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Integración Integración

célula - organismocélula - organismo

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DesarrolloDesarrollo embrionarioembrionario

Organogénesis

DiferenciaciónDiferenciación celularcelular

Diferenciación celular

La mayoría de los organismos multicelulares están formados por grupos de células que presentan ciertas diferencias y semejanzas entre sí. Las células que forman la capa superficial de nuestra piel, por ejemplo, son muy diferentes a las que se encuentran en los músculos de contracción voluntaria, y estas son similares, pero no idénticas, a las del músculo liso presente en órganos que se contraen involuntariamente. Así, podemos clasificar cada uno de estos grupos de células como diferentes tipos celulares.

PIEL MÚSCULO ESTRIADO

MÚSCULO LISO

Células totipotenciales: Células troncales.

Células totipotenciales: Células meristemáticas

Una célula que es capaz de diferenciarse en muchos tipos celulares diferentes se denomina totipotencial. En el caso específico de los organismos animales, estas células se conocen como células troncales y, en los vegetales, cómo células meristemáticas. En los animales, el cigoto y ciertas células embrionarias son totipotentes. En las plantas hay muchas células meristemáticas en los extremos de las raíces y en el ápice de los brotes, sin embargo, las células diferenciadas pueden ser inducidas a convertirse en totipotenciales bajo condiciones experimentales.

Células troncales

Estas células mantienen su potencial proliferativo por períodos indefinidos de tiempo. Así a partir de ellas se originan células especializadas no solo durante el desarrollo embrionario, sino también a los largo de toda la vida del organismo, haciendo posible la regeneración y reparación de tejidos.

FIGURA 1:FIGURA 1:

Etapas en el desarrollo de la mosca y efecto de mutaciones

en genes que controlan la localización de estructuras a lo largo del eje cabeza-cola (genes

homeóticos).

FIGURA 2:FIGURA 2:

Los genes homeóticos definen el plan corporal en

el eje antero-posterior (cabeza-cola).

Los genes homeóticos se distribuyen a lo largo de un cromosoma siguiendo la orientación de las regiones corporales en donde se expresan. Esta característica se ha conservado y es evidente tanto en insectos como en vertebrados.

Genes homeóticos

La localización y formación de la estructura de los diferentes órganos, proceso denominado organogénesis, es dirigido principalmente por dos tipos de genes. El primer grupo determina las características estructurales de los órganos, mientras que el otro grupo de genes determina la localización corporal de los mismos. La determinación de la localización de las principales regiones corporales (cabeza, tronco, extremidades, por ejemplo) es otro importante proceso, el que ocurre incluso antes que las células se diferencien.

Mosca mutante bitorax

Mutantes AntennapediaMutantes Antennapedia

El papel de los genes homeóticos del desarrollo ha sido estudiado a través de diferentes mutantes de la mosca Drosophila melanogaster. El mutante bitorax, por ejemplo, presenta dos tórax y dos partes de alas, en vez de uno. Los mutantes antepanapedia, por su parte, presentan patas en vez de antenas en la cabeza. Estos dos tipos de mutaciones han servido como modelos para estudiar los genes que controlan la posición de órganos no solo en Drosophila, sino en otras especies, incluyendo la especie humana. A los genes que controlan la posición de los órganos se les ha denominado genes homeóticos, mientras que a las mutaciones que afectan a esos genes se les conoce como mutaciones homeóticas.

Los genes homeóticos participan en el control de la posición de órganos a través del eje anteroposterior, es decir, de cabeza a cola. La determinación del eje anteroposterior es uno de los eventos más tempranos del desarrollo, y que guía los restantes procesos de organogénesis. Los genes homeóticos corresponden a un grupo de genes que seleccionan la posición de las estructuras que están formando. Estos genes se expresan en las regiones corporales que albergarán a los órganos en formación. Así, en una mosca Drosophila normal, los genes homeóticos que determinan la posición de las patas se expresan solo en el tórax. En el mutante antenapedia, en cambio una mutación causa la expresión de dichos genes homeóticos en la cabeza. Si bien la formación de patas requiere la expresión de cientos de genes, una sola mutación afectando a un gen homeótico puede provocar la drástica modificación fenotípica observable en estos mutantes.

