H O R M O N A S : M E N S A J E R O S Q U Í M I C O S Y C O M U N I C A C I Ó N C E L U L A R

Autor: JESÚS ADOLFO GARCÍA SÁINZ

COMITÉ DE SELECCIÓN EDICIÓN

PRÓLOGO A LA SEGUNDA EDICIÓN I. LOS MESAJEROS DE LAS CÉLULAS

II. RECEPTORES: LOS OÍDOS DE LAS CÉLULAS: III. RECEPTORES, PROTEÍNAS G Y SEGUNDOS

....MENSAJEROS IV. PROPAGACIÓN INTRACELULAR Y AMPLIFICACIÓN

....DE LA SEÑAL V. RECEPTORES CON ACTIVIDAD ENZIMÁTICA

VI.RECEPTORES CANAL Y RECEPTORES....INTRACELULARES

VII. TOLERANCIA, DEPENDENCIA Y TRANSFORMACIÓN....MALIGNA

VIII. EJEMPLOS DE LOS MECANISMOS DE ACCIÓN ....DE ALGUNAS HORMONAS Y NEUROTRANSMISORES

NOTA FINAL AGRADECIMIENTOS

BIBLIOGRAFÍA CONTRAPORTADA

P R Ó L O G O A L A S E G U N D A E D I C I Ó N

HACE APROXIMADAMENTE DIEZ AÑOS fui invitado a escribir la primera edición de este libro sobre mi área de trabajo: el mecanismo molecular de acción de las hormonas. Lo escribí con el deseo de presentar a un público amplio, no especializado, algunas de las ideas centrales de este campo.

Si bien yo tenía la esperanza de que el libro fuese bien aceptado, nunca pensé que fuera reimpreso, y la posibilidad de que tuviese que ser actualizado y alcanzara una segunda edición la consideraba, honestamente, muy remota.

Para mi sorpresa, la serie La Ciencia desde México ha tenido un gran éxito. Si consideramos que, desafortunadamente, en este país se lee

muy poco, y que además la ciencia no ocupa el lugar importante que debería tener en nuestra cultura, el hecho es realmente sobresaliente.

Sin duda, a este éxito han contribuido los promotores de la misma (la Secretaría de Educación Pública, SEP, el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, CONACYT, y el Fondo de Cultura Económica) y el enorme entusiasmo de su Coordinadora, la señora María del Carmen Farías, a quien agradezco sus muchas atenciones.

Mencionaba en el prólogo a la primera edición que en la antigüedad un conocimiento permanecía sin modificarse por siglos, pero que en nuestro tiempo vivimos una verdadera revolución en el saber, lo que obliga a una revisión constante. Esto es especialmente claro en campos muy jóvenes, como el que aquí nos ocupa. Así, cuando la señora Farías me habló hace algunos meses para producir una nueva reimpresión de la obra, indiqué la necesidad de hacerle una revisión a fondo. Espero que esta nueva edición sea de interés y utilidad.

Ciudad Universitaria, México, D.F., octubre de 1995

D A E D I C I Ó N

HACE APROXIMADAMENTE DIEZ AÑOS fui invitado a escribir la primera edición de este libro sobre mi área de trabajo: el mecanismo molecular de acción de las hormonas. Lo escribí con el deseo de presentar a un público amplio, no especializado, algunas de las ideas centrales de este campo.

Si bien yo tenía la esperanza de que el libro fuese bien aceptado, nunca pensé que fuera reimpreso, y la posibilidad de que tuviese que ser actualizado y alcanzara una segunda edición la consideraba, honestamente, muy remota.

Para mi sorpresa, la serie La Ciencia desde México ha tenido un gran éxito. Si consideramos que, desafortunadamente, en este país se lee muy poco, y que además la ciencia no ocupa el lugar importante que debería tener en nuestra cultura, el hecho es realmente sobresaliente.

Sin duda, a este éxito han contribuido los promotores de la misma (la Secretaría de Educación Pública, SEP, el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, CONACYT, y el Fondo de Cultura Económica) y el enorme entusiasmo de su Coordinadora, la señora María del Carmen Farías, a quien agradezco sus muchas atenciones.

Mencionaba en el prólogo a la primera edición que en la antigüedad un conocimiento permanecía sin modificarse por siglos, pero que en nuestro tiempo vivimos una verdadera revolución en el saber, lo que obliga a una revisión constante. Esto es especialmente claro en campos muy jóvenes, como el que aquí nos ocupa. Así, cuando la señora Farías me habló hace algunos meses para producir una nueva reimpresión de la obra, indiqué la necesidad de hacerle una revisión a fondo. Espero que esta nueva edición sea de interés y utilidad.

Ciudad Universitaria, México, D.F., octubre de 1995

I . L O S M E S A J E R O S D E L A S C É L U L A S

A) NECESIDAD DE LA COMUNICACIÓN CELULAR

UNA DE LAS CARACTERÍSTICAS ESENCIALES de los seres vivos es su capacidad de ajustarse a las condiciones que les presenta el medio; a esta característica se la llama plasticidad. Dicha plasticidad es vital para las células, ya que, de no existir, sus posibilidades de sobrevivencia serían muy escasas. De hecho, la extinción de una especie indica que se sobrepasó su capacidad de ajuste. Imagínese por un momento a una célula o a un organismo sencillo en un medio específico; ahora, lo colocamos en otro de composición diferente. ¿Qué sucederá? En primer lugar, el organismo deberá percatarse del cambio y luego realizar los ajustes necesarios para continuar llevando a cabo sus funciones fundamentales. Ello implica que tiene la capacidad de "percibir", "escuchar" o "sentir" los cambios que se producen y de "responder" a ellos.

Si pensamos en organismos más complejos, como nosotros, por ejemplo, se verá que las células que nos forman se encuentran rodeadas por un medio (el líquido extracelular o medio interno), cuya composición varía, aunque dentro de límites relativamente estrechos.

Estas células también están "escuchando" y "respondiendo" a dichos cambios. Ahora bien; si consideramos al individuo como un todo, nos resulta obvio que el conjunto de células que lo forman debe responder en una forma global, coordinada y armoniosa. Dado que estamos pensando en millones de células, dicha coordinación y armonía sólo puede lograrse mediante un amplísimo sistema de comunicación celular. Pongamos un ejemplo: imaginemos a un ilustre capitalino gozando de unas merecidas vacaciones en una de las hermosas playas de nuestra República Mexicana. Nuestro capitalino está cómodamente recostado disfrutando del Sol y las bellezas del lugar; de repente, observa que el oleaje aumenta y que va a ser cubierto por el mar. Es evidente que no permanecerá tranquilo, de inmediato parecerá que los ojos se salen de sus órbitas; la frecuencia y la fuerza de contracción de su corazón aumentarán, así como la amplitud de su respiración. Instantes después, hará todos los movimientos necesarios para poner "pies en polvorosa", alejándose del peligro. Además, le ocurrirán muchísimos otros cambios, la mayoría totalmente imperceptibles para él, pero sumamente importantes para permitir la respuesta global de su organismo: aumentará su tensión arterial, su sudoración, la concentración de combustibles (como los azúcares y las grasas) en su sangre, etc. Se diría que casi la totalidad de sus células se enteraron del acontecimiento y respondieron coordinadamente. Pero ¿cómo se enteraron? Esto ocurrió a través de una enorme, rápida y compleja red de comunicación celular, que se realiza y coordina por medio de dos grandes sistemas: el sistema nervioso y el sistema hormonal o endocrino. Ambos operan básicamente por medio de mensajes químicos.

B) ¿TODAS LAS CÉLULAS SE COMUNICAN?

Cabe aclarar un aspecto importante. Podría pensarse que sólo los organismos complejos, pluricelulares, establecen comunicación, pero no es así. Muchos organismos sencillos, unicelulares, también lo hacen. Como en el caso de algunos mohos que pueden vivir tanto en forma unicelular (amiboidea) como formando estructuras más complejas (el moho propiamente dicho), dependiendo de las condiciones que se les presenten. En este ejemplo, las células libres detectan los cambios en el medio y secretan mensajeros. Estos mensajeros llegan a otras células que, en respuesta, se agregan y se van diferenciando hasta formar las estructuras del moho.

Decíamos anteriormente que en los organismos pluricelulares la comunicación se realiza y coordina por medio de dos sistemas: el nervioso y el endocrino u hormonal. En realidad la interrelación entre ambos es tan estrecha, que pueden considerarse como uno solo: el gran sistema neuroendocrino. Este sistema capta los cambios en el medio externo, ajusta el medio interno y permite la acción de cada célula de forma tal que la respuesta global se integre. Es éste, pues, el comunicador y coordinador por excelencia. Sin embargo, considerar que el sistema neuroendocrino sólo interviene en la comunicación sería un grave error. En realidad hay comunicación celular entre todas las

células y en todos los ámbitos como se verá más adelante. Por ejemplo, cuando nos enfrentamos a una infección hay una respuesta neuroendocrina global, pero además los muy diversos tipos de células de nuestro sistema inmune realizan una enorme labor para combatirla. En esta lucha participa una intrincadísima red de comunicación celular.

C) FORMAS EN LAS QUE OPERA LA COMUNICACIÓN CELULAR

Ahora se analizarán brevemente las seis principales formas en que opera la comunicación celular (ilustradas en la figura I):

I) En el caso de la comunicación endocrina u hormonal, las células de las glándulas de secreción interna (como la hipófisis, la tiroides, los islotes del páncreas, las suprarrenales, los ovarios y los testículos) vierten su mensajero, es decir, las hormonas, al torrente circulatorio. Una vez en la sangre, estas hormonas circulan por todo el organismo e interactúan con algunas células que son "receptoras" para un mensajero dado, las cuales se llaman "células blanco". Ello indica que el mensajero es selectivo, esto es, que va dirigido únicamente a algunas células que pueden "escucharlo". Más adelante se verá de qué depende esta capacidad de "audición selectiva" de las células.

2) En la neurotransmisión, es decir, la comunicación química a través de las células nerviosas, las neuronas con sus largos axones están muy cercanas a las células con las que se comunican. La membrana externa de la neurona está "casi en contacto" con la membrana externa de la célula. Este "casi contacto" es una estructura especializada a la que llamamos sinapsis; en ella hay un espacio (el espacio sináptico) que separa a una célula de la otra. El flujo o sentido de la información es unidireccional y va de la neurona, o célula presináptica (que está antes de la sinapsis), a la célula receptora o postsináptica. En esta forma de comunicación, la célula presináptica vierte su mensaje (al cual llamaremos neurotransmisor) al espacio sináptico, y éste viaja e interacciona con la célula postsináptica, la cual lo recibe y responde.

Figura 1. Formas de comunicación por mensajeros químicos: a) comunicación endocrina, b) neurotransmisión, c) neurosecreción, d) comunicación paracrina, e) comunicación yuxtacrina y f) comunicación autocrina.

3) Existe una variedad de comunicación que es una mezcla de las dos anteriores: la llamada secreción neuroendocrina o neurosecreción. En este caso, una célula formada a partir de tejido nervioso secreta su mensaje a la circulación. La neurohormona viaja en el torrente sanguíneo para interaccionar con células receptoras o "blanco".

4) La comunicación que se produce entre células relativamente cercanas, sin que para ello exista una estructura especializada (como es el caso de la sinapsis), recibe el nombre de paracrina. Esta comunicación tiene un carácter netamente local. Pongamos un ejemplo: imagínese que ocurre la ruptura de un pequeño vaso sanguíneo; inmediatamente se produce la liberación de algunos compuestos (mensajeros) que ocasionan una agregación de plaquetas en el sitio de ruptura. Las plaquetas, a su vez, secretan una serie de mensajeros que van a producir nuevos efectos: harán que otras plaquetas se agreguen, favoreciendo la formación de un coágulo, y estimularán la contracción de las células musculares del vaso sanguíneo. Todo ello es un organizado sistema de señales intercelulares tendientes a un fin específico: impedir la pérdida de sangre. Nótese que se ha hablado de comunicación entre varios tipos de células: las que cubren la superficie del vaso sanguíneo (endotelio), de las plaquetas y de las células musculares del mismo vaso. Hay muchas otras células que participan en este fenómeno y que para simplificar no se han mencionado. Es un proceso sencillo, local, y también se ha hablado de comunicación entre varios tipos de células mediante diversos mensajeros. Algunos de éstos son las llamadas hormonas locales o mediadores locales; se les ha dado el nombre de autacoides (que proviene del griego autos = propia y akos = remedio,

y que pretende dar la idea de que son sustancias que se producen en el mismo organismo para su propia curación o alivio).

5) Comunicación yuxtacrina es el nombre que el doctor Joan Massagué ha dado a una forma de comunicación que existe entre células adyacentes, donde hay moléculas andadas a la cara externa de la superficie de una célula que hacen contacto con sreceptores localizados en la membrana de una célula contigua. Es interesante que, a diferencia de los otros sistemas, este factor esté anclado y por lo tanto no difunde en el medio. Quizá el mejor ejemplo para ilustrar este tipo de comunicación es el que ejerce el Factor de Crecimiento y Transformación alfa (TGF-a) que como su nombre indica, es un importante mensajero que regula el crecimiento y la diferenciación de muchas células.

6) Por último, existe la autocomunicación o comunicación autocrina, en la que una célula se comunica consigo misma, es decir, establece una especie de monólogo. Esta forma de comunicación podría parecer extraña, pero es muy importante. Véanse los siguientes ejemplos: a) se comentó, algunos párrafos arriba, que en la neurotransmisión la célula presináptica libera al mensajero para que actúe sobre la célula postsináptica; ahora bien, este mismo mensajero va a actuar sobre la célula presináptica (o sea aquella que lo liberó) para "avisarle" que todavía hay neurotransmisor en el espacio sináptico y así evitar una nueva descarga de mensajero; b) algunas células que liberan factores de crecimiento y proliferación, que actúan sobre ellas mismas, favoreciendo que se multipliquen. En algunos tipos de cáncer las células producen estos factores en forma continua, no controlada, lo cual hace que estas células se reproduzcan desordenadamente.

D) ¿EXISTE UN TIPO DE MENSAJERO PARA CADA VARIEDAD DE COMUNICACIÓN CELULAR?

Vale la pena mencionar aquí que las células son sumamente versátiles y eficientes, de modo que una misma sustancia puede participar en varias de estas formas de comunicación. Analicemos, por ejemplo, el caso de la adrenalina (o epinefrina). Esta sustancia es una hormona producida por la médula de la glándula suprarrenal (comunicación endocrina), pero también es un neurotransmisor que actúa sobre células postsinápticas (neurotransmisión) y sobre la misma célula que la liberó (comunicación autocrina en un sentido general).

Otro caso interesante es el del Factor de Crecimiento y Transformación alfa al que ya me he referido en un párrafo anterior. Decíamos que este factor se encuentra anclado a la membrana de algunas células para realizar la comunicación yuxtacrina; sin embargo, existen condiciones en que la célula lo libera para que actúe no sólo sobre la célula inmediata adyacente, sino que difunde por el medio extracelular para actuar sobre otras células cercanas (comunicación paracrina). Se podría pensar que la célula ha usado una misma sustancia para

realizar diferentes trabajos; de hecho así es, aunque esencialmente es uno solo: servir como vehículo de comunicación celular.

Otro aspecto interesante es que una misma célula puede ser sujeto de varios de estos tipos de comunicación.

E) ¿CÓMO SON LOS MENSAJEROS CELULARES?

Las sustancias que participan como mensajeros celulares pueden tener una naturaleza química muy variada; sin embargo, se pueden agrupar en tres clases fundamentales: los lípidos (entre los que se encuentran los esteroides y las prostaglandinas) los de naturaleza polipeptídica y las aminas.

Los esteroides son lípidos con una estructura química semejante a la del colesterol (véase la figura 2); de hecho, se sintetizan en las diversas glándulas a partir del colesterol. Entre los esteroides más importantes tenemos los siguientes: a) las hormonas sexuales masculinas y femeninas, b) los esteroides producidos por la corteza de las glándulas suprarrenales que regulan el metabolismo de la glucosa (cortisol y cortisona) y el manejo de iones como el sodio y el potasio (aldosterona), y c) una vitamina que es una prohormona: la vitamina D o calciferol.

Figura 2. Estructura del colesterol y de dos hormonas, una hormona sexual femenina (estrona) y otra masculina (testosterona).

En la figura 2 se ilustran las estructuras químicas del colesterol, de una hormona sexual femenina y de una hormona sexual masculina. Estas hormonas se encargan de la maduración del organismo para que pueda efectuar sus funciones reproductivas; son en gran parte responsables de las diferencias que se observan entre machos y hembras de una misma especie, es decir, del dimorfismo sexual. Un

experimento sencillo que se realiza frecuentemente en los laboratorios de enseñanza media es administrar hormonas sexuales masculinas a pollitos de pocos días de nacidos. Lo que se observa es que después de algunas semanas se produce en ellos un desarrollo precoz. No ocurre lo mismo si se administra colesterol u otra hormona, lo cual nos lleva a una consideración importante. Si se observan las estructuras de la figura 2 se notará que existen muchísimas semejanzas; de hecho, a primera vista, las fórmulas son muy parecidas, pero producen efectos muy diferentes, esto es, llevan mensajes diferentes. Pensemos en la sutil capacidad de reconocimiento de las células para lograr diferenciar estas substancias y que se produzcan los efectos deseados.

Otro tipo de hormonas son los polipéptidos. Estos compuestos están formados por la unión de muchos aminoácidos, los cuales se unen unos con otros mediante un enlace que llamamos peptídico (de ahí el nombre de polipéptidos, muchos enlaces peptídicos); cuando los polipéptidos son muy grandes (es decir, que rebasan un cierto peso molecular) se les llama proteínas. Dentro del grupo formado por los polipéptidos y las proteínas existen muchos tipos diferentes de mensajeros, como la insulina, el glucagon, la hormona antidiurética, la oxitocina, la angiotensina, los factores de liberación de las hormonas hipofisiarias, las endorfinas, los factores de crecimiento y de transformación, etc. Las células también tienen la capacidad de distinguir a todos estos mensajeros. Esta capacidad puede llegar a ser tan exquisita como para poder diferenciar el cambio en un solo aminoácido. Hagamos una analogía para hacerlo más claro; compárese al mensajero con una pared formada por múltiples ladrillos (los aminoácidos), la cual tiene discretas diferencias en color y forma; una célula puede distinguir entre dos "paredes" en las que la disparidad está en un solo "ladrillo". Esta capacidad de distinguir entre los muchos mensajeros puede ser absoluta, como en los casos anteriores; o relativa, es decir; en un caso dado, una célula puede "confundir" a un mensajero "A" con uno "B", principalmente cuando las cantidades del mensajero son grandes.

Otro tipo de hormonas son las aminas, compuestos que contienen nitrógeno unido a dos hidrógenos (-NH2). Dentro de los mensajeros que son aminas hay algunos aminoácidos como el glutámico, el aspártico y la glicina, y productos del metabolismo de aminoácidos, esto es, de su transformación en el organismo. Entre estos últimos están las hormonas tiroideas, la adrenalina, la serotonina, la histamina y la dopamina, entre otros. Además hay algunos compuestos sencillos como la acetilcolina.

La mayoría de estos mensajeros fueron descubiertos entre 1890 y 1930 en extractos de glándulas. Al mejorarse las técnicas bioquímicas pudieron ser purificados; esto ocurrió entre 1920 y 1960, y su estructura química fue determinada entre 1930 y 1970. Por ejemplo, hace 100 años, en 1895, Oliver y Schäfer descubrieron que un extracto de glándula suprarrenal era capaz de incrementar la tensión arterial; en 1899, Abel bautizaba al principio activo, es decir, a la sustancia

responsable del efecto, con el nombre de epinefrina (adrenalina), y ya en 1901 su estructura era conocida. Pero no todo esto es obra de un pasado relativamente remoto; no fue sino hasta 1931 que dos ginecólogos estadounidenses, Kurzrok y Lieb, descubrieron que el semen producía la contracción de tiras de útero. Años más tarde, en 1935, Euler y Goldblatt reportaron que esta actividad se observaba también en el líquido de la próstata (de allí el nombre de prostaglandinas que recibieron estos compuestos). Su estructura fue elucidada en 1962 y continúa siendo un activísimo campo de estudio.

En los últimos 10 años, algunos factores de crecimiento han podido ser identificados y purificados, y su estructura química ha sido determinada; sin embargo, muchísimos más deben estar aún por identificarse. Esta es un área muy joven y en plena expansión. Apenas nos estamos asomando a los secretos de la comunicación celular y, por tanto, muchos mensajeros están por descubrirse. El lector verá más adelante que lo que sabemos ahora es sólo una minúscula fracción de lo que quisiéramos saber, y que, contrariamente a lo que se pudiera pensar, no todo está hecho; hay miles de cosas por descubrir, por lo que este campo de la ciencia se vuelve más interesante cada día.

I I . R E C E P T O R E S : L O S O Í D O S D E L A S C É L U L A S :

A) ¿QUÉ ES UN RECEPTOR?

