Organismos unicelulares, como casi todos procariotas (bacterias y arqueas), son abundantes en la naturaleza. Eucariota los organismos, sin embargo, pueden contener miles de millones de células.
Dado que a un organismo no le haría ningún bien tener tantas entidades diminutas trabajando otro, las células deben tener un medio para comunicarse entre sí, es decir, tanto para enviar como para recibir señales. Al carecer de radio, televisión e Internet, las células se dedican a transducción de señales, utilizando productos químicos anticuados.
Así como garabatear letras o palabras en una página no es útil a menos que estos caracteres y entidades formen palabras, frases y un mensaje coherente e inequívoco, las señales químicas no sirven a menos que contengan instrucciones.
Por esta razón, las células están equipadas con todo tipo de mecanismos inteligentes para la generación y transducción (es decir, transmisión a través de un medio físico) de mensajes bioquímicos. El objetivo final de la señalización celular es influir en la creación o modificación de productos génicos o proteínas elaboradas en los ribosomas de las células de acuerdo con la información codificada en el ADN a través del ARN.
Razones para la transducción de señales
Si fueras uno de las docenas de conductores de una empresa de taxis, necesitarías las habilidades para conducir un automóvil y navegar por las calles de tu ciudad o pueblo. con conocimiento y habilidad para encontrar a sus pasajeros a tiempo en el lugar correcto y llevarlos a sus destinos cuando quieran estar allí. Sin embargo, esto no sería suficiente por sí solo si la empresa espera operar con la máxima eficiencia.
Los conductores en diferentes cabinas tendrían que comunicarse entre sí y con un despachador central para determinar qué Los pasajeros deben ser recogidos por quienes, cuando ciertos autos estaban llenos o no disponibles por algún otro motivo durante un período, se atascan en el tráfico. y así.
Sin la capacidad de comunicarse con nadie que no sean pasajeros potenciales a través del teléfono o la aplicación en línea, el negocio sería caótico.
Con el mismo espíritu, las células biológicas no pueden operar con total independencia de las células que las rodean. A menudo, grupos locales de células o tejidos completos necesitan coordinar una actividad, como una Contracción muscular o curar después de una herida. Por lo tanto, las células deben comunicarse entre sí para mantener sus actividades alineadas con las necesidades del organismo en su conjunto. Sin esta capacidad, las células no pueden gestionar adecuadamente el crecimiento, el movimiento y otras funciones.
Los déficits en esta área pueden tener graves consecuencias, incluidas enfermedades como el cáncer, que es replicación celular esencialmente no controlada en un tejido dado debido a la incapacidad de las células para modular su propio crecimiento. La señalización celular y la transducción de señales es, por tanto, vital para la salud del organismo en su conjunto, así como de las células afectadas.
Qué sucede durante la transducción de señales
La señalización celular se puede dividir en tres fases básicas:
- Recepción: Estructuras especializadas en la superficie celular detectan la presencia de una molécula de señalización, o ligando.
- Transducción: La unión del ligando al receptor inicia una señal o una serie de señales en cascada en el interior de la célula.
- Respuesta: El mensaje señalado por el ligando y las proteínas y otros elementos en los que influye se interpreta y se pone en proceso, por ejemplo, a través de la expresion genica o reglamento.
Como los propios organismos, una vía de transducción de señales celulares puede ser exquisitamente simple o comparativamente compleja, con algunos escenarios involucran solo una entrada o señal, u otros involucran una serie completa de pasos secuenciales y coordinados.
Una bacteria, por ejemplo, carece de la capacidad de deliberar sobre la naturaleza de las amenazas a la seguridad en su ambiente, pero puede sentir la presencia de glucosa, la sustancia que todas las células procariotas usan para comida.
Los organismos más complejos envían señales usando factores de crecimiento, hormonas, neurotransmisores y componentes de la matriz entre celdas. Estas sustancias pueden actuar sobre las células cercanas o a distancia viajando a través de la sangre y otros canales. Neurotransmisores como dopamina y serotonina atravesar los pequeños espacios entre las células nerviosas adyacentes (neuronas) o entre neuronas y células musculares o glándulas diana.
