí, se une a la enzima guanililciclasa activándola, con lo cual es capaz de catalizar la síntesis de monofosfato de guanosina que es un mensajero intracelular con respuesta específica en la célula tal como la relajación de las células de la musculatura lisa.

Receptores superficiales

Dado el origen lípido de la membrana plasmática, las sustancias solubles en agua no pueden atravesarla por difusión, no obstante, la mayor parte de las moléculas mensajeras son solubles en agua, incluyendo los neurotransmisores, las hormonas péptidas y el gran grupo de proteínas que los organismos multicelulares emplean como factores de crecimiento durante el desarrollo. Esta situación hace que si se quiere obtener una respuesta de la célula a la que llegan las moléculas portadoras de señales, estas se deban unir a proteínas ubicadas en la membrana plasmática en la superficie externa de la célula. Estos receptores superficiales "traducen" la señal externa a una interna. El método de operar de tales receptores se basa en que cuando estos se enlazan a una señal en el exterior de la célula producen un cambio en el interior celular. En las células, la mayoría de los receptores son superficiales y casi todos se pueden incluir en uno de los siguientes tres grupos o superfamilias:

figura 1
Figura 1. Receptores acoplados a proteína G

1.- Receptores ionotrópicos: estos receptores son proteínas transmembranosas (que cruzan la membrana plasmática) a través de las cuales pasan iones. La estructura básica de tales proteínas les permite cruzar la membrana varias veces creando un poro en el centro de las idas y vueltas de la proteína. Este poro conecta el fluido extracelular con el citoplasma de la célula y es suficientemente grande como para que por él puedan pasar los iones, funcionando como un canal de estos. El paso de los iones no es indiscriminado y el poro se abre o cierra de acuerdo a la situación. Se abrirá solamente cuando la señal química, que puede ser un neurotransmisor, se acopla a la proteína permitiendo entonces el paso de iones tales como sodio, potasio calcio o cloro en dependencia de la forma específica del canal y su estructura de carga.

2.- Receptores enzimáticos: la mayoría de los receptores enzimáticos son proteínas transmembranosas que pasan la membrana plasmática una sola vez, la parte que yace en el exterior de la célula se une a la molécula señal y la parte que está en contacto con el citoplasma es la que produce los cambios dentro de la célula. Muchos de estos receptores funcionan como enzimas o están directamente vinculados a enzimas y cuando se produce la unión señal-receptor en el exterior, la enzima resulta activada en el interior. En casi todos los casos, los receptores enzimáticos son proteínas quinasas, que son enzimas que agregan grupos fosfato (un grupo químico que contiene fósforo) a otras proteínas, proceso conocido como fosforilación.

3.- Receptores acoplados a proteína G: la última clase de receptores superficiales es una familia de proteínas caracterizada por su interacción con el nucleótido guanosin trifosfato (GTP), las que abren canales a iones o actúan como enzimas en el citoplasma a través de la asistencia de la proteína conocida como proteína G, de esta forma, esta categoría de receptores usan la proteína G como mediador para que la señal recibida en el exterior de la membrana pase al citoplasma. La proteína G funciona como un interruptor molecular y su actividad está regulada por factores que controlan su habilidad para unirse e hidrolizar al guanosín trifosfato (GTP) y así generar guanosín difosfato (GDP). Cuando la proteína G está acoplada a GTP está "encendida" y cuando lo está a GDP está "apagada".  Los receptores acoplados a proteína G forman un "puente" de corta duración entre los receptores en la superficie de la célula y la ruta que sigue la señal dentro del citoplasma. Cuando la señal llega, encuentra la proteína G "acurrucada" en el lado citoplasmático del receptor acoplado a proteína G. Al producirse la unión señal-receptor este cambia de forma lo que tuerce la proteína G y conduce a su unión con el GTP activándola. El complejo formado entre la proteína G y el GTP puede ahora moverse difundiendo dentro del citoplasma e iniciar un determinado número de eventos. Sin embargo, esta activación dura poco tiempo ya que el GTP tiene una vida corta antes de descomponerse en GDP + Pi (grupo fosfato inorgánico). Este modo de operar permite que las señales tengan solamente una respuesta breve lo que es conveniente en muchos procesos celulares. Para obtener una respuesta de larga duración o continua resultará necesario el arribo constante de moléculas señalizadoras a la superficie de la célula diana, pero cuando este bombardeo de señales cesa la respuesta se detiene. En la figura 1 se muestra un esquema animado de como podría ser el trabajo de un receptor acoplado a proteína G, observe que cuando llega la molécula señalizadora (verde) se une al receptor (azul) y activa el complejo proteína G-GTP (se torna rojo), luego difunde por el citoplasma para iniciar la activación de un evento representado aquí por el cambio de gris a rojo de una enzima embebida en la membrana plasmática de la célula.