EN EL CAPíTULO ANTERIOR se menciona que las hormonas viajan para interactuar con sus células blanco. Esto implica que sólo algunas y, por lo tanto, no todas las células del organismo son receptoras del mensaje. Por otro lado, el mensaje se concentra en estas células receptoras. Se han hecho experimentos en los que se administra una hormona marcada con radiactividad a un animal de experimentación y se observa que dicha radiactividad se concentra en las células blanco. ¿A qué se debe todo esto? Una de las razones más importantes es la presencia de receptores. Pero, ¿qué es un receptor? Básicamente, es una estructura química (proteína) capaz de recibir al mensajero y de transmitir el mensaje para que se produzca la respuesta de la célula. Es decir, el receptor como tal tiene dos características fundamentales:

1) reconocer al mensajero para interactuar con él y 2) activar la secuencia de eventos que conducen a la respuesta celular.

En 1906 Langley estaba estudiando los efectos de dos sustancias, la nicotina y el curare, en una preparación experimental con células de músculo y nervio. Este investigador observó que dichas sustancias competían entre sí, lo que lo llevó a concluir que "el mutuo antagonismo del curare y la nicotina sobre el músculo sólo se puede explicar satisfactoriamente si se supone que ambos se combinan con una misma sustancia receptora, la cual recibe el estímulo, y al transmitirlo causa la contracción del músculo". Hacia 1913 Paul Ehrlich formula su postulado clásico corpora non agunt nisi fixata: las sustancias no actúan a menos de que se fijen. Estos conceptos sientan las bases de mucho de lo que se sabe hoy día sobre la acción hormonal.

La idea de "receptor" permaneció como tal, es decir, como un concepto abstracto sin pruebas experimentales directas, por muchos años, pero recientemente se ha materializado. En la actualidad ya se conoce la naturaleza química de muchos receptores, se han purificado varios de ellos, se han reconstituido no pocos (esto es, incorporado a sistemas artificiales donde se puede reproducir alguna de sus funciones en la célula), y un buen número ya ha sido sintetizado en el laboratorio con métodos semiartificiales, lo cual ha obligado a aquellas células que normalmente no sintetizan a algún receptor a hacerlo. Así por ejemplo, se ha podido incorporar la información genética para que algunas células de ratón sean capaces de expresar receptores humanos para algunas hormonas. ¡Increíble!, ¿no les parece? ya es posible purificar e incluso sintetizar a estos "oídos" de la célula y, seguramente, lo mejor está aún por venir.

Pero volvamos al concepto de receptor. Los receptores son proteínas grandes, de peso molecular elevado. Como todas las proteínas, la información para su síntesis se encuentra almacenada en el material genético de cada célula (ADN). De tal suerte, que en la célula que nos dio origen ya estaba almacenada la información para la síntesis de los receptores para todos los mensajeros con los que se comunican nuestras células. Por supuesto, éstas al irse diferenciando, es decir, convirtiendo en células del cerebro, hígado u otro órgano, van expresando los receptores que necesitan, en el momento y en las cantidades que se requieren.

Vale la pena hacer algunas breves consideraciones. Nosotros somos el resultado de un complejísimo proceso evolutivo. Podríamos pensar que hace millones de años surgió la necesidad de comunicarse entre las primeras células de nuestro planeta. Allí surgieron los primeros mensajeros y los primeros receptores. A través de modificaciones en el material genético (mutaciones), nuestras proteínas en general y entre ellas nuestros receptores, han ido evolucionando durante millones de años, y continuarán haciéndolo. Así, algunas células multiplicaron la información genética para estos receptores y dicha información se

modificó, ahora tenemos receptores discretamente diferentes; con ello se adquirió, poco a poco, la capacidad de responder a diferentes mensajeros. Al irse diferenciando se formaron familias de receptores, y de estas familias nuevas familias y nuevas familias hasta constituir un enorme árbol familiar para los receptores. En estos momentos, y gracias al avance de la bioquímica y la biología molecular, empezamos a conocer partes de ese árbol y las relaciones que existen entre sus componentes.

B) SELECTIVIDAD Y AFINIDAD

Volvamos a los receptores. Éstos, como todas la proteínas, tienen estructura tridimensional, es decir, una forma determinada en el espacio. Existen receptores con muy diversas formas, se pueden imaginar como estructuras más o menos semejantes a un balón, o bien, alargadas como una salchicha; pensemos, además, que su superficie no es tersa sino llena de irregularidades, donde en alguna parte, está precisamente el sitio de reconocimiento al que se une el mensajero. Las superficies del mensajero y del receptor se adaptan perfectamente entre sí. Podría decirse que es como el acoplamiento entre dos naves espaciales; como la interacción entre una llave y su chapa, o bien, como un guante y una mano. Esta perfecta adaptación de superficies es la base de la alta selectividad de los receptores para una hormona específica. Imaginemos al receptor no como una estructura rígida, sino como una estructura con cierta flexibilidad, capaz de sufrir ciertos cambios en su forma. El sitio de reconocimiento también tiene cierta flexibilidad, lo cual nos lleva al concepto de afinidad.

La afinidad puede definirse como una medida de la facilidad de interacción entre dos sustancias, en este caso entre el receptor y el mensajero. Esto es similar a lo que ocurre entre los seres humanos; dos individuos que tienen que interactuar para la realización de un trabajo lo harán con facilidad si existe afinidad entre ellos y lo efectuarán con extrema dificultad si no son afines.

Véase el siguiente experimento: en una preparación se tienen 100 receptores; para ocupar la mitad deben agregarse 50 unidades de hormona A; para hacer lo mismo, pero ahora con la hormona B, tienen que agregarse 50 000 unidades de esta sustancia; si ahora se hace con la hormona C, tendrán que agregarse 50 millones de ella. Esto quiere decir que tanto A como B o C pueden interactuar con el receptor; pero este receptor prefiere 1 000 veces a A que a B y un millón de veces a A que a C. El receptor nos está mostrando su capacidad para seleccionar a un mensajero, pero si se fuerzan las condiciones se puede lograr que mensajeros con baja afinidad por un receptor interactúen con él. Es como si se metiera por la fuerza una mano grande en un guante pequeño; desde luego que se puede hacer, pero cuesta más trabajo.

Esto tiene importancia por varias razones. En algunas enfermedades las concentraciones de una hormona pueden aumentar tanto, que

llegan a observarse efectos que ésta ejerce interactuando con receptores para otras hormonas discretamente diferentes en su estructura. Además, nos ilustra sobre la necesidad de que, cuando los médicos receten compuestos con efectos hormonales, ajusten las dosis con una gran precisión.

La mayoría de las sustancias que se recetan y que actúan sobre los sistemas de comunicación celular han sido diseñadas para tener una altísima selectividad por un solo receptor; muchas veces mayor que la del mensajero natural. Sin embargo, hay algunos compuestos que pueden interaccionar, y de hecho lo hacen, en concentraciones similares con varios tipos de receptores; a estos agentes los llamamos "promiscuos" y casi siempre tienen más acciones indeseables que de utilidad. Existe una caricatura en la cual el médico le dice al paciente:—tómese esta píldora cada ocho horas; ahora bien, para contrarrestar su efecto sobre el pulmón, tome este jarabe con cada comida; si le da diarrea, tome estas pastillas, y si.... Poca selectividad, ¿no creen?

C) AFINIDAD Y ACTIVIDAD

Permítanme contarles la no tan triste historia del honorable doctor don Farmacón Forte. Este sabio investigador dedicó los primeros 20 años de su vida profesional a estudiar la química de un mensajero. Una vez alcanzado su objetivo, se enfrascó los siguientes 30 años en diseñar y sintetizar en su laboratorio un compuesto que se uniera con el receptor para ese mensajero, con 1 000 veces mayor afinidad que el mensajero natural; es decir, del que se requiriera administrar 1 000 veces menos moléculas que del mensajero natural para obtener la misma respuesta de la célula. ¡Realmente había que sintetizar a este mensajero prodigioso! Una vez lograda la síntesis, y después de penosas y explosivas experiencias (entiéndase, después de algunas explosiones), decidió hacer el experimento crucial y administrar una pequeña cantidad de su compuesto a unas células. Sorprendentemente nada pasó... "Quizá fue demasiado poco, no es tan potente como yo creía" —pensó don Farmacón— y agregó una buena dosis complementaria (digamos medio frasco, por aquello de no quedarse corto). Pero, para su gran desaliento y frustración, nada sucedió. Las células seguían como si nada hubiera ocurrido. Don Farmacón se sintió desolado; colgó su bata y se retiró derrotado a casa. Por su mente pasaban todos los minutos de esos 50 años invertidos en el supermensajero. A pesar de todo, comió (pues no hay que exagerar) y durmió. Durante el sueño recordó sus cursos de "receptorología avanzada", y el postulado sapientísimo "lo que no estimula, inhibe" resonaba en su cabeza. Despertó iluminado, ¡todo estaba aclarado! Regresó al laboratorio donde repitió el experimento y observó que, efectivamente, el compuesto que había sintetizado no tenía efecto por sí mismo, pero bloqueaba la acción del mensajero natural, y a concentraciones bajísimas. Preparó una comunicación para la "tres veces H" sociedad científica, "Royal and Democratic Tingüindinus Society", donde hacía ver, con toda veracidad cómo desde hacía 50 años estaba tratando de sintetizar un antagonista del mensajero natural y cómo, finalmente, su

preclaro pensamiento y su notable esfuerzo lo habían llevado a alcanzar el tan deseado éxito.

El relato anterior ilustra dos conceptos importantes de la comunicación celular: la afinidad y la actividad. La afinidad es una medida de la facilidad de acoplamiento entre el mensajero y el receptor. La actividad es la capacidad del mensajero para producir el efecto. A un compuesto que es capaz de unirse con el receptor y producir una respuesta en la célula, o sea, un efecto, se le llama agonista. Un antagonista (o anti-agonista) es aquella sustancia que, por sí misma, no produce efecto en la célula (no tiene actividad), pero que es capaz de interactuar con el receptor, ya que sí tiene una buena afinidad por él. Al asociarse con el receptor ocupa el sitio que pudiera ocupar el mensajero natural u otro agonista; esto es, inhibe o antagoniza el acoplamiento mensajero-receptor y así bloquea el efecto. A muchos de nosotros, cuando tenemos alguna reacción alérgica, el médico nos receta un antihistamínico. En muchas reacciones alérgicas participa el mensajero histamina y lo que nos recetan es un antagonista; es decir una sustancia que por sí misma no active a los receptores para la histamina, pero que pueda interactuar con estos receptores y bloquear el efecto de la histamina que se está produciendo en nuestro organismo.

Se desconoce qué hace que, de dos sustancias capaces de unirse con un mismo receptor, una sea agonista y la otra antagonista. Sin embargo, alguna información se desprende del campo experimental. Una primera conclusión es que el simple acoplamiento con el receptor es insuficiente para desencadenar la respuesta de la célula; lo cual significa que el agonista "activa" al receptor, mientras que el antagonista no lo hace. Pero, ¿qué significa "activar" al receptor? Posiblemente inducir un cambio tal en su estructura, que permita que el receptor, ya activado, interactúe ahora con el siguiente elemento en la transmisión del mensaje. Múltiples estudios se han realizado para determinar qué partes de las estructuras químicas de los diferentes mensajeros (hormonas, neurotransmisores, etc.) son importantes para determinar su afinidad y cuáles para definir su actividad. Esta es la principal tarea de investigación de buena parte de la industria farmacéutica y de muchos investigadores interesados en la relación estructura-actividad. Por otro lado también se están localizando, dentro de la estructura química de algunos receptores, los sitios específicos donde interactúan tanto el mensajero natural como los agentes sintéticos agonistas o antagonistas.

Recientemente se ha aclarado que muchos receptores, aun sin ser estimulados por agonistas, tienen cierta actividad basal. Es decir, existe un cierto "ruido de fondo". Algunos agentes, considerados anteriormente como simples antagonistas, tienen la capacidad no sólo de evitar que el receptor se active por los agonistas, sino de disminuir la actividad basal de los receptores. A estos agentes se les ha dado el nombre de agonistas inversos o superantagonistas.

D) ¿DÓNDE INTERACTÚAN LOS MENSAJEROS CON LOS RECEPTORES?

Las hormonas constituyen un conjunto bastante heterogéneo de sustancias que pueden dividirse en muchos grupos químicos. Afortunadamente, desde el punto de vista de su acoplamiento con los receptores la situación es más sencilla; a las hormonas las dividimos en dos grandes grupos: aquéllas en las cuales el acoplamiento con el receptor se lleva a cabo en el interior de la célula, y aquéllas en las que se efectúa en el exterior de la misma. Se pudiera decir entonces que existen dos tipos básicos de "oídos celulares": los internos y los externos.

Se hablará primero de los receptores externos. Pediré al lector que imagine que se va reduciendo de tamaño en forma progresiva, o que cuenta con un microscopio potentísimo que le permite ver lo minúsculo como enorme. Así logrará imaginar a los glóbulos rojos como grandes botes de hule inflable, con sus bordes abultados y sus centros hundidos; verá cómo estas células enormes se golpean al circular por los vasos sanguíneos y cómo sus paredes son sumamente elásticas, como si fueran globos. Ahora nos haremos mucho más pequeños aún, o cambiaremos las lentes de nuestro microscopio por otras más potentes. ¡Qué diferencia! Entramos como en otro mundo. El glóbulo rojo es ahora tan grande como si fuese el mar; vemos dónde comienza pero no dónde termina. Su superficie, que antes nos parecía brillante y tersa, ya no es tan brillante y es mucho menos tersa. Si observamos con cuidado veremos muchas estructuras en su superficie, es decir, en esta ahora inmensa membrana. Enormes pelotas, como montañas que deambulan a semejanza de los icebergs, se encuentran como suspendidas en la membrana de la célula. Algunas de estas montañas son los receptores que se asoman en la membrana externa o plasmática de la célula. La membrana está constituida por la unión de dos capas delgadísimas de lípidos que contienen en su seno múltiples proteínas. Imaginemos, pues, esta "piel" de la célula como ese mar con múltiples icebergs inmersos y otras estructuras flotando en su superficie: las proteínas de la membrana. La membrana no es una entidad rígida; todo lo contrario, está en continuo movimiento y cambio, como el mar. Las proteínas de la membrana pueden atravesarla totalmente, desde su parte externa hasta el interior de la célula (de hecho, la pueden atravesar en múltiples ocasiones, entrando y saliendo de ella), o bien permanecer orientadas hacia fuera o hacia dentro.

Los receptores externos tienen una cara hacia el exterior de la célula, una parte de su estructura embebida en la membrana plasmática y otra porción o cara mirando hacia el interior de la célula. La cara exterior contiene el sitio de reconocimiento para el mensajero; el resto del receptor sirve para procesar y transmitir la información a la célula. La presencia del receptor en la cara externa de la membrana plasmática hace innecesario que la hormona o neurotransmisor tenga que penetrar al interior de la célula para producir el efecto, ya que como hemos visto puede hacerlo desde fuera.

Pero, ¿cómo sabemos que esto sucede realmente así?, ¿cuáles son las evidencias para afirmarlo? Hay una gran cantidad de experimentos que apoyan estas afirmaciones. Se señalarán algunos de ellos. Con el uso de técnicas relativamente simples en el laboratorio se pueden romper las células y separar sus componentes: el líquido intracelular o citosol, los núcleos, las mitocondrias, e incluso la membrana plasmática. Utilizando una hormona, marcada con radiactividad, por ejemplo, se puede determinar cuanta de ésta se acopla a su receptor en las diferentes fracciones de las células y así darnos una idea de dónde se localiza la mayor concentración de radiactividad y, por ende, de receptores. Por medio de estas técnicas se ha podido determinar que la membrana plasmática está enriquecida de receptores; esto es, hay receptores en otros tipos de membranas (ya se verá más adelante por qué están allí), pero que en general los receptores se localizan preferentemente en la membrana plasmática.

El experimento anterior nos habla de la localización de los receptores en la membrana plasmática, pero no nos dice nada acerca de que estos receptores sean los que ejerzan la acción. Se puede hacer otro experimento para probar esto último; pensemos en una sustancia que destruya las proteínas (incluyendo a los receptores) que se encuentran en la superficie exterior de las membranas, pero que no penetre al interior de las células. Algunas proteasas (enzimas que rompen proteínas) pueden ser utilizadas con este fin. Son como leñadores que cortan todo lo que sobresalga de la superficie de la membrana; la dejan "rasurada".

Supóngase ahora que "se rasura" una célula y luego se la pone en contacto con el mensajero. Si la célula no responde (como de hecho sucede), indica que algo que se ha quitado de su superficie provoca que no "oiga" el mensaje. Por lo tanto, el mensajero interactúa con "algo" que se encuentra en el exterior de la membrana. Este "algo" son los receptores.

Otra forma ingeniosa de demostrar que la interacción entre la hormona y el receptor ocurre en el exterior de la célula es la siguiente: unir el mensajero a una partícula de tamaño tan grande, que le sea imposible penetrar a la célula; si ésta, aun así, responde al mensaje, querrá decir, sin lugar a dudas, que la interacción hormona-receptor es externa. Todos estos experimentos se han realizado con algunas hormonas e indican: a) la localización externa del receptor, y b) que la interacción adecuada para que se produzca el efecto es, precisamente, la que se realiza con el receptor localizado en la cara externa de la membrana plasmática. Ahora bien, ¿se pueden emplear estas pruebas con los receptores internos? Cuando los receptores son intracelulares todos los trucos anteriores no dan resultado. En estos casos, el mensaje debe atravesar la membrana plasmática para ejercer su efecto.

En los fenómenos de comunicación celular, un parámetro de gran importancia es el tiempo. Hay efectos que son casi inmediatos,

mientras que otros tardan en producirse horas o días. Entre los primeros se pueden mencionar, como ejemplos, el aumento en la frecuencia cardiaca ante un peligro o emoción intensa; la sudoración o la sensación de sequedad de la boca ante un examen u otra calamidad semejante; y miles menos perceptibles. Y, como acciones a largo plazo, las relacionadas con el crecimiento y el desarrollo. En general, las acciones hormonales que ocurren en forma casi inmediata (segundos o minutos) involucran a receptores externos; las acciones a largo plazo pueden involucrar tanto a receptores externos como internos, pero casi siempre están asociadas a la síntesis de nuevas proteínas. Aclararé esto último más adelante.

E) ¿HAY UN RECEPTOR PARA CADA HORMONA?

Ya se mencionó que la información para la síntesis de todos los receptores hormonales de nuestras células se encuentra almacenada en el ADN de la célula que nos dio origen: conforme éstas se van diferenciando, van expresando (sintetizando) los receptores para las hormonas que regularán su funcionamiento, es decir, de las cuales van a ser blanco. Como resulta obvio, las células no expresan la totalidad de los receptores para los cuales tienen información, sino que van haciendo una expresión selectiva de aquellos receptores que necesitarán para realizar sus funciones, de acuerdo a su programa de diferenciación.

Ahora bien, ¿hay un receptor para cada mensajero, o varias hormonas comparten un mismo receptor? La evidencia que se tiene hasta el momento nos indica que hay gran especificidad en los receptores y que existe, por lo menos, un receptor específico para cada mensajero. ¿Cómo que por lo menos? Sí, por lo menos. Hay muchos casos en que existen varios tipos de receptores para un solo mensajero. Esto parece ser especialmente claro en el caso de los receptores para hormonas y neurotransmisores cuya estructura química es más simple: acetilcolina, adrenalina, histamina, etc. Vale la pena mencionar que, para la adrenalina, cada uno de nosotros cuenta con por lo menos nueve tipos de receptores (tres subtipos de receptores de cada una de tres familias de receptores adrenérgicos); para la acetilcolina hay dos familias, una de ellas con cinco subtipos, para la histamina hay tres subtipos, y.... seguimos contando..., pues el número total de receptores aún no ha sido definido. Ciertamente hay mucho que hacer. Esto pudiera parecer una excesiva complicación, pero en realidad no es así, ya que brinda a las células una mayor capacidad para regular sus funciones, además de que tiene una gran importancia, tanto en el funcionamiento normal del organismo, como para el tratamiento de diversas alteraciones.

F)¿PUEDE UNA CÉLULA TENER VARIOS TIPOS DE RECEPTORES PARA LA MISMA HORMONA?

A través de los años se ha reconocido que algunos tejidos tienen grandes cantidades de un tipo de receptor en particular; de hecho, aun se llegó a decir que un mensajero es "selectivo" o exclusivo para un

órgano, con base en su alta densidad de un tipo de receptores. Conforme avanzan los años, las técnicas se perfeccionan y lo que no se veía anteriormente ahora se empieza a distinguir. Estudios más específicos han demostrado que ciertamente hay varios tipos de receptores para una misma hormona en un mismo tejido y que no existe tal absoluta especificidad de tejido para una hormona.

Evidencias recientes indican que en un solo tipo de célula pueden expresarse varios de los subtipos que existen para un receptor y que estos receptores pueden llevar un mensaje diferente a la célula. ¡Qué barbaridad! ¡como si fueran pocos los mensajeros, ahora además resulta que cada mensajero puede tener diferentes tipos de receptores y que cada subtipo de receptores puede llevar una información distinta a la célula! En realidad esto es lo más atractivo de la regulación hormonal; con cada descubrimiento se vislumbran nuevos mecanismos de adaptación celular. Una de las características de este tipo de conocimientos es que permite definir formas en que, potencialmente, se puede influir en las respuestas celulares. Esto tiene implicaciones significativas para el tratamiento de algunas enfermedades.