El producto de la expresión de los genes homeóticos son proteínas que actúan como reguladoras de la expresión de muchos otros genes. Los genes homeóticos presentan una región común, incluso entre especies distantes, denominada caja homeótica, que en la proteína corresponde a la región denominada homeodominio. Los homeodominios se unen al ADN en regiones cercanas a los genes cuya expresión es regulada en el desarrollo, conocidos como genes subordinados. De esta manera, las proteínas homeóticas pueden activar o reprimir la expresión de muchos genes del desarrollo. La conservación de la caja homeótica entre especies de insectos y vertebrados sugiere que estos genes han sido heredados desde un ancestro en común a ambos grupos de organismos.

Los genes homeóticos se organizan en grupos en el genoma, distribuyéndose a lo largo de un mismo cromosoma siguiendo la misma orientación espacial que las regiones corporales e las cuales se expresan. Este interesante patrón de distribución de los genes homeóticos se encuentra tanto en Drosophila como en vertebrados.

La detección de RNA transcritos muestra diferencias en la expresión génica en distintos

tipos de célula

1. ¿Qué es la diferenciación celular?

2. ¿Qué es una célula totipotencial?

3. ¿Qué es una célula troncal?

4. ¿Qué es una célula meristemática?

5. ¿Qué son los genes homeóticos?

6. ¿Cómo es posible que la mutación de uno o dos genes produzca una transformación fenotípica tan notable como la aparición de un órgano completo en un sitio que no corresponde?

7. ¿Qué tipo de proteínas codifican los genes homeóticos?

8. ¿Qué es una caja homeótica? Y ¿Qué son los homeodominios?

Modelos de Modelos de diferenciación diferenciación

celularcelular

Los factores determinantes de la diferenciación celular son, en primer lugar, moléculas conocidas como determinantes del citoplasma del cigoto (moléculas y organelos) se encuentran distribuidos de una manera no homogénea. Al dividirse, el cigoto genera células que difieren entre sí en la composición citoplasmática, lo que constituye una primera etapa en la generación de células diferenciadas. Es decir, las células hijas del cigoto no son idénticas entre sí. Las diferencias citoplasmáticas entre estas células iniciales (blastómeros) determinan diferentes patrones de expresión génica y cada una célula queda entonces confinada a una trayectoria específica del desarrollo.

Así los determinantes citoplasmáticos localizados constituyen la primera señal de diferenciación durante el desarrollo. Estas primeras señales son luego complementadas con otros procesos relacionados con la interacción entre células vecinas. Uno de estos procesos, conocido como INDUCCIÓN, ocurre cuando dos células difieren en su fenotipo toman contacto.

Inductores en la formación del ojo en vertebrados

En el proceso de inducción, una célula cambia su fenotipo “influenciada” por una segunda célula, la cual no cambia sus características. La célula que modifica su fenotipo se denomina célula respondedora, y la que causa el cambio, célula inducidora. Las interacciones de este tipo de inducción permiten que los grupos de células vecinas adquieran un patrón de desarrollo similar y de forma coordinada.

La capacidad de una célula de modificar su fenotipo, es decir, de responder frente a la presencia de una célula inductora se denomina competencia. La competencia ocurre solo durante ciertas fases del desarrollo. Evidencias de competencia de este proceso provienen de experimentos de trasplante de grupos de células desde un tejido a otro. Por ejemplo, al trasplantar células que dan origen al ojo (células del primordio óptico) hacia una región diferente del ectodermo, una de las principales capas embrionarias, se observa formación del cristalino en la respectiva zona ectodérmica.

Las células respondedoras reciben las señales emitidas por las células inductoras y así comienzan el proceso de inducción. Estas señales son moléculas de diferente naturaleza, pero entre las más comunes se encuentran hormonas, factores de crecimiento y citoquinas. Entre otros efectos estas moléculas determinan cambios en la producción de moléculas de adhesión entre células y moléculas de la matriz extracelular, ambos muy importantes en la formación y en la determinación de las características de los tejidos.