Hasta aquí hemos descrito los diferentes métodos con los cuales las células se comunican, y de esta forma coordinar el trabajo en conjunto del universo de células de un organismo multicelular, pero ¿cómo es que se transmite la señal dentro de la célula después del contacto de un mensajero químico con un receptor superficial? Veamos.

Segundos mensajeros

Es menos frecuente que la respuesta de las células a un mensaje químico recibido en un receptor superficial se ejecute en la propia membrana, lo más común es que esto se haga dentro del citoplasma o en el núcleo. Algunos receptores enzimáticos y la mayoría de los receptores acoplados a proteína G hacen llegar el mensaje recibido de una molécula química a la estructura celular encargada de actuar a través de otras sustancias que se conocen como segundos mensajeros. Estas pequeñas moléculas o iones alteran el comportamiento de proteínas específicas al unirse a ellas y cambiar su forma. Los dos segundos mensajeros más utilizados son el adenosín monofosfato cíclico (AMPc o AMP cíclico) y los iones de calcio (Ca2+).

AMPc

El adenosín monofosfato cíclico es un segundo mensajero utilizado por todas las células de los animales y para ilustrar como funciona utilicemos lo que sucede cuando la hormona epinefrina (adrenalina) se une a cierto tipo específico de receptor acoplado a proteína G. Al unirse a los receptores adrenérgicos β de las células, la epinefrina, a través de una proteína G, estimula a la enzima adenilil ciclasa a producir grandes cantidades de AMPc dentro de la célula y este AMPc se une y activa una enzima de la familia α cinasa la que agrega fosfatos a una proteína específica en la célula. El efecto de esta fosforilación en la célula depende de la naturaleza de la célula y de la proteína que ha sido fosforilada. En las células del hígado, por ejemplo, la α cinasa fosforila, y como consecuencia activa, las enzimas que descomponen el glucógeno en glucosa e inhiben el proceso inverso de la formación de glucógeno partiendo de la glucosa. Con esto se aumenta el inventario de glucosa en la sangre para ser utilizado en el metabolismo, o en el trabajo muscular.

Calcio

figura 2

Figura 2. Iones de calcio como segundos mensajeros.


Los iones de calcio (Ca2+) también se utilizan ampliamente como segundos mensajeros. El calcio es escaso dentro del citoplasma de la célula pero abunda en el fluido extracelular y dentro del retículo endoplasmático, en este último existen ciertas "compuertas" que reaccionan químicamente abriéndose o cerrándose. Cuando están abiertas, el calcio se desborda al citoplasma y dispara la respuesta de ciertas proteínas sensibles al calcio a iniciar diferentes actividades. Por ejemplo, el drenaje de iones de calcio desde el retículo endoplasmático causa que los músculos del esqueleto se contraigan y que las células endocrinas segreguen hormonas.

Los canales de calcio cerrados se abren por la acción de un receptor acoplado a proteína G en respuesta a señales emitidas por otras células. Cuando estas señales llegan al receptor, este activa su proteína G la que por su parte activa la enzima fosfolipasa C. La fosfolipasa C cataliza la producción de trifosfato de inositol (IP3) partiendo de los fosfolípidos en la membrana plasmática y este último difunde en el citoplasma hasta el retículo endoplasmático para unirse a los canales de calcio. Esta unión abre los canales y permite que los iones de calcio invadan el citoplasma. Finalmente el Ca2+ inicia diferentes respuestas de la célula al unirse a la proteína calmodulina presente en el citoplasma. La figura 2 esquematiza el proceso, la señal, representada con un triángulo verde, llega al receptor superficial (azul claro) y activa la proteína G vinculada a él (se torna de gris a rojo), luego la proteína G difunde por el citoplasma y llega hasta la fofolipasa C, la que resulta activada (cambia de gris a rojo) y emite el trifosfato de inositol representado en rojo. El trifosfato de inositol se mueve en el citoplasma y se une al retículo endoplasmático con lo que los canales de calcio se abren (azul oscuro) dejando escapar los iones de calcio que se mueven hasta unirse a la calmodulina.