G) ¿VARÍAN EL NÚMERO Y EL TIPO DE RECEPTORES EN LAS CÉLULAS EN EL CURSO DE LA VIDA?

El número y el tipo de receptores, que expresa una célula, puede cambiar de acuerdo a las circunstancias. A continuación se presentan dos ejemplos de este fenómeno.

Número de receptores

Las hormonas producidas por la glándula tiroides regulan la respuesta del corazón a la adrenalina. Así, se sabe que en personas normales la administración de una pequeña cantidad de adrenalina puede aumentar la frecuencia cardiaca en digamos los latidos por minuto; en personas que tengan una secreción anormalmente elevada de hormonas tiroideas (hipertiroideas), la misma dosis de adrenalina produce una respuesta cinco o seis veces mayor. Por el contrario, en personas con una producción deficiente de ellas (hipotiroideas), se produce una muy escasa o nula respuesta. Con el uso de modelos experimentales se ha logrado aclarar, en gran parte, a qué se debe este fenómeno. El número de un subtipo de receptores para la adrenalina disminuye en animales hipotiroideos y aumenta en hipertiroideos. En otras palabras, el incremento en la respuesta a la adrenalina que se observa en las células cardiacas de pacientes hipertiroideos se debe, en gran parte, a un aumento en el número de un tipo de receptor para esta hormona en el corazón, y en el caso de los hipotiroideos a una disminución en el número de este tipo de receptores. Así, en estas alteraciones tenemos una célula muscular cardiaca que escucha demasiado (hipertiroidismo) y otra casi sorda (hipotiroidismo) para la acción de la adrenalina, respectivamente. Es interesante mencionar, además, que el número de receptores para la adrenalina en el corazón vuelve a la normalidad al corregirse el

problema tiroideo; lo que nos habla de la enorme plasticidad del sistema.

Tipos de receptores

Estudios recientes realizados en mi laboratorio, y en otros, han demostrado otro caso muy interesante. El tipo de receptores para una hormona en un tejido dado puede variar conforme a la edad del animal. Vayamos al ejemplo: la respuesta a la adrenalina en el hígado de la rata en la etapa fetal y en la recién nacida es mediada por un tipo de receptor: el B2-adrenérgico. Conforme la rata crece y madura, el receptor expresado cambia de tal forma que, en la rata joven, la célula hepática expresa tanto receptores B2 como receptores a1B-adrenérgicos y la acción de la hormona está mediada por ambos. En la rata adulta, la acción de la adrenalina está mediada sólo por receptores a1B-adrenérgicos. Es decir, durante el desarrollo, la célula hepática va cambiando la expresión del tipo de receptor que utiliza para escuchar al mensajero adrenalina, pasando de B2 a 1B.

Desafortunadamente, no se cuenta todavía con un elixir rejuvenecedor. Ante este infortunado hecho, se tuvo que realizar un rejuvenecimiento parcial (¿?). El hígado de la rata es un órgano notabilísimo, tanto por sus casi innumerables funciones, como por algunas de sus particularidades celulares. Una de ellas es su enorme capacidad de regeneración. Si se extirpa el 80% del hígado a una rata, tres días después de la operación el 20% que se dejó se ha multiplicado, observándose que el nuevo hígado pesa aproximadamente ¡entre 80 y 90% del original! ¡Qué maravilla!, ¿no les parece? Las células del hígado, que normalmente se reproducen muy poco, ante un estímulo como la extirpación quirúrgica se reproducen activamente hasta regenerar el órgano.

Bueno, como se explicó anteriormente, dado que no se puede rejuvenecer a toda una rata, se le rejuvenece el hígado: se realizó la operación a ratas adultas lográndose, como se esperaba, que el 20% del hígado original restante nos formara un nuevo órgano. Estudiamos entonces el tipo de receptor que mediaba las acciones de la adrenalina en este nuevo hígado y... ¿qué creen ustedes?, tres días después de la operación el tipo de receptores era B2. ¡Se había logrado rejuvenecer la respuesta adrenérgica hepática! Sin embargo, siete días después de la operación, la respuesta a la adrenalina del hígado neoformado volvía a ser mediada por receptores a1B-adrenérgicos. Es decir, las células "envejecieron" rápidamente; el proceso de maduración de la respuesta hepática, que toma muchos meses en la rata, se había reproducido en sólo siete días. Nótese la gran plasticidad de las células y obsérvese cómo el funcionamiento del sistema no es tan sencillo como lo imaginamos en un principio: se secreta un mensajero y se produce una respuesta. Nuestras células cambian en su capacidad para responder a las hormonas y en el tipo de sistemas o receptores que son activados por éstas. Todo ello ocurre sin que nos percatemos en lo más mínimo.

Las células están en una continua adaptación a las condiciones cambiantes que las rodean; ya sean células aisladas como los microorganismos o células de un tejido en un ser complejo. Anteriormente hablábamos de que esta adaptabilidad es precisamente la que les permite continuar viviendo. Parte importante de ella es las modulación de la respuesta celular a estos estímulos extracelulares que llamamos mensajeros. Se ha visto, en uno de los ejemplos anteriores, cómo algunas hormonas modulan la respuesta de las células a otros mensajeros. Así pues, las interacciones son múltiples y muy complejas: un mensajero no sólo produce una respuesta específica, sino que, al mismo tiempo, puede regular la respuesta a otros agentes.

H) ¿PERMANECEN ESTÁTICOS LOS RECEPTORES? O "VEINTE MIL LEGUAS DE VIAJE CELULAR"

Los receptores tienen una movilidad extraordinaria dentro de la membrana celular; efectúan movimientos en varios sentidos: horizontal y vertical. Se agrupan; pasan a otras membranas en el interior de la célula; se reciclan, es decir, regresan a la membrana plasmática, etcétera.

A continuación se explicará algo de lo que se sabe acerca de este movimiento de los receptores y de sus "misteriosos viajes" a través de la célula; pero antes se aclarará algo sobre la membrana.

Unas páginas atrás se mencionó que la membrana plasmática es una estructura sumamente dinámica (con amplio movimiento) sujeta a un permanente cambio de sus elementos. Este cambio no sólo implica una nueva localización física de dichos elementos sino un recambio constante, es decir, que unos componentes son sustituidos por otros nuevos. Esta gran movilidad no debe sorprendernos. Hace muchos años se pensaba que el organismo humano tenía una fase de crecimiento en la que se formaban sus partes, y que luego, en la etapa adulta, estos elementos ya formados permanecían estables por mucho tiempo hasta que empezaban a destruirse durante el envejecimiento. Esto, que parecería ser verdad e incluso evidente (pues creemos verlo), no es cierto. Fueron dos investigadores del noreste de Estados Unidos quienes al realizar experimentos con ratas adultas, supuestamente estables, observaron que todos los componentes químicos de estos animales se sintetizan y degradan rápidamente. Y cuando se dice todos se hace referencia a todas. De tal forma se estableció que todo nuestro organismo está en un continuo recambio: síntesis y degradación. ¿Entonces, preguntarán ustedes, por qué en algunas etapas de la vida no se aprecian cambios? Lo que sucede en estas etapas de aparente estabilidad y calma es que existe un equilibrio entre la síntesis y la degradación; es decir, se fabrica lo mismo que se destruye. De tal modo que, en el balance final, todo queda como si nada estuviera sucediendo. En los periodos de crecimiento, la síntesis supera a la degradación y, por lo tanto, el balance es positivo, o sea de ganancia para la célula o el organismo.

Por el contrario, en otras etapas menos favorables (desnutrición, envejecimiento, enfermedad prolongada, etc.), la degradación supera a la síntesis, dando como resultado un balance negativo para el individuo.

Aclarado lo anterior, regresemos a la membrana. Decíamos que ésta tiene un gran recambio de sus componentes, los cuales se sintetizan y degradan con una velocidad muy alta. En el caso de los lípidos que la forman, este recambio parece tener una importancia capital en las señales hormonales. Pero esto se dejará para un capítulo posterior, y por ahora nos centraremos en los receptores que se localizan en la membrana plasmática de la célula. Estos receptores se encuentran nadando en ese mar de aceite, la bicapa lipídica, que es la membrana. Se sabe que algunos la atraviesan de un lado a otro. Dentro de ese mar, estos receptores tienen movimientos en sentido horizontal; es decir, pueden trasladarse de un sitio a otro de la superficie de la célula. Se ha observado que, bajo la acción de agentes o mensajeros que ocupan y activan a los receptores, éstos, en algunos casos, se agrupan en un punto de la célula y posteriormente se internalizan. Analicemos este fenómeno más detenidamente.

Bajo la acción de agonistas (que ocupan y "activan" a los receptores), pero no de antagonistas (que los ocupan pero no los activan), algunos receptores migran, se mudan de la membrana plasmática a membranas que se localizan en el interior de la célula. Un fenómeno muy común es que los receptores, después de ser activados y concluida (por lo menos en parte) su misión de inducir alguna o algunas respuestas en las células, se desplacen en la membrana hasta agruparse, formando zonas de alta densidad de receptores. Esto ha podido visualizarse en células vivas con ayuda de técnicas fluorescentes y microscopía de luz. También la microscopía electrónica nos ha permitido obtener una gran evidencia al respecto. Sin embargo, como se dijo antes, el fenómeno es común, pero no general; hay células para las que no se ha podido obtener evidencia de aglutinación de receptores. Pero, ya sea que se aglutinen o no, el siguiente paso parece ser la formación de una invaginación de la membrana; dicho de otro modo, la membrana se proyecta hacia el interior de la célula en una zona específica (véase la figura 3). Al aumentar de tamaño la invaginación, la membrana plasmática tiende a juntarse hasta fusionarse, formándose así una vesícula intracelular rica en receptores. Dichos receptores ya no se encuentran en la superficie de la célula, sino que han penetrado a su interior; se han internalizado (véase la figura 3). ¿Qué ocurre ahora con estos receptores? Algunas de estas vesículas ricas en receptores se fusionan con lisosomas (el aparato digestivo de las células), lo cual puede conducir a la degradación de dichos receptores, o a que sean reciclados nuevamente a la membrana plasmática por medio de un fenómeno inverso al de la internalización, y que queden listos para seguir capturando mensajeros. En el caso del receptor de la insulina se ha calculado que, en algunos tipos celulares, los receptores pueden ser internalizados y reciclados a la membrana plasmática hasta 300 veces antes de degradarse. Los receptores que

se degradan, es decir, que son destruidos por las mismas células mediante sus lisosomas, se sustituyen por receptores nuevos, recién fabricados. En el caso de algunas hormonas se ha observado que la vesícula endocitótica se encuentra llena de receptores, los cuales se internalizan con todo y la hormona a la cual permanecen unidos; después de que la vesícula se ha fusionado con el lisosoma, se produce un cambio de pH (se vuelve ácido el interior de la vesícula), lo cual hace que la hormona y el receptor se separen. La hormona es usualmente destruida, mientras que el receptor puede ser reciclado.

FIGURA 3. Fosforilación de receptores, internalización y reciclaje.

¿Cuál es la señal que indica a la célula que debe internalizar algún receptor? No hay aún una respuesta precisa a esta pregunta. Parece que una de estas señales podría ser la fosforilación del mismo receptor, es decir, la incorporación de una o más moléculas de fosfato por medio de enzimas específicas llamadas cinasas, de las que platicaremos más adelante. El caso más elegantemente estudiado hasta el momento es el del aceptor de la trasferina. En este sistema, se ha demostrado que si se induce la fosforilación del receptor, éste se internaliza, y que al desfosforilarse sale nuevamente a la superficie de la membrana plasmática (véase la figura 4). Si la fosforilación de receptores es una señal para la internalización del receptor, y la desfosforilación para su salida, entonces se podrán generalizar acciones en el futuro al saber cuáles agentes activan a las cinasas y cuáles a las fosfatasas (enzimas que ponen y quitan fosfatos, respectivamente), que actúan sobre determinados receptores. Sin embargo, es altamente probable que otras señales químicas determinen si el receptor se internaliza o no.

Figura 4. Internalización y procesamiento intracelular (degradación o reciclaje) de receptores estimulados por agonistas.

Es interesante mencionar aquí un experimento reciente, realizado por el grupo de Paul Insel en California. Se sabe desde hace algún tiempo que, durante la isquemia (falta de circulación y oxigenación) del corazón, que ocurre en los infartos, aumenta la respuesta a la adrenalina por el mismo corazón; sin embargo, aún se desconocía la razón por la cual se presentaba este fenómeno. Insel y sus colaboradores demostraron que al disminuir la circulación en el corazón, los receptores para adrenalina (de tipo B1), que están en vesículas intracelulares, pasan rápidamente a la superficie de las células musculares cardiacas. Este aumento en el número de receptores, en la membrana plasmática de los miocitos cardiacos, posiblemente sea responsable de la hipersensibilidad a la adrenalina durante la falta de oxigenación. Ahora bien, ¿cuáles son los mecanismos por medio de los que se lleva a cabo? ¿Desfosforilación inducida por la falta de oxigenación? Aún no se sabe. Lo que sí se conoce es que dicha hipersensibilidad a la adrenalina está involucrada en algunas de las complicaciones agudas más graves de las crisis coronarias y de los infartos del miocardio. Evidentemente, cuando se conozca cuáles son los mecanismos que operan para que la externalización de estos receptores ocurra, se podrán diseñar tratamientos más racionales para los padecimientos mencionados.

I) RECEPTORES INTRACELULARES: "VIAJE AL CENTRO DE LA CÉLULA"

Como su nombre lo indica, estos receptores se localizan en el interior de la célula. Contrariamente a lo que pudiera pensarse, no se encuentran unidos a las membranas, sino libres, en la parte soluble del citoplasma de la célula: el citosol. Es aquí donde la interacción con la hormona tiene lugar. El receptor intracelular, al igual que el de membrana plasmática, está sujeto a modificaciones químicas por

diversas enzimas. En los últimos años se han descrito fosforilaciones y otras modificaciones covalentes. Aún no se sabe con precisión para qué ocurren dichos cambios, pero es posible pensar que estas reacciones, de alguna forma, sean señales para el procesamiento de la información que lleva el mensajero.

Los receptores citoplasmáticos tampoco permanecen estáticos; al igual que los de membrana, cambian su localización en la célula. Actualmente se sabe que viajan al núcleo, su movilización es parte fundamental del mecanismo de transmisión del mensajero. Esto se verá con más detalle más adelante. Sin embargo, es importante hacer notar aquí que su función básica es la misma: reconocer al mensajero y continuar el proceso de activación celular.

J) TIPOS DE RECEPTORES

Como mencionamos arriba, podemos dividir a los receptores por su localización en la célula en dos grandes familias: los que se localizan en la membrana plasmática y los intracelulares.

Los receptores que se encuentran en la membrana plasmática tienen diferentes características tanto estructurales como funcionales, lo que ha permitido dividirlos en varios grupos. Mencionaremos ahora los grupos principales para ir explicando cada uno de ellos, poco a poco, en los siguientes capítulos. Estos son: 1) Los receptores acoplados a proteínas G, 2) los receptores con actividad enzimática, 3) Los receptores que carecen do actividad enzimática pero que se acoplan a enzimas itinerantes, y 4) los receptores canal.

I I I . R E C E P T O R E S , P R O T E Í N A S G Y S E G U N D O S M E N S A J E R O S

COMO YA MENCIONAMOS, en el caso de los receptores membranales, el hecho de que la hormona pueda o no atravesar la membrana es intrascendente. El factor crucial para desencadenar el efecto es la interacción hormona-receptor. Se debe considerar ahora que para los receptores localizados en la membrana plasmática, dicha interacción ocurre en el exterior de la célula y que los efectos tienen lugar en el

interior. En otras palabras, la membrana es una barrera, no tanto de permeabilidad, cuanto de flujo de información.

Una pregunta importante es: ¿qué sucede para que se desencadene el efecto una vez que el receptor se activa? Dado que la hormona (el mensajero) no necesita penetrar a la célula, se establece la imperiosa necesidad de que se genere alguna señal en el interior de ésta para que se produzcan los efectos esperados. Ya mencionamos que los receptores son proteínas que atraviesan la membrana plasmática, de tal suerte que la interacción hormona-receptor en el exterior ocasiona un cambio conformacional (es decir, un cambio en la forma, en el espacio) del receptor, que puede afectar la parte extracelular, la zona o zonas transmembranales (que atraviesan la membrana) y las zonas intracelulares. A estas zonas de los receptores las podemos llamar también "dominios". Es posible imaginarnos estos cambios si pensamos en una de nuestras manos con los dedos hacia arriba esperando la llegada de una pequeña pelota de hule; al recibirla, nuestra mano se adapta a la forma de la pelota, para tomarla mejor. El cambio de forma en nuestra mano afectó a todos nuestros dedos e incluso a la palma. Así, al interactuar la hormona y el receptor, la forma en el espacio de éste cambia, y cambia no sólo en las zonas inmediatamente cercanas a la hormona, sino en zonas más alejadas. Estos cambios conformacionales son los que detetminan que un receptor esté activo o en reposo. Pero empecemos con los diferentes tipos de receptores.

A) RECEPTORES QUE SE ACOPLAN A PROTEÍNAS G

A estos receptores acoplados a proteínas G se los llama así por la forma en que funcionan: interactúan con componentes intermedios en el proceso, las proteínas G, de las que platicaremos más adelante. Por su estructura, también se los llama receptores de los siete dominios transmembranales. Empecemos por describir su estructura general antes de pasar a su funcionamiento.

Estos receptores (cuya estructura se ilustra en la figura 5), podemos imaginarlos como un hilo en el que hemos enhebrado muchas perlas. Cada perla representa un aminoácido, los ladrillos con que se forman nuestras proteínas. Esta larga hebra atraviesa la membrana plasmática en siete ocasiones. Uno de los extremos, el extremo amino terminal de la proteína, queda ubicado en el exterior de la célula; si seguimos la hebra, penetra en la membrana por el primer segmento transmembranal, llega al interior celular y se dirige hacia fuera formándose un nuevo segmento transmembranal, vuelve a entrar, y así sucesivamente hasta formar los siete dominios transmembranales y quedando el extremo final, el carboxilo terminal de la proteína, en el interior. De tal forma, que se tienen: los dos extremos, siete segmentos transmembranales y las asas que los unen tanto en su parte extracelular como en la intracelular (tres en cada caso, véase la figura 5). Así observamos a estos receptores vistos lateralmente. Si ahora ponemos esos dominios transmembranales como columnas que

atraviesan la membrana plasmática, podremos imaginar su aspecto mirando al receptor desde afuera de la célula (ver figura 5), como lo vería la hormona. Si miramos con cuidado, veremos que entre las columnas se forma un espacio, una bolsita o nido, que es donde la hormona se une en muchos de los casos. Recordemos por un momento el ejemplo de la mano que recibe a la pelota.

Figura 5. Estructura de un receptor de la familia de los receptores acoplados a proteínas G o de los siete dominios transmembranales. En la parte superior (A) se ilustra una representación de estos receptores, en plano, sañalando su topología. En la parte inferior (B), se ilustra una representación del receptor en tres dimensiones, visto desde la cara extracelular y señalando la zona de interacción con la hormona.

Este tipo de receptores es muy común, hay receptores de este tipo para muchos de los neurotransmisores más conocidos y para muchas hormonas. Podemos indicar, sólo a manera de ejemplos, que hay receptores de este tipo para la adrenalina, la histamina, la serotonina, la adenosina, la angiotensina, la vasopresina y muchas otras.

Como mencionamos anteriormente, los receptores son ahora entidades químicas concretas, que se pueden estudiar para entender su funcionamiento. Así, por técnicas de ingeniería genética se han podido producir cambios en lugares específicos de la estructura de algunos de estos receptores para conocer exactamente con cuáles aminoácidos hace contacto la hormona para activar a los receptores. Es decir, se ha podido localizar el sitio de unión para el mensajero. Es notable que no sólo receptores para hormonas, neurotransmisores y autacoides tengan esta estructura. Otros receptores que nos ponen en contacto con el mundo externo también tienen esta estructura de siete dominios transmembranales. Así, el receptor para la luz que se encuentra en los conos y bastones de nuestra retina, la rodopsina, también tiene este tipo de estructura, y lo mismo sucede con los receptores para

diferentes olores de nuestra mucosa nasal y con los receptores para diversos sabores de nuestra mucosa gustativa. Es realmente maravilloso observar cómo la naturaleza ha conservado ciertas estructuras bioquímicas fundamentales y las usa para muy diversos fines.