Células troncales del cordón umbilical.

Derivadas de blastocistos.

Células troncales adultas.

Las células troncales corresponden a tres clases de células: derivadas de blastocistos, células troncales adultas y células troncales del cordón umbilical. En los embriones durante su desarrollo, las células troncales dan origen a todos los tipos celulares; en el adulto, estas células troncales dan origen a todos los tipos celulares; en el estudio, estas células participan en la mantención de tejidos en renovación (por ejemplo, la epidermis de la piel o el epitelio que recubre el tubo digestivo) y en la reparación de tejidos.

Las células troncales pueden ser cultivadas en condiciones de laboratorio y su diferenciación puede ser estimulada in vitro, adicionando diferentes moléculas que actúan como señales de diferenciación. Así, los científicos frecuentemente obtienen células especializadas, tales como células musculares o nerviosas, por estimulación in vitro de cultivos de células troncales. Consecuentemente, se ha propuesto el uso de células troncales con fines médicos, para generar tejidos especializados a partir de muestras de células troncales del propio paciente, o bien a partir de células troncales de embriones humanos. Este último enfoque genera polémica debido a las implicancias éticas de la experimentación con tejidos embrionarios humanos.

En muchos tejidos adultos, la pérdida de células se compensa a través de la proliferación de células del mismo tipo celular ya diferenciadas. Es el caso de los hepatocitos (células del hígado). No obstante, en la mayoría de los tejidos, la recuperación de células troncales que se encuentran formando parte de dichos tejidos. Estas células troncales son, muchas veces, unipotentes en vez de totipotentes o pluripotentes.

En el intestino, por ejemplo, las células troncales se encuentran en el fondo de las criptas, especie de cavidades ubicadas entre las vellosidades, formando parte del tejido epitelial que recubre al intestino. A medida que las células del extremo superior de las criptas mueren, estas se desprenden hacia el lumen del intestino. Al mismo tiempo, las células que se encuentran más abajo ascienden, reemplazando a las células perdidas diariamente. Este desplazamiento de células requiere de la generación de nuevas células epiteliales intestinales, lo que es llevado a cabo por la proliferación y posterior diferenciación de células troncales en células epiteliales diferenciadas.

RECEPCIÓN Y TRADUCCIÓN

DE SEÑALES

Señales de proteínas de membrana

Célula productora de la señal

Célula receptora de la señal

Las células tienen distintas formas de comunicación, una de ellas consiste en el intercambio directo de moléculas entre los citoplasmas de células adyacentes, debido a la fusión de ambas membranas plasmáticas en regiones especializadas llamadas uniones comunicantes, (gap junction).

Otra manera de comunicación celular es mediante la interacción entre proteínas de membrana de células adyacentes. En este caso, una proteína ubicada en la membrana plasmática de otra célula, lo que gatilla alguna respuesta específica en esta última.

Las moléculas señal, también conocidas ligando, debido a que se “ligan” o unen específicamente a un receptor en la membrana plasmática de la célula blanco, tienen una naturaleza química variada, pueden ser proteínas, péptidos, aminoácidos, nucleótidos, lípidos, glucolípidos, glucoproteínas e incluso gases disueltos, como el dióxido nítrico liberado por las células endoteliales de los vasos sanguíneos.

Tipos de señalización extracelular

Señal endocrina

Señal endocrina

La célula blanco está ubicada en algún órgano o tejido alejado de la célula productora de la molécula señal, por lo cual esta última debe ser transportada a través del organismo para llegar a su destino. En los mamíferos, las hormonas son transportadas por el torrente sanguíneo hacia la célula blanco.

Señal paracrina

Señal paracrina

La molécula señal actúa sobre una célula blanco cercana a la célula productora. Un ejemplo de señal paracrina son los neurotransmisores, moléculas que participan en la comunicación entre neuronas y entre una neurona y un músculo.