Aunque existen elegantes mecanismos para que las células ejecuten acciones ante el mensaje emitido por otras, la mayoría de las moléculas señalizadoras se encuentran en muy baja concentración como para producir una respuesta adecuada por parte de la célula diana ya que estas señales, como hemos visto, deben difundir dentro del citoplasma celular, especialmente si están destinadas al núcleo, así que si nos atenemos solamente al escaso número de receptores activados la elaboración de la respuesta será lenta y demorada. La evolución ha encontrado una solución a este problema y las células "amplifican" las señales que reciben.

Amplificación de las señales

figura 3

Figura 3. Amplificación de la señal


Si volvemos al ejemplo utilizado arriba del radio receptor nos encontramos con un problema similar. La potencia de la señal que se recibe en la antena está lejos de ser suficiente para mover los conos de los parlantes, y por tanto, los radio receptores tiene circuitos de amplificación los que, partiendo de la débil señal de la antena, son capaces de producir audio a un gran volumen. Las células, del mismo modo, amplifican las señales recibidas.

La amplificación celular de las señales recibidas en la superficie se puede comparar con una inversión hipotética en la cual cada moneda invertida produce tres monedas de ganancia. En tal inversión la primera moneda produce tres en una primera etapa, luego cada una de las tres monedas ganadas genera tres más para un total de nueve monedas en la segunda etapa, y de la misma forma se tendrán 27, 81, 243 ... en las etapas siguientes. Pues bien, el mismo tipo de arreglo se produce cuando una señal se conduce de la membrana plasmática al citoplasma o al núcleo. Primero el receptor activa un cierto número de moléculas de proteína en la etapa 1 casi siempre por fosforilación de estas. Esta fosforilación la puede hacer directamente el receptor al agregar un grupo fosfato a las proteínas o puede activar una proteína G que a su vez provoca la fosforilación de una segunda. Una vez activadas estas proteínas de la etapa 1 producen la activación de un gran número de otras proteínas en una segunda etapa, y estas a su vez activan otro gran número de proteínas de la etapa 3 y así sucesivamente. A través de este mecanismo en cascada un solo receptor superficial amplifica la señal y produce una fuerte respuesta dentro de la célula a una débil señal exterior (vea la figura 3).

Comunicación directa entre células

Con la excepción de unos pocos organismos primitivos, el sello distintivo de la vida multicelular es el desarrollo de grupos de células especializadas que tienen una función común conformando los tejidos. En los tejidos, la comunicación entre células normalmente no se hace a través de contactos fugaces como se ha descrito hasta aquí, en su lugar, lo común es que la mayoría de las células estén en contacto físico todo el tiempo como miembros activos del tejido. Estas células forman un conjunto entre las que hay conexiones permanentes o de larga duración denominadas uniones celulares.

Las uniones celulares se pueden dividir en tres categorías de acuerdo a su función:

1.- Uniones estrechas: también llamadas uniones de oclusión que "sueldan" apretadamente la membrana plasmática de células adyacentes como una lámina para evitar que las moléculas pequeñas puedan fugarse entre unas células y otras. La formación de tal lámina de células actúa como una pared dentro del órgano la que mantiene las moléculas de un lado u otro.

2.-Uniones de anclaje: las uniones de anclaje fijan mecánicamente el citoesqueleto de una célula al citoesqueleto de otras células o a la matriz extracelular, son comunes en los tejidos que deben soportar estrés como la piel y los músculos.

3.- Uniones de comunicación: son una suerte de poros que permiten a las células adyacentes comunicarse directamente a través de señales químicas o eléctricas. Estas uniones establecen comunicación física entre el citoplasma de una célula y las vecinas permitiendo a las moléculas pequeñas o iones pasar directamente de citoplasma a citoplasma. En los animales, a las uniones de comunicación se les llama uniones de hendidura y en las plantas plamodesmos.

figura 4
Figura 4. Uniones estrechas

Veamos ahora algunos detalles de cada tipo.

Uniones estrechas

Las células que delimitan la pared del tracto digestivo de los animales forman una lámina de una sola célula de grosor. Esta lámina está constituida por células adheridas unas a otras por uniones estrechas en las que una cara de la célula está orientada al interior del tracto y la otra cara al fluido extracelular donde yacen los vasos sanguíneos. Las uniones estrechas resultan ser una suerte de "costura" continua que rodea a cada una de la células con "puntadas" que unen las membranas plasmáticas de cada célula con las membranas plasmáticas de cada una de las células vecinas como quien cose individualmente pared con pared diferentes sacos de tela a todo alrededor (figura 4).