Ahora bien, estos receptores para ejercer muchos de sus efectos se comunican con enzimas que generan señales en el interior celular. Estas señales son sustancias que se forman por la acción catalítica de las enzimas. Si a la hormona se le llama mensajero, a la señal intracelular se le ha llamado segundo mensajero. Al proceso que se lleva a cabo desde el momento de la activación del receptor hasta la formación del segundo mensajero se le llama transducción, porque es la transformación de un tipo de señal en otra; es decir, de señal extracelular a señal intracelular. Estos segundos mensajeros son los encargados de iniciar una serie de eventos que conducen a la propagación intracelular de la señal y finalmente a los efectos fisiológicos que conocemos. Pasemos ahora a ver dos de los sistemas de transducción mejor conocidos.

B) EL SISTEMA DE LA ADENILIL CICLASA

Durante los años sesenta el doctor Sutherland y sus colaboradores llegaron a la conclusión de que bajo la acción de algunas hormonas, como la adrenalina o el glucagon, se formaba un compuesto en el interior de las células hepáticas que era el responsable de los efectos producidos por las hormonas anteriormente mencionadas. Poco tiempo después, el mismo grupo, en colaboración con otro, identificó este compuesto como el AMP cíclico y no pasaron muchos años sin que se contara con métodos para cuantificarlo en las células; incluso se identificó a la enzima que los sintetiza, la adenilil ciclasa, y la reacción en la que esto se lleva a cabo. Toda una década, o quizá un poco más (de 1965 a 1975 aproximadamente), estuvo ocupada por el estudio del AMP cíclico; se mejoraron las técnicas para cuantificarlo, se establecieron criterios para determinar si un efecto era mediado por este segundo mensajero o no, y se asoció la acción de muchísimas hormonas y neurotransmisores a este segundo mensajero. De hecho, se exageró notablemente; si se revisa la bibliografía científica publicada durante esos años, se notará que casi todos los fenómenos se atribuían a cambios en los niveles de AMP cíclico. Era la moda. La ciencia, como todas las actividades humanas, está sujeta a cambios. De pronto, algo surge como importante y miles de investigadores en todo el mundo tratan de determinar la relación que este hecho tiene con el problema que están estudiando. Es la moda, sí, pero también es un esfuerzo honesto por avanzar en el conocimiento. A todo avance técnico o conceptual sigue una explosión de publicaciones científicas. El tiempo y sólo el tiempo nos da su valor real. Con el AMP cíclico sucedió exactamente esto: una explosión. Pero una explosión que en aproximadamente 20 años ha permitido tener un conocimiento bastante detallado del sistema. El esfuerzo pionero de Sutherland fue reconocido con el premio Nobel en Fisiología y Medicina.

Desafortunadamente Sutherland falleció poco tiempo después de recibir este reconocimiento.

Decíamos anteriormente que bajo la acción de algunas hormonas se incrementan los niveles de AMP cíclico en las células, y que este compuesto continúa llevando el mensaje hasta que se produce el efecto (esto se verá detalladamente más adelante). Tiempo después se observó que algunas otras hormonas, a través de sus receptores, producen un efecto opuesto, es decir, disminuyen los niveles de este segundo mensajero. En otras palabras, se reconoció que muchas hormonas, neurotrasmisores o autacoides, actúan como moduladores; esto es, aumentando o disminuyendo los niveles de AMP cíclico en el interior de la célula. Pero, ¿cómo es que la acción de una hormona puede producir estos efectos? Al estudiar a la enzima que genera al AMP cíclico se observó que ésta se localiza en las células de mamíferos, preferentemente en la membrana plasmática. ¡Vamos, igual que el receptor! Se pensó entonces que cada receptor tenía una enzima adenilil ciclasa asociada; múltiples experimentos mostraron que la activación simultánea de varios tipos de receptores que estimulan a la enzima no resultaba en una acumulación aditiva del segundo mensajero. Esto sugería que los receptores capaces de activar la adenilil ciclasa comparten una poza común de la enzima, con la cual interactúan al desplazarse en la membrana plasmática. Ahora sabemos que no se trata de una adenilil ciclasa sino de una familia de enzimas, capaces de catalizar la formación de AMP cíclico. Hemos aprendido que las adenilil ciclasas de la mayoría de los eucariontes son enzimas membranales realmente grandes formadas por dos porciones similares unidas. Cada una de estas porciones tiene seis segmentos transmembranales y una gran asa citoplásmica; es decir, la enzima tiene doce segmentos transmembranales y dos grandes asas citoplásmicas (además de las pequeñas asas que unen a los segmentos transmembranales). Es en esas grandes asas donde parece residir la actividad catalítica. Vale la pena mencionar que en algunas células, especialmente en microorganismos, existen adenilil ciclasas con un solo segmento transmembranal e incluso algunas citoplásmicas.

C) PROTEÍNAS G

Pero, volvamos ahora a la regulación de la actividad de la adenilil ciclasa membranal. Martin Rodbell, investigador de los Institutos Nacionales de Salud de Estados Unidos, y su grupo agregaron un tercer elemento al sistema de la adenilil ciclasa. Usando preparaciones de membrana observaron que las hormonas no eran capaces de activar a la ciclasa a menos de que se agregara GTP (guanosina trifosfata, un nucleótido de guanina) al ensayo. Este investigador sugirió entonces que no sólo se requerían al receptor y a la adenilil ciclasa para que se produjera la activación de dicha enzima, sino que participaba un tercer elemento igualmente localizado en la membrana: una proteína, que acopla al receptor con la adenilil ciclasa. Estas proteínas acopladoras han recibido el nombre de proteínas G (también han sido llamadas

proteínas N y G/F), por requerir para su funcionamiento nucleótidos de guanina. El trabajo pionero de Rodbell fue continuado por estudios detallados que han conducido a la purificación, reconstitución funcional, donación y determinación de la estructura de las diversas proteínas G. Varios grupos participaron en este enorme trabajo con un claro liderazgo del grupo del doctor Alfred G. Gilman. Rodbell y Gilman compartieron el Premio Nobel en Fisiología y Medicina en 1994.

Así como hay hormonas que activan y otras que inhiben a la ciclasa, se ha demostrado que hay variedades de proteínas G: unas que actúan sobre la enzima en forma activadora, llamadas Gs ( "s" por stimutation = estimulación), y otras que lo hacen en forma inhibidora, llamadas Ci ("i" por inhibición). En la figura 6 se presenta un modelo actual del sistema de la adenilil ciclasa. Se tratará de explicar, en forma sencilla, su funcionamiento. Al acoplarse un agonista a su receptor, este último sufre una modificación conformacional, de modo que ahora ya es capaz de interactuar con su respectiva proteína G; si se trata de un agente que activa a la adenilil ciclasa, su receptor se asociará con Gs; mientras que si se trata de uno que inhibe a la ciclasa, su receptor lo hará con Ci. Esto necesariamente implica que existe un reconocimiento selectivo en la membrana plasmática; unos receptores actúan sobre Cs y otros con Ci. La interacción del receptor activado con la proteína G respectiva hace que ésta pase a la forma activada y a su vez modifique, ya sea que active o inhiba, a la enzima adenilil ciclasa.

Figura 6. Representación de la modulación de la actividad de la adenil ciclasa por hormonas (H) que interactúan con receptores de siete dominios transmembranales. Los receptores que activan a la adenil ciclasa lo hacen a través de Gs y los que la inhiben a través de Gi. Nótese que las proteínas G están formadas por tres componentes o subunidades. (ATP=adenosina trifosfato.)

Resumiendo el proceso: el agonista hace que el receptor se active; éste, una vez activado, hace que la proteína G también se active, y son precisamente estas proteínas las que, en última instancia, regulan la actividad de la adenilil ciclasa, estimulándola o inhibiéndola, según se trate de Gs o de Gi, respectivamente. Existen varias isoformas de las proteínas Gs y Gi. No sabemos con precisión por qué o para qué existe esta diversidad. Sin embargo, en estudios muy elegantes, en que se ha bloqueado la expresión de alguna de las isoformas de estas proteínas, ha sido posible ver que la acción de ciertas hormonas o neurotransmisores se bloquea parcial o totalmente. Esto indica que esta heterogeneidad tiene significado fisiológico, es decir, que algunos receptores "prefieren" a ciertas proteínas G respecto a otras. Aún no entendemos completamente, pero con más investigación esto se irá aclarando en los próximos años. Ciertamente es cuestión de afinidades relativas, pero ¿cuáles son las "parejas" de cada receptor?

Una característica de las acciones hormonales de este tipo es que las señales se producen en segundos y desaparecen también en forma relativamente rápida. La separación del agonista de su receptor hace que gran parte del proceso se revierta y cese el efecto. El mismo segundo mensajero, el AMP cíclico se transforma en AMP (no cíclico) por una enzima llamada fosfodiesterasa, este AMP lineal no es activo en el sistema y de este modo se suspende la señal intracelular.

Las proteínas G han sido muy estudiadas en los últimos años. Algunas toxinas bacterianas han constituido una herramienta de gran utilidad para su estudio. Las bacterias, a través de millones de años de experiencia, han diseñado métodos muy refinados para atacar a las células animales.

El cólera es una grave enfermedad causada por una bacteria: el Vibrio cholerae. Tristemente ha reaparecido en nuestro país y en otros de nuestro continente, donde las condiciones higiénicas y de distribución de agua y alimentos son muy deficientes. Esta bacteria se instala en el tubo digestivo y produce una terrible diarrea, dando por resultado una deshidratación tan grave que, de no corregirse a tiempo, ocasiona la muerte. La bacteria no causa directamente daño al paciente, es decir, no lo invade, simplemente produce una toxina que se encarga de alterar el funcionamiento intestinal. Dicha toxina viaja por la luz del intestino grueso y se fija a las células de la mucosa; lentamente penetra la membrana plasmática y una vez dentro hace lo siguiente: con la utilización de una de las sustancias de la célula, el NAD, pega una parte de esta molécula (la fracción ADP-ribosa) a la proteína Gs. Esto carecería de importancia si no fuera porque la proteína queda en forma permanentemente activa, estimulando a la adenilil ciclasa de las células intestinales. El enorme aumento en el AMP cíclico que ocasiona la toxina al modificar a Gs, altera el funcionamiento normal de las células de la mucosa intestinal, impidiendo que absorban los líquidos intestinales (una de las principales funciones del intestino grueso), dando como resultado la terrible diarrea.

Sin embargo, hay otros enemigos que nos son más familiares y que tienen un modus operandi parecido. La Escherichia coli es una de las bacterias que normalmente se encuentran en nuestro intestino; algunas cepas, sin embargo, producen una toxina que actúa en forma similar a la del cólera y que parece ser, en parte (ya que esta bacteria también produce otras toxinas), responsable de los cuadros diarreicos de algunos lactantes infectados con este germen, y de la llamada "diarrea de los turistas".

En la naturaleza, estas toxinas sólo afectan a las células de la mucosa intestinal, puesto que no pasan al torrente circulatorio; pero se las puede administrar a células aisladas y observar los efectos que se producen. Bajo estas condiciones, las células desquician su funcionamiento al acumular grandes cantidades de AMP cíclico; por otro lado, los agentes, que estimulan a la ciclasa, ya ejercen muy poco o ningún efecto adicional. Estos experimentos han ayudado a establecer el papel acoplador de la proteína Gs. Pero, no queda ahí la ayuda que nos han prestado las toxinas; también nos han auxiliado a identificar a las proteínas Gs en la membrana. Utilizando membranas aisladas de células y NAD radiactivo se ha podido demostrar cuál de todas las miles de proteínas que se encuentran en la membrana es Gs. Como se mencionó anteriormente, la toxina rompe el NAD y une una parte de la molécula a Gs; dado que la parte unida está radiactiva, se puede buscar a la proteína que contiene la radiactividad y ésta es Gs.

Como puede observarse en la figura 6, las proteínas Gs y Gi están formadas por tres partes o subunidades, como las llamamos técnicamente; éstas son: las subunidades alfa, beta y gamma. Las toxinas bacterianas atacan a las subunidades alfa. Hace algunos años se pensaba que eran estas subunidades alfa las únicas que tenían una acción para continuar la señal, ahora sabemos que tanto las subunidades alfa como los complejos que forman las subunidades beta y gamma son importantes para la acción global que se produce al activarse las proteínas G.

La toxina pertussis actúa en una forma similar a la toxina del cólera, es una proteína producida por el germen que causa la tosferina: la Bordetella pertussis. Esta toxina, al igual que la del cólera, se fija a la membrana de las células, penetra y, utilizando el NAD del citoplasma celular, produce la ADP-ribosilación de una proteína G, sólo que en este caso el blanco de la toxina es la subunidad alfa de Gi. La ADP- ribosilación de Gi conduce al bloqueo de su acción, es decir, se bloquea toda inhibición hormonal de la adenilil ciclasa.

Mencionaremos aquí que otra proteína de transducción, la transducina (llamada también Gr), participa en el proceso de la visión. Cuando la luz penetra en el ojo, a través de la pupila, llega a la retina y ahí excita a la rodopsina, una proteína que está en los bastones (la opsina de los bastones). Esta proteína activa a la fosfodiesrerasa del GMP cíclico y así se inicia el proceso de la visión. Es muy interesante el hecho de que la rodopsina no se asocie directamente con la fosfodiesterasa, sino que

lo haga a través de la transducina. La transducina (véase la figura 7) también está formada por tres subunidades que se denominan alfa, beta y gamma, y es atacada tanto por la toxina del cólera como por la toxina pertussis en su subunidad alfa. Nótese la semejanza funcional de los sistemas de transducción en los diferentes tipos celulares. En el caso de la visión, el "mensajero" es la luz y el" receptor es la rodopsina, la cual se acopla con una enzima, la fosfodiesterasa, a través de una proteína G acopladora, la Gr o transducina. No puede uno dejar de asombrarse y considerar nuevamente la posibilidad de que, en un momento de la evolución, las células primigenias diseñaran mecanismos de transducción para las señales extracelulares y que éstos se hayan ido especializando, pero sin cambiar sus aspectos esenciales, en función de las necesidades particulares de cada tipo celular.

Hagamos un resumen de lo dicho: el receptor, una vez activado, se va a asociar con una proteína acopladora G, la cual pasa la información a la adenilil ciclasa. Si el receptor es activador, se unirá con Gs y ésta activará a la ciclasa, resultando en un aumento en la producción de AMP cíclico por la célula; si por el contrario, el receptor es de tipo inhibidor, se unirá a Gi, la cual inhibe a la ciclasa, y por tanto, la producción de AMP cíclico por la célula disminuye.

Figura 7. Similitud entre la actividad de la adenilil ciclasa (parte superior de la figura) por una hormona y la activación de la fosfodiesterasa del GMP ciclíco por la luz (parte inferior de la figura). Nótese que los receptores para la hormona y la luz pertenecen a la familia de los siete dominios transmembranales, que interactúan con proteínas G con tres subunidades (tranductoras y que éstas a su vez modulan la actividad de enzimas (efectores). Nótese también que en un caso (adenilil ciclasa la enzima es integral de la membrana, y en el otro (fosfodiesterasa) es una enzima que se asocia a la membrana.

Esta explicación es una gran simplificación de lo que sucede en la célula, ya que, aunque de hecho Gs y Gi interactúan con la adenilil ciclasa, no significa que sea lo único que se lleve a cabo en la realidad. Hace algunos años se pensaba en sistemas totalmente lineales en la comunicación celular; esto es, un receptor activa una proteína G que modula a un efector membranal como la adenilil ciclasa. Hoy sabemos que esto sólo es parcialmente cierto. Si pensamos en un receptor, éste puede interactuar con varios tipos de proteínas G y éstas a su vez modular la actividad de diversos efectores, como la misma adenilil ciclasa, fosfolipasas, canales iónicos, etc. Es claro que ahora ya no debemos pensar en señalamientos lineales en la transducción, sino en el encendido de redes de transducción. Por lo tanto la acción de una hormona en una célula determinada depende del tipo de receptores, el tipo de proteínas G y el tipo de efectores que expresa. Desde luego hay parámetros generales que se aplican a muchísimos tipos celulares, pero en realidad hay que estudiar a cada uno de ellos, y como ya hemos visto, esto puede variar según las condiciones fisiológicas o experimentales.

D) EL SISTEMA FOSFOINOSÍTIDOS-CALCIO

La membrana plasmática en su porción lipídica está formada básicamente por fosfolípidos. Estos son lípidos que contienen glicerol, dos ácidos grasos, fosfato y un alcohol frecuentemente aminado. Uno de estos fosfolípidos es el fosfatidilinositol (PI) el cual puede ser fosforilado a fosfatidilinositol monofosfato (PIP) y a fosfatidilinositol bifosfato (PIP2). Hace unos 30 años, por allá de la primera mitad de los años cincuenta, Mabel y Lowell Hokin descubrieron que al estimular algunas células con hormonas se producían cambios muy importantes en la síntesis y degradación de un fosfolípido: el fosfatidilinositol. Otros muchos investigadores lograron observar efectos semejantes, con una gran variedad de agentes y en múltiples modelos celulares. Sin embargo, este hallazgo permaneció sólo como descripción, ya que no se había encontrado una explicación para el fenómeno. ¿Para qué hacía la célula algo así? En 1975, Bob Michell, un investigador inglés, hizo una revisión de los hallazgos en el campo. Pero no se limitó a hacer un mero inventario; durante su revisión encontró una asociación estrecha entre el recambio (síntesis y degradación) del fosfatidilinositol y las variaciones en la concentración del calcio libre en el citoplasma de la célula (el calcio libre citosólico ya era considerado como un segundo mensajero). Entonces propuso que el mecanismo de transducción para un gran número de mensajeros involucra, como paso inicial, un aumento en el recambio de fosfoinosítidos, el cual, a su vez, conduce a cambios en la concentración intracelular de calcio libre. Resultará innecesario explicar la revolución que esto causó en el campo; se publicaron muchos trabajos a favor y en contra de esta hipótesis. Aunque todavía hay lagunas importantes en el conocimiento de los pasos que se llevan a cabo en este proceso, el mecanismo que parece ser el más viable es el que se explicará a continuación. La figura 8 nos ayudará a entenderlo más fácilmente.

Al acoplarse los mensajeros con receptores de la familia de los siete dominios transmembranales, estos últimos activan a algunas proteínas del grupo Gq (Gq, G11, G14, y otras, que constituyen un grupo de la familia de las proteínas G). Dichas proteínas a través de sus subunidades alfa y beta-gamma, son capaces de amplificar la actividad de una enzima: la fosfolipasa C, específica para el fosfatidilinositol bifosfato (PIP2), a la que también en algunos trabajos se le llama fosfoinositidasa, de éstos se generan productos como el inositol 1, 4, 5 trisfosfato (IP3) y los diacilglicéridos. Es interesante mencionar que existen diversas isoformas también de la fosfolipasa C y que para este sistema las isoformas beta son las importantes. Más adelante, cuando se hable de los receptores fosforiladores se mencionará que ellos son capaces de activar este sistema de transducción por un mecanismo diferente y utilizando otras isoformas de la fosfoinositidasa.

Figura 8. Representación del sistema de transducción de los fosfoinosítidos y el calcio. (PIP2 = fosfatidil inositol bifosfato; DG =diacilglicérido;PLC = fosfolipasa C.)

Regresemos en este momento a la generación de los segundos mensajeros, el IP3 y el diacilglicerol. El IP3 es una molécula hidrofílica que es liberada por la fosfoinositidasa al citosol. Antes de mencionar qué relación tiene el IP3 con el calcio en el citoplasma debemos mencionar lo siguiente: la concentración de calcio libre que normalmente hay en el citoplasma de las células es muy baja, unas 10 000 veces menor que la concentración que existe en el exterior de la célula. El cuidado que tiene la célula en mantener bajo su calcio citosólico opera mediante la expulsión del catión al exterior y el secuestro en vesículas intracelulares. Ambos procesos cuestan energía a las células en forma de ATP. Dicho lo anterior, regresemos al IP3. Al ser liberado este segundo mensajero, difunde al citosol donde encuentra receptores localizados en esas vesículas encargadas de secuestrar al calcio. Estos receptores son receptores canal y al

encontrarse con el IP3 se abren, permitiendo que el calcio salga de las vesículas y difunda al citosol. Además, a través de mecanismos no totalmente explicados, parece que este mismo mensajero o productos de su metabolismo son capaces de inducir la apertura de proteínas canal de la membrana plasmática, que dejan entrar más calcio al citoplasma. El resultado de estos eventos es que se incrementa tres, cuatro o más veces la concentración de calcio en el citoplasma celular, dando lugar a la propagación del efecto en el citoplasma.

Muchos de los descubrimientos pioneros acerca del IP3 y de su acción han sido hechos por Mike Berridge, quien estudia principalmente la glándula salival de la mosca. Hay que pensar que esto no hubiera sido posible hacerse en México, ni aun contando con el genio de Mike Berridge, pues si a dicho investigador o a alguno otro, en nuestro México lindo y querido, se le hubiese ocurrido solicitar apoyo económico para estudiar cómo escupen las moscas, le habría sido negado de inmediato. ¡No faltaba más!... Triste incomprensión para la ciencia básica; afortunadamente, las cosas parecen estar cambiando. Lo que es claro, es que la glándula salival de la mosca permitió realizar avances sin precedente, aplicables a muchísimos otros modelos. Es posible que Berridge y Michell reciban el premio Nobel en el futuro por sus contribuciones al conocimiento.