Señal autocrina

Señal autocrina

La molécula señal actúa sobre la misma célula que la produce. Los factores de crecimiento son las señales autocrinas que secretan las células para estimular su propio crecimiento y proliferación.

RECEPTORESRECEPTORES

Receptores intracelulares

Receptores intracelulares

Son proteínas que se ubican en el citoplasma o en el núcleo. Se unen a moléculas señal liposolubles que pueden difundirse con facilidad a través de la membrana plasmática. La unión entre el receptor y la molécula señal forman un complejo que interactúa directamente en los genes, regulando su expresión. Hormonas lipídicas como la progesterona, el estrógeno y la testosterona se unen a receptores intracelulares de la célula blanco.

Receptores de superficie celular

Receptores de superficie celular

Son proteínas transmembrana ubicadas a lo largo de la membrana plasmática. Principalmente fijan moléculas señal hidrosolubles, es decir, que no pueden difundirse a través de la membrana de la célula. Hormonas peptídicas como la insulina, neurotransmisores y factores de crecimiento se unen a este tipo de receptores.

TRANSDUCCIÓN TRANSDUCCIÓN DE SEÑALESDE SEÑALES

Receptores asociados a un canal iónico

Receptores asociados a un canal iónico

Corresponden a proteínas transmembrana que se organizan en una estructura con forma de canal que cruza la membrana plasmática y permiten el flujo de iones a través de ella. Cuando la molécula señal se une al receptor, este sufre un cambio conformacional que lo abre y permite la entrada de iones al citoplasma.

Receptores con actividad enzimática

Receptores con actividad enzimática

Son proteínas transmembrana que tienen actividad enzimática en su origen citoplasmática, que se activa una vez que la señal extracelular se une al receptor. Por lo general, estos receptores corresponden a proteínas quinasas, es decir, enzimas que añaden un grupo fosfato que extraen del ATP a proteínas, reacción llamada fosforilación. La fosforilación regula la actividad de numerosas proteínas celulares, pudiendo activar o inhibir su función.

Receptores asociados a proteína G

Receptores asociados a proteína G

Son proteínas transmembrana que en su porción extracelular se ensamblan a la molécula señal lo que provoca que su región intracelular interactúe con una proteína GTPasa o proteína G. esta proteína, debido a la unión señal- receptor, sufre un cambio conformacional que la activa. La proteína G activada, a su vez regula la actividad de enzimas implicadas en la generación de segundos mensajeros.

Amplificación de las señales intracelulares

Amplificación de las señales intracelulares

La unión entre una molécula señal y su receptor en la membrana plasmática gatilla una cascada de reacciones intracelulares donde participa un numeroso grupo de proteínas celulares. Estas cascadas consisten en una serie de reacciones donde el producto de una reacción activa o inhibe a las enzimas que participan en el paso siguiente. Por ejemplo, una molécula de proteína G, que a su vez, activa una enzima. Esta enzima cataliza la formación de muchas moléculas de segundo grupo de enzimas, las que de esta forma son activadas. Cada una de las moléculas del segundo grupo de enzimas cataliza la formación de muchas moléculas de producto que participan en la respuesta.

Actividad

1. Nombra los tipos de señales extracelulares.

2. Explica con tus palabras la señal endocrina.

3. Explica con tus palabras la señal paracrina.

4. Explica con tus palabras la señal autocrina.

5. ¿Qué es un receptor?

6. ¿Qué es un receptor intracelular? Explica con tus palabras.

7. ¿Qué es un receptor de superficie celular? Explica con tus palabras.

8. ¿Qué es un receptor asociado a un canal iónico? Explica con tus palabras.

9. ¿Qué es un receptor con actividad enzimática? Explica con tus palabras.

10. ¿Qué es un receptor asociado a la proteína G? Explica con tus palabras.

11. ¿Cómo funciona una amplificación de señales para dar una respuesta? Explica con tus palabras.