Las hormonas a menudo actúan a distancias especialmente largas, con moléculas de hormonas secretadas en el cerebro que ejercen efectos sobre las gónadas, las glándulas suprarrenales y otros tejidos "lejanos".
Receptores celulares: puertas de enlace a la vía de transducción de señales
Tal como enzimas, los catalizadores de la reacción bioquímica celular, son específicos para ciertas moléculas de sustrato, los receptores en la superficie de las células son específicos para una molécula de señal particular. El nivel de especificidad puede variar y algunas moléculas pueden activar débilmente receptores que otras moléculas pueden activar fuertemente.
Por ejemplo, los analgésicos opioides activan ciertos receptores en el cuerpo que las sustancias naturales llamadas Las endorfinas también desencadenan, pero estos fármacos suelen tener un efecto mucho más fuerte debido a su farmacología. sastrería.
Los receptores son proteínas y la recepción tiene lugar en la superficie. Piense en los receptores como timbres celulares, como un timbre. Los timbres están fuera de su casa y activarlos es lo que hace que las personas en su casa abran la puerta. Pero para que funcione el timbre, alguien debe usar su dedo para presionar el timbre.
El ligando es análogo al dedo. Una vez que se une al receptor, que es como el timbre de la puerta, comenzará el proceso del interno. funcionamiento / transducción de señales justo cuando el timbre hace que los que están dentro de la casa se muevan y respondan a la puerta.
Si bien la unión del ligando (y el dedo presionando el timbre) es esencial para el proceso, es solo el comienzo. Un ligando que se une a un receptor celular es solo el comienzo de un proceso cuya señal debe modificarse en fuerza, dirección y efecto final con el fin de ser útil para la célula y el organismo en el que se reside.
Recepción: detección de una señal
Los receptores de la membrana celular incluyen tres tipos principales:
- Receptores acoplados a proteína G
- Receptores ligados a enzimas
- Receptores de canales de iones
En todos los casos, la activación del receptor inicia una cascada química que envía una señal desde el exterior de la célula, o en una membrana dentro de la célula, al núcleo, que es el "cerebro" de facto de la célula y el locus de su material genético (ADN o ácido desoxirribonucleico).
Las señales viajan al núcleo porque su objetivo es influir de alguna manera en la expresión génica: la traducción de los códigos contenidos en los genes al producto proteico que el genes código para.
Antes de que la señal se acerque al núcleo, se interpreta y modifica cerca del sitio de su origen, en el receptor. Esta modificación puede implicar una amplificación a través de segundos mensajeros, o puede significar una leve disminución de la intensidad de la señal si la situación lo requiere.
Receptores acoplados a proteína G
Las proteínas G son polipéptidos con secuencias de aminoácidos únicas. En la vía de transducción de señales celulares en la que participan, suelen vincular el propio receptor a una enzima que lleva a cabo las instrucciones pertinentes al receptor.
Estos hacen uso de un segundo mensajero, en este caso monofosfato de adenosina cíclico (AMP cíclico o AMPc) para amplificar y dirigir la señal. Otros segundos mensajeros comunes incluyen el óxido nítrico (NO) y el ión calcio (Ca2 +).
Por ejemplo, el receptor de la molécula epinefrina, que se reconoce más fácilmente como la adrenalina, la molécula de tipo estimulante, provoca cambios físicos en un Proteína G adyacente al complejo ligando-receptor en la membrana celular cuando la epinefrina activa la receptor.
Esto, a su vez, hace que una proteína G active la enzima. adenilil ciclasa, que conduce a la producción de cAMP. El cAMP luego "ordena" un aumento en una enzima que descompone el glucógeno, la forma de almacenamiento de carbohidratos de la célula, en glucosa.
Los segundos mensajeros a menudo envían señales distintas pero consistentes a diferentes genes en el ADN celular. Cuando el AMPc requiere la degradación del glucógeno, simultáneamente indica un retroceso en la producción de glucógeno a través de una enzima diferente, reduciendo así el potencial de ciclos inútiles (el desarrollo simultáneo de procesos opuestos, como correr agua en un extremo de una piscina mientras se trata de drenar el otro final).