Ahora bien, con la hidrólisis del PIP2 se generan no sólo el IP3 sino también diacilgliceroles, que habíamos dejado olvidados por un momento. Estas moléculas son de naturaleza lipídica y parecen permanecer en la membrana hasta ser metabolizadas. Lo interesante es que también participan en el proceso de propagación intracelular de la señal, como veremos en un momento. Resumiendo, en este sistema de transducción no se genera un mensajero sino dos: el IP3 y los diacilglicéridos. El IP3 libera al calcio, que podemos también considerar como segundo (en realidad tercer) mensajero o factor de acoplamiento.

I V . P R O P A G A C I Ó N I N T R A C E L U L A R Y A M P L I F I C A C I Ó N D E L A S E Ñ A L

EN LOS CAPÍTULOS ANTERIORES se ha visto que el acoplamiento del mensajero con su receptor en la membrana plasmática es el primer paso para que se lleve a cabo la acción de algunas hormonas. También se ha aclarado que no basta solamente con el acoplamiento hormona-receptor, sino que es necesario que el receptor se active y que, a su vez, se asocie con un sistema transductor, el cual se encarga de generar la señal intracelular o segundo mensajero. En este capítulo se explicará cómo ejercen su acción estos segundos mensajeros; es decir, cómo se propaga y amplifica la señal en el interior de la célula, y se ilustrará, con algunos ejemplos, el funcionamiento del sistema.

Los segundos mensajeros no actúan directamente, sino que son reconocidos ("oídos") por receptores extracelulares. Así como el primer mensajero, la hormona, es "oído" por la célula a través de sus receptores, la señal intracelular o segundo mensajero es "oído" por estos receptores intracelulares. Es decir, el primer paso es el reconocimiento molecular para después pasar a la acción. Dicho reconocimiento es llevado a cabo por proteínas, y la información precisa para su síntesis se encuentra codificada en nuestro material genético. Estas proteínas reconocen al segundo mensajero con una extraordinaria afinidad y especificidad y participan en la propagación de la señal. Dicha propagación no es tampoco un proceso lineal, sino que se lleva a cabo en forma de "cascada de amplificación"; esto quiere decir que, en cada paso que se da, el proceso se va haciendo más amplio, más grande.

Ilustraré lo dicho con un ejemplo para aclarar los conceptos. Imaginemos que un oficinista está en un ayuno más o menos prolongado; se le ha descompuesto el coche y no puede ir a su casa a comer, por lo que no ingerirá alimento hasta la cena. Durante el desayuno, el individuo consumió una cierta cantidad de azúcares, de los cuales, una pequeña parte fue utilizada por el organismo y el resto se almacenó en el hígado en forma de glucógeno (el carbohidrato de reserva de los animales constituido por múltiples moléculas de glucosa unidas). Sin embargo, nuestro amigo oficinista necesita que durante todo el tiempo la concentración de glucosa en su sangre permanezca más o menos constante para que los tejidos puedan nutrirse debidamente. Esto es especialmente importante en el caso del sistema nervioso, pues si la glucosa baja de cierto nivel se presentan diversos trastornos hasta llegar a la pérdida de la conciencia o coma. Si a nuestro oficinista le disminuye notablemente la concentración de glucosa, su capacidad de atención disminuirá. (Nota: esto ha llevado a muchos a pensar que la falta de atención, que observamos cotidianamente en algunas oficinas públicas, se debe a disminuciones importantes en los niveles de glucosa en la sangre, por lo que han proliferado las horas de desayuno, las dos horas de la comida, los 30 minutos del café, los 25 minutos del refresco..., etc. A pesar de tales suplementos nutricionales, el problema subsiste con exasperante insistencia, lo cual indica, sin temor a equivocarse, que la causa debe ser otra. Sin embargo, las prácticas de nutrición continua en las oficinas públicas parecen haber llegado para quedarse.) Pero,

volviendo al hilo de nuestra historia, decíamos que el hígado acumula glucosa en forma de glucógeno, y que este órgano es el encargado de regular los niveles de glucosa en la sangre. Naturalmente, el hígado no hace todo por sí solo. En el páncreas existe un tipo de células muy especializadas, las cuales son lo que podríamos llamar los "sensores" de la glucemia. Cuando los niveles de glucosa en la sangre disminuyen, secretan una hormona llamada glucagon, la cual avisa al hígado que el organismo necesita que libere glucosa al torrente sanguíneo.

Pero, ¿cómo actúa el glucagon? Básicamente activando a la adenilil ciclasa (a través de su receptor, que estimula a la proteína Gs, que a su vez induce la activación de la enzima, como ya hemos visto), y por lo tanto aumentando la producción de AMP cíclico. Pero aquí estamos entrando de lleno en lo que vamos a llamar propagación y amplificación de la señal, una vez dentro de la célula. Este proceso es complejo, por lo que lo analizaremos detenidamente. Permítaseme, entonces, hacer otro paréntesis.

En el citoplasma celular existe un tipo de proteínas llamadas "proteínas cinasas", las cuales fosforilan (le añaden fosfato) a algunas proteínas de la célula, de modo tal que, al ser fosforiladas, dichas proteínas cambian en su actividad, unas se inhiben y otras se activan. Este proceso es uno de los mecanismos moleculares de regulación de la función celular más importantes que existen, y participa prácticamente en todas las funciones celulares: la regulación del metabolismo, la contracción, la secreción, la proliferación celular, la diferenciación, etc. Los investigadores pioneros que descubrieron el papel de la fosforilación de proteínas en la regulación de la función celular fueron Edmond Fisher y Edwing G. Krebs y recibieron conjuntamente el Premio Nobel de Medicina y Fisiología hace algunos años.

Dicho esto, prosigamos con el mecanismo de acción del glucagon. El AMP cíclico generado es reconocido por su receptor en el citoplasma: la proteína cinasa A (para el AMP cíclico). Esta proteína cinasa tiene dos tipos de subunidades (véase la figura 9), las "R" (reguladoras) y las "C" (catalíticas, las cuales son las que tienen la actividad de proteínas cinasa propiamente dicha). Las subunidades "R" mantienen inhibida a la enzima. Cuando los niveles de AMP cíclico aumentan, éste se pega a las subunidades e induce un cambio conformacional tal en esta subunidad, que la afinidad por "C" disminuye, lo que conduce a la separación de las subunidades "R" y "C". Ahora sí, las subunidades "C" quedan libres para hacer de las suyas (véase nuevamente la figura 9). Como es de esperarse, dada su actividad enzimática, la subunidad "C" de la proteína cinasa A se encarga de fosforilar a algunas de las proteínas del citoplasma celular. Como decíamos anteriormente, dichas proteínas, al ser fosforiladas, modifican su actividad (la aumentan o la disminuyen); algunas de ellas son proteínas cinasas a su vez, y al activarse van a fosforilar a otras proteínas, las cuales también se modifican por este hecho y cambian su actividad... etcétera, etcétera.

Así, sigue desencadenándose esta "cascada" de fosforilaciones y, por lo tanto, amplificándose la señal en el interior de la célula.

Figura 9. En la parte superior está una representación de la activación de la proteína cinasa A (con sus subunidades reguladoras (R) y catalíticas (C) por el AMP cíclico. En la parte inferior se presenta la activación hormonal de la adenilil ciclasa y la propagación intracelular de la señal. (PKA = proteína cinasa A.)

Aclaremos lo que sucede en el caso del glucógeno. Al activarse la proteína cinasa A, es decir, al quedar libre su subunidad "C", ésta produce la fosforilación de otra enzima: la fosforilasa b cinasa; esta enzima, a su vez, se activa y va a fosforilar a otra enzima: la fosforilasa; esta última rompe al glucógeno en múltiples moléculas de glucosa y permite que el hígado secrete glucosa a la circulación.

Como mencioné arriba, no todas las enzimas se activan al fosforilarse. La enzima que sintetiza el glucógeno, la "glucógeno sintetasa", se inhibe al ser fosforilada. Esto tiene gran importancia, ya que, de este modo, el mismo mensajero, el glucagon en el caso que nos ocupa, aumentó los niveles de AMP cíclico, lo que finalmente conduce coordinadamente a inhibir la síntesis de glucógeno y a aumentar su degradación. Esto hace que la liberación de glucosa por el hígado sea mucho más eficaz.

Es conveniente aclarar dos aspectos. Primero: así como los receptores tienen gran especificidad para reconocer a un mensajero, las enzimas la tienen para sus sustratos. La activación de las proteínas cinasas provoca la fosforilación de una serie de proteínas, pero, desde luego, no de todas las proteínas de la célula, solamente de aquellas que son

sustrato de la cinasa. Segundo: el sistema se activa rápidamente, y también se desactiva con facilidad. Como hemos mencionado, los sistemas de señalamiento hormonal tienen la característica particular de tener una acción muy rápida, casi inmediata; pero también se desactivan rápidamente, al desaparecer la estimulación por la hormona. Imaginemos que nuestro oficinista sale a sus "45 minutos del chocolate con churros". Al recibir azúcares, su organismo los absorbe; sube la concentración de glucosa en su sangre y de inmediato cesa la secreción de glucagon por el páncreas. Por lo tanto, la concentración de glucagon en la sangre disminuye, deja de haber una cantidad suficiente para activar a los receptores hepáticos. La adenilil ciclasa del hígado ya no es activada por el receptor de glucagon y el AMP cíclico pasa a AMP no cíclico por la acción de la fosfodiesterasa. Las subunidades "R" y "C" de la proteína cinasa A se reasocian, con la subsecuente inhibición de su actividad. Las enzimas que habían sido fosforiladas, durante las cascada de amplificación, son desfosforiladas por enzimas encargadas de quitarles el fosfato (proteínas fosfatasas); regresando así a su actividad basal. Todo este complejo proceso se lleva a cabo en segundos.

He mencionado arriba que las enzimas se fosforilan por proteínas cinasas, y que también se desfosforilan por proteínas fosfatasas. Este juego de las cinasas y las fosfatasas es el que determina, en un momento dado, el estado de fosforilación de las enzimas clave o reguladoras de los procesos celulares. Es importante mencionar que, si bien el ciclo fosforilación/desfosforilación es quizá el proceso de regulación más importante de la célula, de ninguna manera es el único.

Veamos ahora la propagación de la señal intracelular por medio de otro sistema de trasducción: el del calcio-inositol trisfosfato (IP3). Recordando lo que decíamos anteriormente, en este sistema en particular el receptor activado por la hormona estimula a una fosfolipasa C a través de proteínas de la familia Gq. Esta fosfolipasa rompe el fosfatidilinositol bifosfato en dos productos: el inositol trisfosfato y el diacilglicérido. El inositol trisfosfato, como lo ha descrito Berridge, actúa sobre el retículo endoplásmico de la célula, provocando la liberación de calcio. El calcio, libre entonces, ejerce su acción corno segundo mensajero activando a una serie de proteínas cinasas y a otras enzimas cuya acción depende de la concentración de este ion. Luego, la cascada de amplificación de la señal se lleva a cabo por medio de la fosforilación de enzimas, a semejanza de lo que describí anteriormente para el AMP cíclico.

El calcio, libre también, puede actuar como segundo mensajero en la liberación de glucosa por el hígado. La hormona antidiurética, también llamada vasopresina, actúa básicamente a través del sistema Ca++ e IP3 en el hígado. Supongamos ahora que dicha hormona ejerce su acción sobre el hígado de nuestro oficinista; podríamos describir el desencadenamiento de los eventos como sigue: la vasopresina se acoplará a su receptor de membrana; éste se activará, estimulando a

su vez a las proteínas Gq, las que a su vez modularán a la fosfolipasa C; de modo que ésta romperá al fosfatidilinositol bifosfato y se generará el inositol trisfosfato; éste, al actuar sobre sus receptores del retículo endoplásmico, provocará un aumento del calcio libre en el citoplasma, el cual activará la fosforilasa b cinasa que, a su vez, fosforilará a la fosforilasa, la cual romperá al glucógeno almacenando en la célula, liberándose así múltiples moléculas de glucosa.

Por otro lado, es importante señalar que el diacilglicérido, el otro producto de la hidrólisis del fosfoinosítido, activa en forma conjunta con el calcio a otra enzima: la proteína cinasa C (descubierta por el japonés Yasutomi Nishisuka). Esta proteína colabora en el proceso de propagación y amplificación de la señal hormonal, junto con las cinasas dependientes de calcio. En este mecanismo de acción (Ca++ e IP3), al igual que en el del AMP cíclico, la señal se transmite en segundos y se suspende también rápidamente; el diacilglicérido y el inositol trifosfato son atacados por enzimas, las cuales los convierten en compuestos inactivos.

Es necesario repetir que no sólo existen las proteínas cinasas A (activadas por el AMP cíclico) y C (activada por el diacilglicerol), sino que también existen, como ya mencionamos, las proteínas cinasas que amplifican la señal en las cascadas de propagación intracelular y una creciente cantidad de otras cinasas activadas por diversos factores. Veremos más adelante que hay receptores con actividad de proteína cinasa, otros con actividad de fosfatasa, y otros que generan segundos mensajeros como el GMP cíclico (que activa a la proteína cinasa G). También es necesario mencionar que existen diversas isoformas de las proteínas cinasas a las que nos hemos referido. Dicha existencia nos hace preguntarnos ¿para qué se molestó la naturaleza en fabricar una variedad de isoformas? Esto, casi en ningún caso lo sabemos, pero sí se conoce que hay una expresión diferencial por tejidos, lo que nos lleva a suponer que las isoformas se ocupan de funciones diferentes y, por lo tanto hay todo un campo de investigación abierto para los aventurados en estos terrenos.

Para tener una mayor visión de lo que ocurre dentro de la célula también resultarán útiles algunas consideraciones generales. Las enzimas que se encargan de quitar los fosfatos, es decir, las fosfatasas, han sido estudiadas con gran interés durante los últimos años. Se sabe que existen, por lo menos, cuatro tipos diferentes de fosfatasas, y que hay dos inhibidores naturales de su acción. En los casos de la insulina y de algunos factores de crecimiento, se ha observado que, al ejercer su acción, aumentan la fosforilación de algunas proteínas en la célula, pero disminuyen la de otras. Estos datos sugieren que si bien las hormonas activan algunas enzimas fosforilantes (cinasas) posiblemente también activen fosfatasas.

El doctor Philip Cohen y su grupo en Inglaterra han realizado una extraordinaria labor estudiando las cinasas y fosfatasas que participan en la regulación de la síntesis y degradación del glucógeno; sus

estudios indican que existe una gran interacción en la propagación de las señales generadas por los diferentes sistemas de trausducción. En realidad, hemos separado los mecanismos de trausducción con fines de explicación, pero dentro de la célula hay una gran relación entre ellos. Esta interacción se lleva a cabo básicamente por fosforilación y defosforilación de las enzimas participantes.

V . R E C E P T O R E S C O N A C T I V I D A D E N Z I M Á T I C A

EN ESTE CAPÍTULO revisaremos el caso de algunos receptores hormonales que poseen actividad enzimática. Existen ya diversos subtipos entre ellos y seguramente se encontrarán más en un futuro no muy distante. Estos receptores se dividen en varios subgrupos: a) los receptores fosforiladores, es decir que tienen actividad de proteína cinasa; b) los receptores que tienen actividad de proteína fosfatasa, y c) los que tienen actividad de guanilil ciclasa.

A) RECEPTORES FOSFORILADORES

Durante los últimos años se ha reportado que algunos receptores como el de la insulina o el del factor de crecimiento epidérmico poseen, en su estructura, actividades enzimáticas de proteína cinasa; es decir, que tienen la capacidad de fosforilar a otras proteínas y aun a sí mismos. Aunque la evidencia es incompleta, es muy posible que esta actividad de fosforilación sea fundamental para la propagación intracelular de la señal. Las hormonas, al activar al receptor, aumentan su actividad enzimática de proteína cinasa causando, en muchos casos, la fosforilación del mismo receptor (autofosforilación). Como discutimos en el capítulo anterior, la función básica de los segundos mensajeros es activar a proteínas cinasas, las cuales, a su vez, fosforilan a otras proteínas para modificar su actividad, realizándose así la propagación intracelular de la señal. Así, en el caso de estos receptores, con actividad de proteína cinasa, parecería que la naturaleza se saltó el paso de la generación del segundo mensajero. Aquí el agonista activa directamente a una enzima fosforilante: el mismo receptor.

Pero veamos con mayor detalle a estos receptores con algunos ejemplos de los mejor estudiados. Debo mencionar aquí que existen receptores con actividad de tirosina cinasa, es decir, que fosforilan a proteínas en residuos de tirosina, otros con actividad de serinaltreonina cinasa, es decir que fosforilan a las proteínas en estos aminoácidos. Además voy a incluir aquí a unos receptores que no tienen propiamente actividad enzimática pero que parecen unirse a proteínas cinasas itinerantes que están libres en el citoplasma.

Dentro de los receptores con actividad de tirosina cinasa podemos mencionar a los receptores de la insulina, del factor de crecimiento epidérmico y del factor de crecimiento derivado de las plaquetas (PDGF). Estos receptores tienen una porción extracelular con la que fijan al ligando, una zona transmembranal y la porción citoplásmica. En el caso de los receptores para el factor de crecimiento epidérmico y del derivado de plaquetas, se trata de una sola cadena polipeptídica. En el caso del receptor de la insulina, éste está formado por dos cadenas denominadas beta (parecidas a los receptores mencionados anteriormente) y dos subunidades alfa localizadas en el exterior celular; estas cuatro cadenas están unidas por puentes disulfuro (unión a través de dos átomos de azufre).

Todos estos receptores, al ser activados, se autofosforilan; es decir que un receptor fosforila a otro igual, y esto ocurre en varios lugares. Al fosforilarse ese dominio es como si le cambiase la cara a la zona; después de fosforilarse adquiere una enorme afinidad por una serie de proteínas que se fijan al receptor formando un enorme complejo (véase la figura 10). Estos lugares han sido identificados y corresponden a dominios llamados SH-2. Entre las proteínas que se han identificado están una proteína cinasa citoplásmica llamada Src, la fosfolipasa C gamma y otras proteínas sin actividad propiamente dicha pero que permiten que otras nuevas proteínas se acoplen al complejo (como por ejemplo la proteína p85 que permite que se acople a la subunidad catalítica de la fosfatidilinositol-3-cinasa). El grado de complejidad que se presenta parece ser muy importante y la descripción detallada de cada paso rebasa los objetivos de este libro. Baste, pues, quedarnos con la idea de que al activarse este tipo de receptores se autofosforilan en algunas de sus tirosinas, que estas tirosinas fosforiladas son críticas para que se una, directamente o por medio de otras proteínas intermedias, una serie de enzimas que aumentan su actividad y que así conducen a los efectos finales.

Es importante mencionar que en ciertos casos vamos entendiendo cómo se producen los efectos de estas hormonas. Así, ahora sabemos que una de las proteínas que participa en este complejo de activación es la fosfolipasa C gamma, que es fosforilada al estimular su actividad. Ello conduce a un aumento en el sistema de transducción de los fosfoinosítidos, que revisamos anteriormente, por un proceso diferente. Otra de las proteínas que se activa por la formación de estos complejos es la MAP cinasa (Mitogen Activated Protein Kinase) que viaja al núcleo para favorecer la expresión de algunos genes de respuesta rápida.

Recuérdese que los receptores de los que hemos estado hablando, incluyendo el de la insulina, corresponden a receptores para mensajeros que son factores de crecimiento.

Figura 10. Representación de algunos receptores con actividad de tirosina cinasa (A) y del mecanismo de acción más aceptado (parte inferior, B). EGF, factor de crecimiento epidérmico; PDGF, factor de crecimiento derivado de las plaquetas.

Parece increíble, pero aunque se descubrió la insulina a principios del siglo, tomó muchos años conocer a su receptor. Ahora que ya conocemos muchos de los detalles estructurales del receptor y que el gen que lo codifica ha sido donado, expresado y mutado, prácticamente al gusto, apenas nos empezamos a asomar al funcionamiento detallado del mismo y sus implicaciones en la salud y en la enfermedad. Sin duda, éste es otro campo que aún necesita mucho trabajo y en el que los descubrimientos tendrán importancia

para conocer las alteraciones que se producen en padecimientos tan distintos como la diabetes o el cáncer.