RESPUESTAS RESPUESTAS CELULARESCELULARES

Todo el proceso de transducción y amplificación de señales culmina en una respuesta celular relacionada con el metabolismo, el desarrollo o la función que desempeña la célula blanco.

Algunas señales extracelulares pueden actuar a nivel genético regulando la expresión de algunos genes. Otras señales actúan en el citoplasma o en la membrana plasmática, controlando la síntesis y secreción de proteínas, activando o inhibiendo enzimas, induciendo modificaciones en la organización del citoesqueleto o gatillando cambios en la permeabilidad de la membrana plasmática.

Anticuerpos Anticuerpos monoclonalesmonoclonales

Mientras ciertas proteínas se distribuyen de manera bastante generalizada en todos los tejidos y en varias estructuras celulares, otras son altamente específicas en su ubicación, haciéndolo solamente en un tipo de tejido o en un tipo celular e incluso algunas proteínas se localizan solo en un organelo de la célula.

Identificar la ubicación de las proteínas permite muchas veces realizar inferencias respecto de su función y de sus características biológicas. De ahí que los biólogos frecuentemente se preguntan acerca de la localización de una proteína dentro de los tejidos y dentro de las células.

Producción de anticuerpos monoclonales a través de inyección de antígenos (proteínas en estudio) en ratón, fusión de células de mieloma con células plasmáticas, cultivo en medio selectivo (HAT) y finalmente detección de hibridomas productores de anticuerpos contra la proteína en estudio.

Una técnica usada ampliamente para localizar una proteína corresponde a la inmunolocalización. Esta se basa en la propiedad natural de los anticuerpos (inmunoglobulinas) de reconocer y de unirse de forma bastante específica a moléculas exógenas (antígenos). Así, frente a cada antígeno, el organismo produce un anticuerpo específico que reconoce y se acopla a dicha molécula facilitando su eliminación por parte del sistema inmune. Los científicos han aprovechado esta característica natural de los anticuerpos para desarrollar técnicas de inmunolocalización; entre ellas, la más usada corresponde a la técnica de localización por anticuerpos monoclonales.

1. Inmunización

Se inyecta la proteína de estudio a un animal de laboratorio (usualmente ratones o conejos). De esta manera los linfocitos B del animal se activan y comienzan a dividirse y a generar células plasmáticas capaces de producir anticuerpos específicos contra la proteína capaces de producir anticuerpos específicos contra la proteína inyectada.

2. Producción de hibridomas

Las células plasmáticas son fusionadas con células tumorales de mieloma –un tipo de cáncer-, las que se caracterizan por su capacidad de multiplicarse rápidamente en ciertos medios de cultivo. Entonces, las células híbridas o hibridomas resultantes de la fusión de ambos tipos celulares (células plasmáticas con células de mieloma) tienen la capacidad de producir los anticuerpos requeridos y de multiplicarse rápidamente.

3. Selección de células híbridas

Los hibridomas son cultivados en un medio especial denominado HAT. En este medio, solo las células híbridas pueden sobrevivir, por lo tanto, se eliminan las células tumorales y las células plasmáticas no fusionadas.

4. Identificación de células productoras de anticuerpos

Todas las células sobrevivientes en el medio de cultivo HAT son híbridas, pero solo una pequeña porción de ellas produce el anticuerpo contra la proteína en estudio. Para detectar las células productoras del anticuerpo de interés se utilizan pruebas bioquímicas. Una vez identificadas, estas células se aíslan y se mantienen en condiciones de cultivo que les permitan dividirse y generar clones de hibridomas que producen todos el mismo anticuerpo (anticuerpos monoclonales).

Solo después del procedimiento anterior es posible usar los hibridomas como “fabricas” de anticuerpos contra la proteína en estudio. Así, los anticuerpos pueden ser aislados y marcados con una sustancia fluorescente. Al aplicar estos anticuerpos marcados a muestras de células o tejidos, es posible detectar la presencia de la proteína a través del color con el que el anticuerpo fue marcado. Los anticuerpos se marcan generalmente con moléculas fluorescentes, las que pueden visualizarse en microscopios de fluorescencia.