Las uniones entre las células vecinas son muy herméticas y seguras, de forma tal que no queda espacio entre ellas que pueda dar lugar a fugas, por lo tanto, los nutrientes absorbidos de los alimentos en el tracto solo pueden pasar por el interior de las células que forman la lámina para llegar a la sangre.

Uniones de anclaje

Las uniones de anclaje pueden conectar los citoesqueletos de células adyacentes y se les llama desmosonas, o pueden anclar las células epiteliales a la membrana basal en cuyo caso se les denomina hemidesmosomas. Las sustancias que forman los enlaces entre las células son en la mayoría de las ocasiones glucoproteínas transmembranales que cruzan la membrana plasmática una sola vez, denominadas cadherinas. Varios tipos de proteínas intracelulares se acoplan al extremo corto citoplasmático de la cadherina y a los filamentos intermedios del citoesqueleto. El otro extremo de la molécula de cadherina se proyecta al exterior de la membrana plasmática y se une directamente a la cadherina que sobresale de la célula adyacente formando un "abrazo" resistente que mantiene las células unidas. Las cadherinas también se acoplan a la red de filamentos de actina de las células formando enlaces célula-célula entre los filamentos de actina mediados por la cadherina, pero estas uniones son menos fuertes que las que se producen cuando la cadherina se une a los filamentos intermedios.

Otro tipo de uniones entre células o entre las células y la matriz extracelular (llamadas zonula adherens) se llevan a cabo usando miembros de la superfamilia de las proteínas llamadas integrinas. Las integrinas son receptores superficiales que se unen a las proteínas componentes de la matriz extracelular.

Uniones de comunicación

Uniones de hendidura

Las uniones de hendidura de las células animales están compuestas por estructuras llamadas conexonas, las que son complejos de seis proteínas transmembranales idénticas. El arreglo en círculo de tales proteínas crea un canal que cruza la membrana plasmática y cuyo borde sobresale unos pocos nanómetros de la superficie de la célula. Cuando dos de estos conexones situados en la membrana plasmática de células en contacto coinciden, entonces se tiene una unión de hendidura. Dada la coincidencia de los canales los citoplasmas de ambas células se extienden por la abertura comunicándolos. La dimensión de la unión de hendidura es tal que permite el paso de pequeñas moléculas como los azúcares y los amino ácidos pero impide el de moléculas grandes como las proteínas. La parte sobresaliente de los bordes de los conexones mantiene las membranas plasmáticas de las células separadas unos 4 nanómetros lo que es una gran diferencia con el contacto directo e íntimo que producen las uniones estrechas.

figura 5
Figura 5. Plasmodesmo

Las uniones de hendidura no son estructuras estáticas, por el contrario, son comunicaciones que se pueden abrir y cerrar como respuesta a diferentes factores entre los que están los iones de calcio y de hidrógeno. Esta capacidad de abrir y cerrar reviste una gran importancia en el caso de que alguna célula resulte dañada. A menudo, el citoplasma de la célula dañada se fuga al fluido extracelular debido a roturas en la membrana plasmática. Como en el fluido extracelular abundan los iones Ca2+, estos pueden fluir al interior de la célula en problemas y cerrar sus uniones de hendidura para evitar que las fugas drenen el citoplasma de las otras células conectadas.

Plasmodesmos

Una importante diferencia entre las células de la plantas y la de los animales es que estas están separadas por la pared celular. Dada la existencia de la gruesa pared celular, las células de las plantas solo se pueden comunicar por los lugares en los que existen aberturas coincidentes en esas paredes y por donde las membranas plasmáticas de ambas células pueden entrar en contacto. Las comunicaciones citoplasmáticas que se forman donde las membranas celulares se tocan se conocen como plasmodesmos. La mayoría de las células vivas de las plantas superiores están comunicadas con sus vecinas por estas conexiones. Aunque los plasmodemos funcionan de manera similar a las uniones de hendidura, su estructura es más compleja. A diferencia con las uniones de hendidura, los plasmodesmos están delimitados por la membrana plasmática y contienen un túbulo central que conecta los retículos endoplasmáticos de las dos células (figura 5).



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