Los receptores para los factores de crecimiento y transformación beta (TGF ) son quizá de los mejor conocidos entre los receptores con actividad de serinaltreonina cinasa. Estos factores, como su nombre lo indica, participan en la regulación del ciclo celular de muchas de nuestras células, controlando su proliferación y su diferenciación. Son proteínas enormemente especializadas y de las cuales no se sabía prácticamente nada hace unos años. De hecho el mecanismo propuesto para su acción, que mencionaré a continuación, fue publicado en 1995 (véase la figura 11)

Existen tres tipos de receptores para los factores de crecimiento y transformación , cada uno de ellos con acciones diferentes. El receptor tipo III o beta-glicano no tiene actividad, se ha propuesto que sirve como "antena" que captura a los factores y los pasa a los otros receptores. Tanto los receptores tipo I como los tipo II son proteínas que atraviesan la membrana en una ocasión; tienen por lo tanto un dominio extracelular, uno transmembranal y un dominio citoplásmico. El receptor II que tiene actividad de serina/treonina cinasa, fija al mensajero (TGF ). Esta fijación aparentemente no activa al receptor, pero permite que se forme un puente receptor tipo II-TGF -receptor tipo I, en la superficie de la célula, lo cual hace que exista la distancia adecuada para que el receptor II fosforile al I y así se inicie el procesamiento de la señal en el interior. No sabemos aún qué pasos siguen para conducir a los efectos finales, lo cual convierte a este aspecto en un terreno de estudio enormemente atractivo. Seguramente en los próximos años se aclarará mucho más. Al ver el mecanismo de acción de estos receptores no deja uno de pensar que se parecen a nuestros políticos. Pensemos en dos de ellos que reciben un documento, lo toman y se abrazan, felicitándose (en la superficie), para enviarse patadas (fosforilaciones) por debajo de la mesa.

Figura 11. Representación de los receptores tipo I y II para el factor de crecimiento y transformación B (TGF B) y su mecanismo de acción propuesto.

Existen algunos receptores como los de la prolactina o los de la hormona de crecimiento que están formados, como en los casos anteriores, por una porción extracelular que fija a la hormona, una transmembranal y una intracelular. Sorprendentemente, la porción intracelular es bastante pequeña y no se le ha podido detectar actividad enzimática alguna. Sin embargo, cuando purificamos el receptor se encuentra asociado con una actividad de proteína cinasa. La interpretación que se ha hecho de estos hallazgos es la suposición de que estos receptores se asocian con proteínas cinasas itinerantes, que se encuentran libres en el citoplasma, como esperando ser llamadas por los receptores activos. Como podrá suponer el lector es mucho lo que falta aún por aclararse sobre la acción de estos receptores.

B) RECEPTORES CON ACTIVIDAD DE PROTEÍNA FOSFATASA

Las fosfatasas de proteína son las enzimas encargadas de quitar el fosfato que colocaron las proteínas cinasas en las proteínas. Las fosfatasas también se han especializado, y existen fosfatasas que quitan el fosfato en residuos de serina y treonina y otras que lo hacen en residuos de tirosina. Nos interesan particularmente estas últimas.

Existen fosfatasas de tirosina solubles y otras que se encuentran ancladas a la membrana. Sin embargo lo que ha resultado particularmente interesante es que algunas de las fosfatasas de tirosina membranales tienen una estructura que parece corresponder a un receptor. Así, el antígeno común de los leucocitos, llamado CD45 parece tener la estructura propia de un receptor. Este antígeno CD45 es una glucoproteína abundante en células hemotopoyéticas, consiste en un largo segmento extracelular, una porción corta trasmembranal y un segmento largo intracelular con la actividad de proteína fosfatasa de tirosina. En este momento aún no sabemos con precisión qué papel juega este receptor ni cuál es su activador natural. Por estudios con mutantes, carentes de esta fosfatasa, sabemos que en estas células se altera la respuesta a antígenos, proceso importantísimo en el sistema inmune. Se ha propuesto la posibilidad de que no sea un ligando soluble el que interactúe con el CD45, sino una molécula de la superficie de otras células, es decir, que pudiera participar en un tipo de comunicación yuxtacrina. La asociación física entre células del sistema inmune parece jugar un papel muy importante en los procesos de diferenciación celular y procesamiento de los antígenos, por lo que esta posibilidad, aunque todavía especulativa, resulta de gran interés.

C) RECEPTORES CON ACTIVIDAD DE GUANILIL CICLASA Y EL SISTEMA DEL ÓXIDO NÍTRICO (NO)

A raíz del descubrimiento del AMP cíclico se investigó si otras moléculas similares podían funcionar como segundos mensajeros. Así, fue

descubierto el GMP cíclico y la capacidad de este nucleótido de activar a una proteína cinasa, la proteína cinasa G. Esto causó una gran emotividad en el campo, y pronto aparecieron reportes que asociaban cambios en la concentración del GMP cíclico bajo la acción de muy diversas hormonas.

Sin embargo, a este periodo de motivación siguió una larga etapa en la que resultaba muy difícil establecer la correlación entre los niveles de GMP cíclico y la acción de determinados agentes. Muchos investigadores abandonaron esta línea de trabajo. Una de las mayores complicaciones resultaba la existencia de diversas formas de guanilil ciclasa, unas solubles y otras asociadas a la membrana plasmática.

Receptores guanilil ciclasa

Nos ocuparemos primero de las formas membranales que son receptores. Antes debemos decir que el corazón no es sólo la bomba que, los cardiólogos nos dicen, sostiene la circulación de nuestra sangre; es también una glándula. Sí, una glándula. En la aurícula se producen y secretan una serie de péptidos conocidos como factores natriuréticos auriculares. Estos péptidos reciben el nombre de natriuréticos porque favorecen la eliminación urinaria de sodio. Además de esta función, son poderosos vasodilatadores ya que inducen relajación de la capa muscular de los vasos. Pronto se logró obtener evidencia de que al activar a las células musculares con estos factores natriuréticos auriculares se inducía un claro aumento en los niveles intracelulares de GMP cíclico y que si se metía GMP cíclico exógeno a las células, se producían los mismos efectos que los que causaba el factor natriurético auricular. Agua pasa por mi casa... Todo señalaba pues, que el factor natriurético activaba a su receptor y esto conducía de alguna manera a la activación de la guanilil ciclasa y que era el GMP cíclico el segundo mensajero mediador de las acciones del péptido. Pero ¿cómo se comunica el referido receptor con la mencionada guanilil ciclasa? Lo más interesante es que por estudios de purificación se observó que los receptores para estos factores copurificaban con la ciclasa y resultaba imposible el separar a uno de la otra. Estos datos sugerían la posibilidad de que ambos fueran la misma cosa, es decir, que el receptor tuviese la actividad de guanilil ciclasa. La obtención del gen para el receptor y su expresión fueron fundamentales para confirmar esta hipótesis. Así, hoy sabemos que los receptores de este tipo poseen una larga porción extracelular con la que interactúan con estos factores, una breve zona transmembranal y el segmento intracelular donde se encuentra la guanilil ciclasa (véase la figura 12).

Vale la pena mencionar, que la fecundación en los erizos de mar requiere la interacción de un péptido con su receptor en el espermatozoide; dicho receptor es también una guanilil ciclasa y fue importantísimo donar el gen que codifica para este receptor del espermatozoide del erizo de mar, para posteriormente poder hacer lo mismo con el receptor del péptido natriurético de los mamíferos.

Existe una guanilil ciclasa membranal en el cerebro que responde a un péptido llamado "factor natriurético cerebral" y cuyas funciones se están estudiando ampliamente en estos momentos. Olvidaba mencionar que existe otra guanilil ciclasa membranal que se asocia a algunos componentes del citoesqueleto, y que se encuentra presente en las células intestinales. Allí es activada por la toxina estable (SE) de la Escherichia coli; esta toxina, a través de su acción sobre esta guanilil ciclasa, participa como una de las causas de la diarrea de los turistas, que ya mencionamos en capítulos anteriores. No sabemos mucho más, pero queda claro que esa guanilil ciclasa no está allí por si llega la toxina; lo más probable es que exista un mediador natural, aún no claramente identificado, indicando que lo que hace la toxina para causar el mal es abusar de un sistema de comunicación fisiológico intestinal. Hay mucho por investigar, ¿no es cierto?

Guanilil ciclasas solubles

Pero ¿qué función tiene entonces la guanilil ciclasa soluble? Aquí han coincidido dos líneas de investigación que al integrarse han resultado un interesantísimo sistema de comunicación paracrina. Por un lado, desde hace mucho se sabe que algunos compuestos con grupos nitro (como la nitroglicerina) son potentes vasodilatadores ya que inducen relajación muscular. Los médicos, desde hace muchos años, recetan a algunos de sus pacientes este tipo de compuestos para relajar las arterias coronarias y mejorar la circulación cardiaca. Este tipo de compuestos activan la guanilil ciclasa citoplásmica. Por supuesto, la madre naturaleza no se ha preocupado en poner allí a esa enzima para que sea activada por los medicamentos que los médicos receten. Debe tener una función natural, algo que la active. Pero... ¿qué?

Aquí es donde aparece la segunda línea de investigación. Se había observado que algunos agentes son capaces de inducir la relajación de vasos sanguíneos, pero que esto sólo ocurre si el endotelio (la capa de células que recubre por dentro a los vasos) está intacto. De tal suerte, que se pensó que un factor del endotelio salía de estas células para actuar sobre las células musculares de los vasos e inducir su relajación. Pasó un muy buen número de años antes de que se descubriera que el óxido nítrico (NO) es el mediador. Este compuesto es sumamente inestable y rápidamente desaparece de la circulación.

Pongamos ahora las dos historias juntas. Bajo la acción de algunas hormonas, el endotelio fabrica el óxido nítrico que viaja a las células musculares para activar a la guanilil ciclasa, produciéndose GMP cíclico que, al activar la proteína cinasa G, conduce a los efectos observados (véase la figura 12). Debo mencionar que este sistema de comunicación paracrino (NO-guanilil ciclasa) no sólo participa en el control de la circulación, sino que tiene importantes funciones en muy diversos territorios de nuestro organismo.

Figura 12. En la parte superior (A) se encuentra una representación de la activación de la guanilil ciclasa membranal (receptor para el factor natriurético auricular, ANF) y en la parte inferior (B) la activación paracrina de la guanilil ciclasa citoplásmica por el óxido nítrico (NO), NOS representa a la enzima que sintetiza al NO.

V I . R E C E P T O R E S C A N A L Y R E C E P T O R E S I N T R A C E L U L A R E S

A) RECEPTORES CANAL

ALGUNOS RECEPTORES funcionan de un modo muy distinto a los anteriormente descritos; tal es el caso de un tipo de receptor para la acetilcolina, llamado colinérgico nicotínico, el cual se encuentra ampliamente distribuido en el sistema nervioso y en la placa neuromuscular; un tipo de receptor para el GABA (ácido gamma amino butírico), y receptores para la glicina, entre otros. Estos receptores son proteínas integrales de membrana y están formados por varias subunidades. Son proteínas que funcionan como canal permitiendo el paso de iones a través de la membrana plasmática. Esta dualidad de

funciones, receptor y canal, hace que, si los estudia un electrofisiólogo, los denomine canales activados por ligando y si los estudia un farmacólogo molecular o bioquímico diga que se trata de receptores canal. Ahora bien, independientemente de cómo los llamemos o de quién los estudie, son de enorme importancia.

Al activarse, su acción es formar un canal en su estructura que permite de ese modo el paso, a través de la membrana, de un ion como el sodio o el cloruro. Como es bien sabido, la célula gasta parte de su energía en mantener una distribución de iones, a un lado y otro de la membrana plasmática, alejada del equilibrio. La membrana es, por lo tanto, una barrera selectiva para los iones y mantiene cierto potencial electroquímico. Los receptores canal son bastante selectivos para los iones que dejan pasar. La apertura del canal tiende a colapsar los gradientes de concentración que existen para los iones que permean, lo que hace que la distribución de cargas en ambos lados de la membrana plasmática cambie drásticamente, es decir, que se desencadene una despolarización o hiperpolarización de la membrana. Esto conduce a que otros canales sensibles (es decir, que "sienten" ) al voltaje cambien su probabilidad de apertura (es decir, que estén más tiempo abiertos o cerrados, que en el estado basal), lo que puede traer consigo cambios importantes en la concentración de algunos iones moduladores del metabolismo, como el calcio. En el caso del receptor nicotínico, uno de los más estudiados y quizá el mejor conocido hasta ahora, se sabe que el canal a través del cual pasa el sodio es parte integral del receptor. Aquí, el agonista, al activar al receptor, produce un cambio en su estructura (cambio conformacional), o sea, una alteración tal en su forma que permite que se abra el canal y pase el sodio al interior de la célula. Esto desencadena respuestas como la contracción del músculo.

Pero, volvamos a la estructura de los receptores canal, particularmente del colinérgico nicotínico. Ésta se ha logrado esclarecer a través de la purificación de la proteína y del conocimiento y manipulación que se ha hecho de las secuencias genómicas que lo codifican. El receptor está formado por cinco subunidades: dos alfa, a las que se une el ligando para activarlo, y tres más llamadas beta, gamma y delta (figura 13). Estas subunidades se encuentran agrupadas formando una roseta con una depresión central que corresponde al canal. Es muy interesante que cada una de estas subunidades esté formada por una cadena amino terminal extracelular, cuatro segmentos transmembranales (llamados M1, M2, M3 y M4) unidos por asas intra y extracelulares, y una cadena extracelular carboxilo terminal. Aparentemente los segmentos transmembranales M2 de las cinco subunidades se encuentran en estrecha cercanía y son los que constituyen propiamente el canal. La especificidad para el paso de un ion y no de otros, depende aparentemente de los aminoácidos que constituyen este canal, pues cambiándolos por mutagénesis dirigida se ha logrado perturbar la selectividad iónica; en otras palabras, estas modificaciones pueden hacer que el receptor al activarse deje pasar un ion con carga negativa en lugar de uno con carga positiva.

Figura 13. Representación de un receptor canal (colinérgico nicotínico) con sus diferentes subunidades, la fijación de la hormona (acetil colina , H) y la apertura del canal para la entrada de sodio.

Es importante señalar que las diferentes subunidades de los receptores canal para acetilcolina (nicotínico) para GABA (tipo A) y glicina tienen conservada esta estructura general con cuatro zonas transmembranales, lo que sugiere que todos estos receptores efectivamente forman parte de una superfamilia. Además existe una gran heterogeneidad entre sus subunidades, y por lo tanto el número de receptores relativamente diferentes para cada uno de estos neurotransmisores es amplísimo. Por otro lado, muchos de estos receptores tienen sitios accesorios, tanto intracelulares como extracelulares, para diversas sustancias que al ocupar estos sitios modulan la actividad del receptor-canal.

B) RECEPTORES INTRACELULARES

Algunas hormonas ejercen su acción sobre receptores intracelulares. Ello indica que, para estas hormonas, la membrana plasmática no es en realidad una barrera de permeabilidad. Dentro del grupo de hormonas que ejercen estas acciones tenemos a las hormonas tiroideas, al ácido retinoico y a los esteroides. Todos estos mensajeros tienen una gran importancia en los procesos de crecimiento y desarrollo, y en el mantenimiento de la homeostasis (equilibrio dinámico) de nuestro organismo.

Dada la facilidad con que atraviesan la membrana plasmática, a estas hormonas podemos asignarles dos caraterísticas fisicoquímicas fundamentales: I) son moléculas relativamente pequeñas, es decir, de bajo peso molecular, y 2) son, por lo menos, parcialmente hidrofóbicas, esto es, lipídicas. Estas características son necesarias si suponemos que las hormonas atraviesan la membrana por difusión, es decir, pasivamente. Se ha sugerido la existencia de sistemas activos para

transportarlas al interior de la célula; pero la evidencia hasta el momento es escasa. En cualquier caso, los mensajeros que he mencionado cumplen con los requisitos fisicoquímicos descritos anteriormente. Las hormonas tiroideas son derivados de un aminoácido: la tirosina, cuyo peso molecular es relativamente bajo y cuya naturaleza es relativamente hidrofóbica. En el otro grupo, los esteroides son lípidos derivados del colesterol y por ende son tanto hidrofóbicos como de bajo peso molecular. Dentro de los esteroides hormonales tenemos a las hormonas sexuales masculinas (andrógenos) y femeninas (estrógenos y progestágenos), a los glucocorticoides (como el cortisol y la cortisona), a los mineralocorticoides (como la aldosterona), y a una vitamina-hormona, la vitamina D, de la que hablaremos más adelante.

Los receptores para las hormonas de este tipo son también proteínas. Por lo tanto, la información para la síntesis de estos receptores se encuentra también en nuestro ADN. Dicha información se expresa en algunas células y en otras no; dicho de otra manera, hay células que tienen estos receptores y otras que no. Estos receptores también muestran gran especificidad y reconocen las diferencias esteroquímicas que existen entre unas y otras hormonas. Esto no quiere decir que la especificidad sea absoluta. A semejanza de lo que mencioné en el capítulo de receptores de membrana, si aumentamos la concentración de un mensajero, éste llega a interactuar con otros receptores, además del propio, lo cual es un problema importante en la práctica médica cotidiana. Pondré un ejemplo: en el caso frecuente de la administración de cortisona por periodos prolongados, el médico debe controlar cuidadosamente la dosis, pues, además de los efectos propios de la hormona, se pueden presentar complicaciones indeseables que son fácilmente atribuibles a la interacción de la hormona con otros tipos de receptores; así podemos observar efectos similares a la aldosterona o aun de tipo testosterona. Estos receptores intracelulares, a diferencia de los que están localizados en la cara externa de la membrana plasmática, se encuentran libres en el citosol.

Dado que estas hormonas no interactúan con receptores de la membrana plasmática, la alteración de las proteínas de la membrana de la célula ("rasurar" con proteasas, por ejemplo) no hace desaparecer el efecto. Otra característica muy importante de la acción de estas hormonas de acción intracelular es el tiempo requerido para observar su acción. En general, las hormonas que actúan sobre receptores de membrana tienen algunas de sus acciones casi instantáneamente, esto es, ejercen sus efectos en segundos o minutos. En contraste, las acciones de las hormonas que actúan sobre receptores intracelulares tienen una latencia, es decir, un periodo de minutos a horas, durante el cual no observamos ningún efecto. Es necesario que aclare dos excepciones a esta generalización. Primera: muchas hormonas con receptores en membranas, como la insulina y muchos de los llamados factores de crecimiento celular además de muchas otras que se acoplan a proteínas G, tienen acciones inmediatas, pero también acciones más tardías con latencia de

minutos a horas. Los mecanismos de tales acciones tardías se están estudiando activamente y tienen muchas semejanzas con las de los receptores intracelulares a que nos referiremos en unos momentos. Segunda: hormonas con receptores intracelulares que ejercen algunas de sus acciones en forma relativamente rápida. Ejemplos de ello serían la bien conocida acción antialérgica de la cortisona y algunos efectos sobre el transporte de iones de algunos esteroides. Desafortunadamente, poco se sabe aún cómo ocurren estas acciones rápidas; la evidencia con que se cuenta hasta el momento indica que no involucran los mismos procesos de las acciones "lentas". Se piensa, pues, que existen acciones en el ámbito de la membrana plasmática; incluso se ha dicho que "estabilizan" la membrana, lo cual es simplemente una más de las bellas palabras con que los científicos ocultamos nuestra ignorancia. Y que quizá describa algo de la fenomenología observada, pero desafortunadamente no nos habla de los mecanismos involucrados.

Los receptores intracelulares reconocen a la hormona, la fijan, y pasan a su configuración activa. Se ha demostrado que muchos de los receptores de este grupo, forman, en ausencia de la hormona, un gran complejo con algunas proteínas que facilitan el doblaje adecuado de las proteínas y que reciben el nombre de chaperoninas; algunas de ellas forman parte de las llamadas proteínas de "estrés" que se inducen rápidamente en las células cuando hay condiciones de emergencia. Una vez que llega la hormona y se fija al receptor formando un complejo hormona-receptor, las otras proteínas se van disociando aparentemente. El complejo hormona-receptor viaja al núcleo. El mecanismo del viaje es desconocido aún; se ha propuesto que algunas de las chaperoninas pudieran participan en dicha migración, pero la información con que contamos es escasa como para asegurarlo. Una vez en el núcleo, el complejo hormona-receptor se fija al material genético; dicha fijación parece no llevarse a cabo en cualquier lugar del genoma (ADN) sino en puntos concretos en los que interactúan con secuencias específicas. Estos sitios específicos corresponden frecuentemente a zonas de la región llamada promotora de los genes que se van a transcribir. El siguiente paso es la apertura de la doble hélice del ADN, para permitir que sea transcrito un mensajero específico; esto es, se hace una copia de ARN mensajero a partir del ADN (transcripción). Este ARN (ácido ribonucleico) mensajero lleva al citoplasma la información para la síntesis de una o varias proteínas; una vez allí, el mensaje es traducido en los ribosomas, formándose las nuevas proteínas. Pongamos un ejemplo: en el caso del oviducto de la gallina, la síntesis de la proteína del huevo, la ovoalbúmina, está controlada por las hormonas sexuales femeninas. En ausencia de hormonas, la síntesis de ovoalbúmina es baja. Ahora bien, si añadimos estrógenos a las células del oviducto, la síntesis de ovoalbúmina aumenta muchísimo. ¿Cómo ocurre esto? Como mencioné arriba (ilustrado en la figura 14), la hormona se fija al receptor citoplásmico, el cual, activado, viaja al núcleo junto con la hormona. Esto induce la síntesis de ARN mensajero que viaja al

citoplasma y conduce a la síntesis de más ovoalbúmina. Es necesario mencionar que estos mensajeros no sólo incrementan la síntesis de algunas proteínas como hemos dicho; en algunos casos se produce un bloqueo de la transcripción de ciertos genes. Es decir, la acción sobre la transcripción puede ser de modulación positiva o negativa y una misma hormona puede tener efecto positivo sobre la transcripción de unos genes y negativo sobre otros.