Tirosina quinasas receptoras (RTK)
Quinasas son enzimas que toman fosforilato moléculas. Lo logran moviendo un grupo fosfato del ATP (trifosfato de adenosina, una molécula equivalente al AMP con dos fosfatos añadidos al que ya tiene el AMP) a una molécula diferente. Fosforilasas son similares, pero estas enzimas recogen fosfatos libres en lugar de absorberlos del ATP.
En fisiología de señales celulares, las RTK, a diferencia de las proteínas G, son receptores que también poseen propiedades enzimáticas. En resumen, el extremo receptor de la molécula mira hacia el exterior de la membrana, mientras que el extremo de la cola, hecho del aminoácido tirosina, tiene la capacidad de fosforilar moléculas dentro de la célula.
Esto conduce a una cascada de reacciones que dirigen el ADN en el núcleo celular para regular al alza (aumentar) o regular a la baja (disminuir) la producción de un producto o productos proteicos. Quizás la cadena de reacciones mejor estudiada es la cascada de la proteína quinasa activada por mitógenos (MAP).
Se cree que las mutaciones en las PTK son responsables de la génesis de ciertas formas de cáncer. Además, debe tenerse en cuenta que la fosforilación puede inactivar y activar moléculas diana, según el contexto específico.
Canales de iones activados por ligando
Estos canales consisten en un "poro acuoso" en el membrana celular y están hechos de proteínas incrustadas en la membrana. El receptor del neurotransmisor común acetilcolina es un ejemplo de tal receptor.
En lugar de generar una señal en cascada per se dentro de la célula, la acetilcolina que se une a su receptor hace que el poro del complejo se ensanche, lo que permite iones (partículas cargadas) para fluir hacia la célula y ejercer sus efectos aguas abajo sobre la síntesis de proteínas.
Respuesta: Integración de una señal química
Es vital reconocer que las acciones que ocurren como parte de la transducción de la señal del receptor celular no son típicamente fenómenos de "activación / desactivación". Eso es el fosforilación o la desfosforilación de una molécula no determina el rango de posibles respuestas, ya sea en la propia molécula o en términos de su señal aguas abajo.
Algunas moléculas, por ejemplo, pueden fosforilarse en más de un lugar. Esto proporciona una modulación más estricta de la acción de la molécula, de la misma manera general que una aspiradora o La licuadora con múltiples configuraciones puede permitir una limpieza o preparación de batidos más específica que un "encendido / apagado" binario cambiar.
Además, cada célula tiene múltiples receptores de cada tipo, la respuesta de cada uno de los cuales debe integrarse en o antes del núcleo para determinar la magnitud general de la respuesta. Generalmente, la activación del receptor es proporcional a la respuesta, lo que significa que cuanto más ligando se une a un receptor, es probable que sean más marcadas las alteraciones dentro de la célula.
Es por eso que cuando toma una dosis alta de un medicamento, generalmente ejerce un efecto más fuerte que una dosis más pequeña. Se activan más receptores, resultan más cAMP o proteínas intracelulares fosforiladas y más todo lo que se requiere en el núcleo tiene lugar (y a menudo ocurre más rápido, así como a un mayor grado).
Una nota sobre la expresión genética
Las proteínas se producen después de que el ADN hace una copia codificada de su información ya codificada en forma de ARN mensajero, que se mueve fuera del núcleo a los ribosomas, donde las proteínas están hechas de aminoácidos de acuerdo con las instrucciones suministradas por ARNm.
El proceso de elaboración de ARNm a partir de una plantilla de ADN se denomina transcripción. Proteínas llamadas factores de transcripción se puede regular hacia arriba o hacia abajo como resultado de la entrada de varias señales de transducción independientes o simultáneas. Como resultado, se sintetiza una cantidad diferente de la proteína que codifica la secuencia genética (longitud del ADN).