FIGURA 14. Mecanismo de acción de las hormonas con receptores citoplásmicos.

Resultará claro que la acción de estas hormonas no ocurre de inmediato; los procesos de transcripción (síntesis de ARN mensajero) y traducción (síntesis de proteínas) tardan varios minutos en las células de mamífero. Además, los efectos se observan por la acumulación de las proteínas cuya síntesis se induce, o por la disminución de la cantidad de aquéllas cuya síntesis se bloquea. Por otro lado, es importante mencionar que hay algunos agentes capaces de bloquear la transcripción o la síntesis de proteínas; estos agentes, por lo tanto, también bloquean todas las acciones de las hormonas que impliquen la biosíntesis de proteínas.

Quisiera acabar el capítulo hablando un poco de la interesante historia de la vitamina D. Las vitaminas son componentes esenciales de la dieta, de las cuales sólo necesitamos pequeñas cantidades. Para la sana existencia, son esenciales algunos compuestos que somos incapaces de sintetizar. Dentro de estos componentes esenciales están: algunos aminoácidos y lípidos y las vitaminas. Me referiré sólo a estas últimas. Aunque muchas de estas sustancias no son aminas, se ha conservado el nombre por tradición. En general, requerimos una pequeñísima cantidad de ellas, porque funcionan como parte de los sistemas enzimáticos (como coenzimas), así que son reutilizados en múltiples ocasiones.

La vitamina D no es una amina, se trata de un derivado del colesterol. La requerimos porque no podemos propiamente sintetizarla; pero, en principio, no es necesario ingerirla. ¿Cómo está eso? Parece una contradicción, pero no lo es. Basta la exposición a los rayos solares para que una fracción del colesterol de la piel se convierta en vitamina D. Se puede administrar por vía oral, pero es mucho más agradable y barato darse simplemente una prudente asoleada.

La carencia de vitamina D en los niños da lugar al raquitismo. Esta enfermedad era relativamente rara en nuestro país dada su localización geográfica. Sin embargo, los cambios en nuestra forma de vida van haciendo que frecuentemente se vean más casos. Cada día son más las madres trabajadoras y las "muy ocupadas" que no cuentan con 15 minutos para sacar a sus hijos a que les dé un poco la luz del Sol. Los padres tampoco parecen muy dispuestos a colaborar en ello. Otro factor, posiblemente importante en las ciudades, es la contaminación, que filtra la iluminación que recibimos. El raquitismo da lugar a serias alteraciones en el crecimiento de los huesos.

La vitamina D es transformada tanto en el hígado como en el riñón para convertirla propiamente en la hormona: el dihidrocolecalciferol. Esto coloca, pues, a la vitamina D en el papel de prohormona (precursor de la hormona). Muchas de las aportaciones más significativas sobre esta vitamina han sido realizadas por el doctor Héctor F. de Luca. El esclarecimiento de la síntesis del dihidrocolecalciferol ha sido de gran importancia, no sólo desde el punto de vista científico ya que tiene claros matices aplicativos. Pondré un ejemplo: se había observado en Inglaterra que en algunos grupos de pacientes de origen oriental existían niños que desarrollaban raquitismo a pesar de recibir el Sol e ingerir suficientes cantidades de vitamina D. El tratamiento que recomendaban los médicos era aumentar fuertemente las dosis, se observaba alguna mejoría pero dicha terapéutica era en general insatisfactoria. Lo que parece ocurrir es que estos pacientes tienen bloqueada o disminuida la biosíntesis de la hormona. Con el advenimiento de los nuevos conocimientos es posible determinar cuál es el problema en cada paciente y, lo que es más importante, ofrecerle una esperanza con un tratamiento más racional.

Decía, entonces, que la prohormona (vitamina D) se transforma en hormona (dihidrocolecalciferol) y se almacena para ser secretada cuando se requiera. Pudiera decirse que dentro de las principales acciones de la hormona tenemos: 1) aumentar la absorción de calcio, y 2) favorecer su fijación en el hueso. Suena lógico, por lo tanto, que sea el calcio en sangre uno de los reguladores de la secreción de esta hormona; esto es, cuando la concentración de calcio en sangre baja, se incrementa la secreción de dihidrocolecalciferol. Una vez liberada, la hormona viaja al intestino y allí activa a sus receptores intracelulares específicos; viaja al núcleo y favorece la transcripción de ARN mensajero. Este mensajero es traducido, y da lugar a la síntesis de una

proteína encargada de la captación del calcio. Es en esta forma como la vitamina D favorece la absorción intestinal de calcio.

V I I . T O L E R A N C I A , D E P E N D E N C I A Y T R A N S F O R M A C I Ó N M A L I G N A

A) TOLERANCIA

LAS CÉLULAS y, por lo tanto, el organismo en su conjunto tienen la capacidad de adaptarse a las condiciones que las rodean. Así encontramos que la respuesta de las células a un mensajero dado, disminuye por la exposición prolongada al mismo; éste es uno de los fenómenos más frecuentemente observados, al cual llamamos tolerancia o desensibilización. Es el caso del paciente al cual se le ha estado administrando un medicamento durante un cierto tiempo, por ello puede hacerse necesario ajustar la dosis nuevamente, lo cual hay que hacer con mucho cuidado para mantener el efecto deseado. Es importante hacer notar que las dosis sólo deben ser determinadas por galenos calificados; es frecuente el caso del paciente que decide que una sustancia "ya no le hace nada" y la aumenta a su criterio. Generalmente así, "a su criterio", el paciente presenta complicaciones graves, las cuales pueden ponerlo al borde de la muerte.

Ilustremos el problema y la necesidad de que el médico calificado sea quien decida. Nos encontramos con don Sacarino Peñafiel, un paciente diabético, que requiere inyectarse insulina. Don Sacarino no se ha sentido muy bien en los últimos días. Tras sesudas cavilaciones deduce que la dosis de insulina que se está inyectando "ya no le hace"; para probar su hipótesis de trabajo, decide administrarse el doble o, mejor aún, el triple.

Horas después, doña Imprudencia, la queridísima esposa de nuestro personaje, encuentra a su cónyuge aparentemente dormido; digo "aparentemente dormido" porque doña Impru —como todo el mundo la llama cariñosamente— se percata de que, en realidad, no está dormido, sino inconsciente. ¡Ay, Dios mío!, lamentaciones van y lamentaciones vienen. ¡Ya le decía yo —exclama doña Impru— que no estaba siguiendo bien la dieta! ¡Otro coma diabético! Más

lamentaciones, algunas recriminaciones y, luego, dos remedios: primero, una nueva dosis de insulina —para el camino..., pues doña Impru "ya sabe de estas cosas— y, segundo, el traslado al hospital (...menos mal).

Una vez en el nosocomio, doña Impru es interrogada por el médico que se encuentra de guardia. Doña Impru le explica al "doctorcito" que su esposo es diabético y está en coma. El doctor desea hacer un interrogatorio completo y algunos exámenes al paciente, pero doña Impru, ya muy impaciente por la pérdida de tiempo, le dice al doctorcito: "Eso sí que no, mi esposo se está muriendo y usted ya debía de saber que lo que necesita es insulina. En lugar de estar preguntando y haciendo examencitos, debería usted ponerse a trabajar".

El médico, algo impresionado por la "personalidad" de doña Impru —carácter irascible, una buena sobredosis de peso, abundante volumen y muchos decibeles—, le realiza a don Sacarino una rápida prueba de glucosa en sangre. Un par de minutos después el doctor se ha percatado del problema: la cantidad de insulina administrada ha sido excesiva y el paciente está en hipoglucemia (falta de glucosa en sangre). Rápidamente le administra una solución glucosada. Una hora más tarde, don Sacarino se ha recuperado totalmente; y, a no dudar, doña Impru, en la primera oportunidad, le explicará con lujo de detalles cómo "gracias" a ella se salvó de una muerte segura. Nótese que si el doctorcito hubiera hecho caso a doña Impru, ésta sería ahora la resignada viuda de don Sacarino, quien luchó con él hasta el último minuto e incluso asesoró al médico que lo trató. Baste esto para prevenir a todo aquel que desee practicar la "mediana experimental" en carne propia (como don Sacarino) o en la ajena (como doña Impru).

Ahora sí, hablemos de desensibilización o tolerancia. Algunos mensajeros son capaces de producir este fenómeno. En la figura 15 se observa cómo al aumentar la cantidad de mensajero administrada a una célula o a un organismo se produce lo siguiente: cuando ya han sido previamente expuestos a este mensajero, por cierto tiempo, observamos que la respuesta es menor; o, expresado en otras palabras, necesitamos dar mayor cantidad del mensajero para producir el mismo efecto. Véase en la figura 15 cómo, para producir 50% del efecto, se tiene que administrar dos unidades de mensajero en la célula virgen y cuatro en la ya preexpuesta. Este fenómeno es llamado desensibilización o tolerancia. Estos términos, en general, expresan el mismo fenómeno: disminución en la sensibilidad a un mensajero dado.

Figura 15: Dosis-respuestas teóricas en células controles y desensibilizadas. En el eje de las abscisas se indica la cantidad de mensajero y en las ordenadas el efecto. Como puede observarse, se requiere más mensajero en las células desensibilizadas que en los controles para producir el mismo efecto.

Pero, ¿cómo se produce este fenómeno en las células? Hay múltiples mecanismos. Uno de ellos es la disminución del número de receptores en la membrana plasmática. Como hemos dicho en algún capítulo anterior, los receptores no permanecen estáticos en la membrana, sino que se internalizan; unos de éstos se degradan (o sea, se destruyen) y otros son reciclados nuevamente a la membrana. En algunos sistemas celulares, el acoplamiento mensajero-receptor favorece la internalización de los receptores y, en otros casos, de todo el complejo receptor hormona. Esto hace que el número de receptores localizados en la membrana plasmática, es decir, dispuestos a "escuchar", disminuya notablemente. Si, como en este caso, el número de receptores es limitante para la respuesta de la célula, una disminución en su cantidad, o sea una disminución en la capacidad "auditiva", traerá como consecuencia una disminución en la respuesta celular.

Permítanme aclarar que este fenómeno se presenta únicamente cuando el número de receptores es limitante, porque hay muchos casos en los que no lo es. Por ejemplo: se ha encontrado evidencia de que algunas células producen su máxima respuesta a un mensajero dado, cuando sólo se ha activado 1% del total de receptores que existen en la membrana plasmática, para dicha hormona. Evidentemente, en este caso el número de receptores está en exceso y una disminución de 10 a 20% del total de receptores difícilmente afectará la respuesta celular; por el contrario, cuando el número de "oídos" (receptores) es limitante, una disminución de 10 o 20% causa una caída en la capacidad de respuesta de la célula.

Ahora bien, no todos los procesos de desensibilización están asociados a una disminución en el número de receptores. Hay algunos casos en los que, a pesar de que el número de receptores en la membrana plasmática permanece constante, la respuesta celular está muy disminuida. ¿Qué es lo que está sucediendo? Aún no hay una respuesta definitiva. Sin embargo, sí hay algunas respuestas preliminares; sumamente atractivas, por cierto. Diversos grupos han observado que, durante el proceso de desensibilización, algunos receptores se ven incluidos entre las proteínas afectadas por la cascada de fosforilaciones que desencadena el segundo mensajero; es decir, se produce una fosforilación de los receptores, la cual da como resultado un acoplamiento defectuoso entre el receptor y la proteína G; son oídos sordos. Aquí vemos cómo la propagación de la señal está relacionada con la generación de la misma.

Hasta ahora he descrito la desensibilización que produce un mensajero sobre la respuesta celular que él mismo genera (desensibilización homóloga, como la llamamos técnicamente). Pero hay otro tipo de desensibilización: la "heteróloga". En ésta, la acción de un mensajero desensibiliza la respuesta celular a otro o a varios. Es decir, es homóloga cuando el mensajero A desensibiliza exclusivamente la respuesta al mismo mensajero A; y es heteróloga cuando el mensajero A desensibiliza a la célula para el mensajero B o bien para B, C, y D. Pero, ¿cómo puede suceder esto? Una posibilidad, ya demostrada experimentalmente, es la siguiente: la acción de un mensajero A provoca, a través de su segundo mensajero, la fosforilación de una serie de proteínas, entre las cuales se encuentra el receptor para el mensajero B; esta fosforilación del receptor para B hace que su capacidad de generar una respuesta al ser activado disminuya notablemente. En otras palabras este receptor "paga el pato", sin deberlas ni temerlas.

Es importante mencionar que, hasta ahora, no he hecho ninguna diferenciación del tipo de segundo mensajero involucrado en estos procesos. Es posible suponer que la acción de algún agente, el cual actúe a través de un receptor acoplado a la adenilil ciclasa, pueda ser desensibilizada por mensajeros que actúen a través de calcio y proteína cinasa C. De hecho, ya existe mucha evidencia experimental al respecto. Esto es una intercomunicación entre los sistemas de transducción que parece operar continuamente. Nosotros, para explicar más claramente, describimos cómo funciona cada uno de los sistemas de manera independiente pero la célula está constantemente recibiendo múltiples mensajes.

B) DEPENDENCIA

El fenómeno de la dependencia está asociado frecuentemente a la tolerancia. Este proceso se observa en el caso de algunas adicciones a drogas, como la morfina. El paciente que se acostumbra a esta droga presenta serias crisis al suspender su administración. ¿Cuál es la base biológica de tal proceso? Como sucede con muchas otras preguntas

importantes en biología, todavía no tenemos por completo la respuesta. Sin embargo, los estudios con células aisladas nos han dado alguna luz. Dos investigadores estadounidenses, Sabol y Niremberg, observaron que la administración de morfina o compuestos relacionados (que llamaré opiáceos en forma genérica) a neuronas en cultivo producía una disminución en los niveles de AMP cíclico en dichas células. Este resultado no era sorprendente, pues un tipo de receptores para opiáceos está acoplado a la adenilil ciclasa en forma inhibidora; es decir, a través de Gi, como ya hemos visto. Lo verdaderamente sorprendente fue que, si se dejaba la droga en el cultivo por periodos prolongados, las células iban recuperando gradualmente su nivel normal de AMP cíclico; esto es, se "acostumbraban" a la droga. Los resultados del siguiente paso fueron aún más excitantes: se cambió a las células el medio de cultivo por un nuevo medio sin droga y... ¡Oh, sorpresa!, las células elevaron sus niveles de AMP cíclico a valores altísimos. ¿Qué había sucedido? Las células se habían acostumbrado a mantener constantemente inhibida su adenilil ciclasa, y para compensar este hecho y alcanzar los niveles de AMP cíclico que necesitaban para funcionar normalmente sintetizaron más unidades de adenilil ciclasa. Ahora podían vivir con la acción del agente inhibitorio, pero teniendo niveles "normales" de segundo mensajero. Al retirar los opiáceos bruscamente, la ciclasa quedó libre de la inhibición y se disparó la producción de AMP cíclico. Dicho de otra forma, la célula ahora necesita de la droga para tener los niveles normales de AMP cíclico y, por lo tanto, un funcionamiento "normal", hasta que se reduzca gradualmente la cantidad de enzima a las concentraciones normales. Es decir, estas células presentaron lo que se conoce como síndrome de abstinencia.

Podría parecer que este tipo de reacciones sólo se ven con drogas, en forma muy rara y en situaciones totalmente anormales y alejadas de la vida diaria; pero no es así. El organismo humano produce algunas sustancias cuya acción es, en cierta medida, similar a la de la morfina; las llamamos "endorfinas" (endomorfinas) y son, desde hace ya varios años, sujeto de intenso estudio. Se nos ha dicho en repetidas ocasiones que pocas cosas hay en la vida tan "saludables" como el ejercicio. Consideremos ahora el caso de don Juan, un quinceañero añoso (como de 50 años, pero con la inmadurez propia de un adolescente), de esos que abundan en los gimnasios y clubes deportivos. Este ciudadano, tan lleno de vitalidad, dedica diariamente las mejores horas de su día y casi todas sus energías a correr varios kilómetros (ese trotar para no llegar a ningún lugar, que nos han traído nuestros vecinos del norte). Pero sucede que un día, obligado por las circunstancias, don Juan tiene que trabajar y abandona su práctica atlética. ¡Qué día tan horrible! ¡Esa ansiedad, esa desesperación tan insoportable! No cabe duda, don Juan necesita seguir corriendo. Se ha descubierto que esas prácticas atléticas intensas acostumbran al organismo a secretar endorfinas; nuestras células, en especial las nerviosas, se adaptan fácilmente a estas sustancias y se vuelven

dependientes. Quién lo dijera, don Juan, tan saludable, ¡con síndrome de abstinencia!

C) TRANSFORMACIÓN MALIGNA

Otro aspecto de gran interés es el proceso de transformación maligna, es decir de formación de tumores cancerosos, y la relación que guarda con los sistemas de comunicación celular. Una forma de comunicación celular es la autocrina, en la cual la célula secreta un mensajero y éste actúa sobre ella misma, es decir, la célula secretora es también la célula blanco. Existen algunas proteínas con función de mensajeros que controlan la proliferación celular (la reproducción de las células); son los llamados "factores de crecimiento celular". Se ha demostrado recientemente que algunas células cancerosas tienen alterada la regulación genética de la producción de estos factores. Esto hace que estas células produzcan el factor de crecimiento continuamente y proliferen sin control.

Otra variedad interesantísima de este mismo problema ha sido descubierta en los últimos años. Algunas células cancerosas producen variedades anormales de receptores para los factores de crecimiento. Estos receptores anormales son variedades truncadas, que no tienen sitio de reconocimiento para el mensajero y están continuamente activos. Son "oídos" celulares que oyen constantemente un mensaje que no existe; es como si la célula alucinara. Podemos imaginar que el resultado es similar al mencionado anteriormente: la célula está continuamente estimulada y prolifera sin control.

V I I I . E J E M P L O S D E L O S M E C A N I S M O S D E A C C I Ó N D E A L G U N A S H O R M O N A S Y

N E U R O T R A N S M I S O R E S

ESTE CAPÍTULO está destinado a analizar con mayor detalle las acciones (qué hacen) y los mecanismos de acción (cómo lo hacen) de algunos de los mensajeros, en mi opinión, más interesantes. Por supuesto, empieza por la adrenalina, mi hormona favorita, también llamada epinefrina.

A) ADRENALINA

La adrenalina fue descubierta en 1895 por Oliver y Schäfer en extractos de glándula suprarrenal. Estos extractos tienen la propiedad de aumentar la tensión arterial y la frecuencia cardiaca. Posteriormente Stolz y Dakin identificaron su estructura química y finalmente fue sintetizada. La estructura de esta hormona se muestra en la figura 16. Se forma a partir del aminoácido tirosina principalmente en la médula de la glándula suprarrenal y en algunas neuronas, las llamadas neuronas simpáticas. Funciona, por lo tanto, como hormona y como neurotransmisor. La noradrenalina o norepinefrina es un precursor en la biosíntesis de la adrenalina. En realidad ambos compuestos se encuentran tanto en las neuronas como en las suprarrenales. Sin embargo, en general se acepta que la adrenalina es la hormona y la noradrenalina el neurotransmisor.

FIGURA 16. Estructura de adrenalina y representación esquemática de su mecanismo de acción.

La adrenalina ejerce importantes funciones en todo el cuerpo. Puede asegurarse con facilidad que no hay una función de grande o mediana importancia para el organismo en la que no participe. Por lo tanto, no es de sorprender que una enorme proporción de las células de nuestro cuerpo tengan receptores adrenérgicos. Todo ello es ventajoso para quienes nos dedicamos a este campo; por lo mismo, la competencia es enorme. Es un campo apasionante, prácticamente en constante ebullición.

Para mencionar algunas de las principales funciones de los agentes adrenérgicos diré que, dado que son de los neurotransmisores más abundantes, participan en un gran número de las llamadas funciones superiores, además de que regulan la frecuencia cardiaca, la tensión arterial, la secreción por glándulas tanto de secreción interna como externa, el metabolismo global de la economía al regular los metabolismos específicos de órganos como el hígado, el tejido adiposo

y el músculo, en fin, en casi todo tienen que ver. Sería interminable una lista de las células sobre las que puede actuar la adrenalina; entre ellas tenemos a la inteligente neurona, al infatigable miocito cardiaco, al humilde adipocito, a los versátiles hepatocitos, a las pequeñas plaquetas, etcétera.

Como resultará obvio de lo anteriormente mencionado, existe una gran cantidad de enfermedades en las que de una forma u otra están implícitas las funciones de los agonistas adrenérgicos naturales, la adrenalina y la noradrenalina. Así, se ha sugerido que en algunos trastornos mentales, como son los estados maniacos y los depresivos, existe una alteración en el metabolismo y función de estas catecolaminas. En la hipertensión arterial tienen una función importante y de hecho algunos de los fármacos que se usan para su tratamiento son agentes con propiedades adrenérgicas. Se ha propuesto que los receptores adrenérgicos son un factor clave en el asma, y para el tratamiento de los cuadros asmáticos agudos se usan agonistas adrenérgicos. Muchos de los descongestionantes nasales contienen agentes adrenérgicos.

Es fácil, entonces, imaginar por qué es importante saber qué hacen y sobre todo cómo hacen lo que hacen, los agentes adrenérgicos. Para ello hay razones científicas básicas: el deseo de saber más y profundizar en los fenómenos esenciales de la vida; y razones aplicativas: lo que se descubra es importante para muchas enfermedades (desde el resfriado común hasta las enfermedades cardiovasculares, pasando por los problemas mentales).

Existen además razones económicas: la industria farmacéutica investiga (desafortunadamente no en nuestro país) muy diversos agentes adrenérgicos para su posible utilización. Por ejemplo, la venta de un agente antiadrenérgico de uso clínico representó 50% de los ingresos de una enorme compañía trasnacional durante la década de los setenta. El investigador que logró el compuesto, sir James Black, contribuyó además con otro compuesto (bloqueador de la acción de la histamina) de uso clínico importantísimo y con grandes beneficios económicos para la industria en la que trabajaba. Hace algunos años, recibió el premio Nobel de Fisiología y Medicina por su trabajo pionero en farmacología molecular.

Pero dirijámonos a lo más interesante. La adrenalina inicia sus acciones al asociarse con receptores membranales. En 1948, un investigador mexicano, Arturo Rosenblueth (quien trabajaba con el doctor Canon en el noreste de Estados Unidos), observó que la adrenalina producía contracción en un músculo liso: la aorta; por el contrario, el músculo liso de los bronquios se relajaba. Perplejos por estos resultados contradictorios, dichos investigadores propusieron que se generaban dos tipos de mediadores, según el tejido en el que actuaba la hormona, y que conducían a los diferentes efectos. Esta sugerencia no fue acertada, pero sí constituyó un inicio conceptual para dividir las acciones de la hormona. Otro investigador, Alhquist,

también en 1948, llegó a una conclusión más válida y que de hecho, constituye la piedra angular de lo que hoy sabemos sobre acciones adrenérgicas. Este investigador recientemente fallecido, al usar una serie de análogos de la adrenalina, observó que la potencia relativa de estos compuestos para producir contracción o relajación era claramente diferente. Estas observaciones y, por supuesto, su capacidad, lo llevaron a la conclusión de que la contracción ocurría por la activación de un tipo de receptor al cual llamó a; mientras que la relajación se daba por la activación de otro tipo de receptor al que denominó . Hoy sabemos que estos tipos de receptores se subdividen aún más, y que en realidad hay tres familias de receptores para la adrenalina: los 1-, los 2- y los -adrenérgicos. Cada una de estas familias tiene tres miembros y por lo tanto tenemos nueve receptores: 1 (A, B y D), 2 A, B y C) y (1, 2 y 3).

Quizá parezca más un entretenimiento que otra cosa eso de andar subdividiendo receptores para una hormona dada, pero tiene una importancia teórica y práctica increíble. Pondré un ejemplo: durante muchos años se ha sabido que las catecolaminas aumentan las necesidades de oxígeno del corazón al activar a los receptores -adrenérgicos del miocardio. Existen condiciones en las cuales es conveniente bloquear en un paciente este tipo de receptores. Para ello se han diseñado diversos bloqueadores -adrenérgicos. Por otro lado, en los cuadros asmáticos se utilizan agonistas -adrenérgicos para relajar la musculatura bronquial. Ahora bien, imaginemos a un paciente que tenga ambos tipos de problemas: cardiovasculares y asmáticos. Si el galeno prescribe un bloqueador-adrenérgico general, el paciente mejorará de su padecimiento cardiovascular, pero, ¿qué sucederá si presentara un cuadro de asma? Los receptores de sus bronquios estarían también bloqueados. Afortunadamente, hoy en día la situación no es tan complicada. Me explicaré mejor: el receptor del miocardio es 1-adrenérgico, mientras que el de los bronquios es 2 Dado que la industria farmacéutica ya ha logrado sintetizar agentes selectivos para los diferentes subtipos, podemos administrar al paciente un bloqueador 1-adrenérgico selectivo y dejar en paz sus 2 para cualquier emergencia asmática.

Decía entonces que hay tres familias o tipos básicos de receptores adrenérgicos, todos ellos pertenecen a la familia de los siete dominios transmembranales o acoplados a proteínas G. En general estos receptores se encuentran distribuidos en forma preferencial en los diferentes tejidos; por ejemplo: el corazón es rico en receptores 1-adrenérgicos, mientras que la aorta contiene múltiples receptores 1-adrenérgicos. El conocimiento de que existen tantos receptores diferentes para esta hormona y neurotransmisor es muy reciente, y aún se ignora la distribución por tipo y subtipo en cada tejido y su participación en las acciones de este mensajero. Por otro lado, una célula puede contener más de un tipo de receptores para la adrenalina. No hace muchos años, en 1981, demostramos que el adipocito humano contiene receptores adrenérgicos de las tres familias principales, es decir al, 2 y -adrenérgicos. De hecho, de la familia b, el adipocito

expresa los tres subtipos: el 1, el 2 y el3. Ahora sabemos que este hecho es bastante general y que frecuentemente las células expresan vanos de los subtipos para una misma hormona.

Otro aspecto sumamente interesante es que los receptores están asociados a sistemas específicos de transducción. Mi maestro, John Fain, y yo fuimos los primeros en establecer claramente este hecho. Como hemos visto, los diferentes receptores -adrenérgicos están acoplados activadoramente a la adenilil ciclasa a través de Gs como hemos visto. Los receptores 2-adrenérgicos se acoplan a la ciclasa en forma inhibitoria a través de Gi, y los receptores a1 se acoplan al recambio de fosfoinosítidos a través de Gq (ver la figura 16). Además de la existencia de los diferentes subtipos, en los últimos años nos ha quedado claro que cada receptor no enciende un señalamiento lineal, sino una red, como discutimos cuando hablamos de las proteínas G. Así, es claro que estos receptores, además de modular la adenilil ciclasa y el recambio de fosfoinosítidos, tienen acciones sobre otros sistemas de transducción, como son algunos canales para sodio, calcio y potasio. Más aún, el acoplamiento de un receptor no sólo depende del receptor sino del repertorio de proteínas G y de efectores (canales iónicos, otras fosfolipasas, etc.) que expresa cada célula.

B) INSULINA

Una hormona que ha atraído el interés de miles de científicos y del público en general es la insulina. Esta hormona es un polipéptido con un peso molecular de 6 000 Daltones, y es producida y secretada por las células beta de los islotes de Langerhans del páncreas. Sin duda, gran parte del interés que se ha generado, se debe a su importancia en el mantenimiento de los niveles de glucosa en la sangre y en el tratamiento de la diabetes mellitus.

Alrededor de 1890 Mering y Minkowsky habían demostrado que la extirpación del páncreas produce, en animales de laboratorio, un padecimiento similar a la diabetes mellitus. Fueron unos investigadores canadienses del Hospital General de Toronto, Banting y su alumno Best, un joven estudiante de medicina, quienes lograron extraer el principio activo del páncreas y demostraron su utilidad terapéutica tanto en perros diabéticos como en humanos; estos estudios se realizaron entre 1921 y 1922. En esos trabajos participó McLeod, en ese momento jefe del Departamento, y con quien Banting tuvo innumerables conflictos. Recibió años después junto con Banting el premio Nobel de Fisiología y Medicina; Banting, por su cuenta decidió compartir su parte del premio con Best.

El primer paciente en recibir el beneficio de tales descubrimientos fue Leonard Thompson, un muchacho diabético de 14 años internado en el Hospital General de Toronto. La diabetes de este muchacho se encontraba totalmente descompensada y Banting y Best decidieron emplear su extracto como un tratamiento experimental. El resultado fue espectacular y abrió, sin duda, una de las grandes avenidas en la

historia del tratamiento de las enfermedades endocrinas en general y de la diabetes en particular. Para 1926 ya se contaba con insulina cristalina, y en 1960 Langer estableció su secuencia de aminoácidos. Este investigador obtuvo el premio Nobel de Química.

Los estudios acerca de la insulina han continuado avanzando. Actualmente podemos cuantificar con precisión la cantidad de insulina que hay en la sangre y en los diversos tejidos (metodología que está asociada a otro premio Nobel); además existen muy diversos preparados de insulina con diferentes velocidades de absorción para un mejor tratamiento de los pacientes. Dos avances notables merecen también ser mencionados; dado que el consumo de insulina (obtenida principalmenté del cerdo) es muy importante, se ha considerado que su disponibilidad podía llegar a ser limitante para el tratamiento del gran número de pacientes que la requieren. Para evitar esto, en la década de los sesenta se desarrollaron los procesos de síntesis química completa. Estos procesos, aunque costosos, ofrecen una alternativa y se han mejorado en los últimos años. Otra opción que ya ha resultado de utilidad práctica es la inserción de la información genética para la síntesis de la hormona en el ADN de microorganismos. Estos microorganismos producen la hormona y es posible cultivarlos en grandes fermentadores industriales. Esta alta tecnología de ingeniería genética se emplea con éxito en los laboratorios Lilly de Estados Unidos, que producen desde hace varios años insulina por estos medios, para uso en pacientes.

La insulina es la principal hormona encargada de disminuir los niveles de glucosa en sangre. De los años treinta a los setenta se descubrieron muchas de las principales acciones de la insulina. Esta hormona aumenta el transporte de glucosa al interior de las células y su conversión a glucógeno; además aumenta la oxidación del azúcar. Favorece el proceso de síntesis de lípidos y disminuye tanto la movilización de grasa de los depósitos, como su oxidación en el hígado; además, aumenta el transporte de algunos aminoácidos en las células blanco. Estas acciones, y muchas otras descritas hasta nuestros días, ocurren rápidamente, en cuestión de minutos. Además, hay clara evidencia de que la insulina ejerce acciones más tardías, las cuales toman de horas a días; dentro de estas últimas está el ser un factor de crecimiento celular.

Pero, ¿cómo hace lo que hace la insulina? Sin duda uno de los grandes avances que han ocurrido en los últimos 15 años es el conocimiento de la estructura del receptor de la insulina. El trabajo pionero de Pedro Cuatrecasas aclaró varios aspectos. Este investigador acopló la insulina a moléculas de gran tamaño que no podían entrar a las células; la insulina, así acoplada, aun podía ejercer sus efectos. Ello establecía que el receptor se localizaba en la membrana plasmática. Por otro lado, intentó purificar el receptor, con relativo éxito. Las técnicas que se usaban en ese momento no le permitían lograr la absoluta reproducibilidad de los resultados. Su trabajo fue sujeto de múltiples críticas, justas e injustas. Hoy, más de 20 años después, muchos de

sus hallazgos han sido totalmente comprobados y su labor pionera es reconocida por los expertos.

Hacia 1980 trabajé en Brown University con mi maestro John Fain. En los laboratorios que estaban al final del corredor trabajaba Mike Czech, un joven y brillante ex alumno de Fain que lideraba a un grupo de entusiastas y capaces posdoctorales. Paul Pilch, químico de corazón, había logrado entrecruzar la insulina radiactiva con su receptor y, por medio de técnicas refinadas (electroforesis y radioautografía), había llegado a establecer el peso molecular del receptor. Poco después se incorporó al grupo Joan Massagué, joven catalán quien avanzó audazmente en el estudio de las subunidades del receptor. Así, en unos cuantos años este grupo logró establecer la estructura del receptor de la insulina. Un sueño que durante muchos años habían acariciado muchos investigadores. Vale la pena mencionar que nadie en este mundo está aislado, y así otros grupos, incluyendo al de Cuatrecasas, hicieron importantes contribuciones para afinar el modelo actual que se presentó en la figura 10. El receptor de la insulina es una proteína de peso molecular aproximado de 310 000 Daltones, está formada por dos subunidades llamadas alfa con peso de 125 000 y dos beta con peso aproximado de 90 000 Daltones. Estas subunidades están enlazadas por uniones disulfuro. Parece existir solamente un gen para el receptor de la insulina, pero por procesamiento alternativo del ARN que lo codifica da origen a dos subtipos de receptores, A y B, para la hormona. Hay evidencia de que el receptor es sintetizado como una sola proteína y posteriormente es dividido y procesado. El procesamiento de este precursor del receptor no sólo involucra el fraccionamiento en sus subunidades, sino que además participan otros procesos como la incorporación de azúcares; dicho procesamiento posiblemente ocurra en vesículas especializadas del aparato de Golgi.

Las subunidades alfa contienen el sitio de fijación de la insulina. Hay evidencia de que podría existir más de un sitio para la hormona y de que quizá haya cierta interacción de un sitio con el otro. Las subunidades beta han sido motivo de interesantísimos hallazgos. Kasuga y Kahn demostraron que el receptor tiene actividad de proteína cinasa de tirosina. Posteriormente el gen que codifica el receptor de la insulina fue donado y ha sido expresado en muchos sistemas, así como sujeto a diferentes manipulaciones (mutaciones, formación de quimeras, etc.) para avanzar en el mecanismo de su acción. El receptor se fosforila tanto por su propia actividad de tirosina cinasa (autofosforilación) como por otras cinasas (fosforilación heteróloga); el mecanismo general de acción de estos receptores con actividad de proteína cinasa ha sido descrito en el capítulo V. Indudablemente, mucho se ha avanzado; sin embargo, faltan muchos aspectos por aclarar.

Una las principales acciones de la insulina es disminuir la concentración de glucosa en la sangre, lo cual se logra al aumentar el transporte de azúcar al interior de las células; este efecto puede observarse fácilmente en células aisladas. Durante muchos años se ha

debatido acerca de los mecanismos moleculares responsables de dicho efecto. Sabemos que el transporte de la glucosa se lleva a cabo por medio de un transportador específico, el cual se ha aislado, e incluso reconstituido, en membranas artificiales. La pregunta fundamental ha sido, ¿cómo aumenta la insulina el transporte del azúcar? Se buscaron posibles activadores sin encontrarse ninguno. No hace mucho tiempo, dos grupos, el de Cushman y el de Kono, encontraron un hecho que ha cambiado nuestra concepción del fenómeno. En pocas palabras, se descubrió que el número de transportadores en la membrana plasmática aumenta considerablemente bajo la acción de la insulina. La pregunta inmediata fue, ¿de dónde vienen? Y surgió que, al igual que con los receptores, los transportadores se localizan no sólo en la membrana plasmática, sino también en vesículas intracelulares. Más experimentos confirmaron lo anterior y además aportaron la siguiente observación: bajo la acción de la insulina los transportadores intracelulares de glucosa se incorporan a la membrana plasmática; por lo tanto, el número de transportadores disminuye en las vesículas intracelulares y aumenta en la membrana plasmática. Además, al terminar la acción de la insulina el proceso se revierte. Pero, ¿cómo se relacionan la actividad de tirosina cinasa del receptor y la translocación de transportadores de glucosa? Ésta es una de las grandes lagunas que quedan aún en nuestro conocimiento.

C) HISTAMINA, SEROTONINA, PROSTAGLANDINAS Y ADENOSINA

Existe un amplio grupo de sustancias de intensa actividad biológica y enorme importancia que funcionan como hormonas locales. Muchas de ellas son producidas por el organismo en respuesta a cambios o agresiones localizadas; su función, desde un punto de vista teleológico, es decir finalista, es restablecer el equilibrio perdido; en este sentido son un remedio endógeno, esto es, del mismo organismo, para sus males. En 1916, sir Edward Schäfer acuñó el término "autacoide" para referirse a las hormonas en general. Sin embargo, la palabra autacoide describe en forma corta y con mucha mayor propiedad a las hormonas locales; es por ello que se utiliza principalmente en este último sentido. Como mencioné ya en un capítulo anterior, desde el punto de vista etimológico este término proviene del griego autos que significa propio, y de akos que significa remedio o medicamento. Es decir, el significado etimológico se adapta claramente a la idea de la hormona local, la cual es un automedicamento para restablecer el equilibrio del organismo. Dentro de este amplio grupo de sustancias he seleccionado a cuatro de ellas, relativamente conocidas como hormonas locales y con gran importancia fisiológica. Ellas son: la histamina, la serotonina, la adenosina y las prostaglandinas.

i) Histamina

Este autacoide, cuya fórmula presento en la figura 17, es el producto de la descarboxilación (eliminación de C02) de un aminoácido: la histidina. Es muy interesante recordar que este producto fue aislado y sintetizado como una curiosidad química mucho antes de conocer su

función en el organismo. Existía la creencia que era sólo un producto de la acción de las bacterias. Para 1910 ya se sabía que se producía en muchos tejidos, principalmente en el músculo liso de los vasos sanguíneos; sin embargo, no fue sino hasta casi 20 años después, en 1927, que Best, Dale, Dualery y Thorpe la aislaron de tejidos frescos. Este hallazgo estableció, sin dudas, que la histamina es un constituyente natural de los tejidos. Es interesante además hacer notar que la palabra histamina proviene del griego histos que quiere decir tejido y de amina: la amina de los tejidos.

La inmensa mayoría de quienes no se dedican a las ciencias biomédicas, cuando oyen hablar de antihistamínicos (bloqueadores o antagonistas de la acción de la histamina), piensan exclusivamente en reacciones de tipo alérgico; lo cual no es sorprendente, ya que durante muchos años casi toda la investigación y por ende el conocimiento estuvieron enfocados a este aspecto. Los antihistamínicos clásicos, que todos conocemos, bloquean sólo un tipo de los receptores para la histamina, los H1.

FIGURA 17. Estructura de la histamina y representación esquemática de su mecanismo de acción.

Ya en los años cincuenta había evidencia de que existía más de un tipo de receptor para este autacoide, pero no fue sino hasta los setenta cuando se sintetizaron compuestos con selectividad para el otro tipo de receptores, para la histamina, los H2. En estos desarrollos fue fundamental el trabajo de sir James Black, a quien nos referimos en líneas anteriores. Poco después de la síntesis de los antihistamínicos selectivos H2, éstos fueron incorporados al arsenal de medicamentos usados en la práctica clínica. Desde hace unos dos o tres años se han publicado trabajos que sugieren la existencia de un tercer tipo de receptor para la histamina: el H3.

Represento en la figura 17 lo que sabemos de estos receptores. Como puede apreciarse, el receptor H1 —el asociado a los fenómenos alérgicos— está acoplado al recambio de fosfoinosítidos y al calcio, mientras que el receptor H2 está acoplado en forma activadora a la adenilil ciclasa a través de Gs. En el caso del receptor H3 aún se desconoce el sistema transductor al que se acopla. Mencionaré algunas de las principales acciones de la histamina y el tipo de receptor involucrado. Se ha observado que la histamina produce dos tipos de efectos sobre los vasos sanguíneos: 1) dilatación, mediada a través de receptores H2, y 2) contracción, mediada por receptores H1. El enrojecimiento y el edema localizado, observados en las reacciones alérgicas se producen al activarse los receptores H1. Otro fenómeno alérgico que involucra a receptores histamínicos de este tipo es la bronco-constricción, asociada a cuadros de tipo asmático. El corazón tampoco escapa de tener receptores para la histamina; en este órgano, la activación de receptores H1 disminuye la conducción eléctrica, y en algunas especies hay receptores H2 que provocan taquicardia. La histamina también modula la presión arterial: aparentemente la activación de los receptores H1 la eleva y la de los H2 la disminuye. La histamina es un importante neurotransmisor en el sistema nervioso central; los tres subtipos conocidos de receptores para la histamina, parecen tener muy diversas funciones en el cerebro.

Otro efecto importante de la histamina es aumentar la secreción gástrica. Durante muchos años se supo que la histamina aumentaba la secreción de ácido clorhídrico en el estómago. Sin embargo, el hecho de que ninguno de los antihistamínicos conocidos hasta entonces (de tipo H1) mostrara utilidad para reducir la secreción gástrica hacía dudar de la importancia fisiológica de dicho fenómeno y se consideraba como una curiosidad con cierta utilidad diagnóstica. Con la síntesis de antihistamínicos H2 resultó claro que la histamina sí juega un papel fisiológico en la regulación de la secreción gástrica. Además, estos antagonistas H2 han resultado de enorme utilidad para el tratamiento de los pacientes con úlcera gastroduodenal.

ii) Serotonina

Durante muchos años se supo que si se dejaba coagular la sangre, en el suero se encontraba una sustancia vasoconstrictora, es decir, que aumenta el tono vascular. En 1948 Rapport y sus colaboradores aislaron y cristalizaron este compuesto, al cual le dieron el nombre de serotonina (unión de las palabras suero y tono muscular). Este compuesto, sintetizado a partir del aminoácido triptofano (la serotonina es la 5-hidroxi-triptamina, 5-HT), se encuentra localizado básicamente en tres lugares: en las células cromafines del intestino, en algunas neuronas del sistema nervioso central y en las plaquetas. Han sido identificados muy diversos tipos de receptores para este compuesto; por lo menos siete familias, y algunas con varios subtipos. Aparentemente los diferentes subtipos de la familia 5-HT1 están acoplados en forma inhibitoria a la enzima adenilil ciclasa y a diversos canales iónicos, a través de Gi; mientras que los 5-HT2, están

acoplados al recambio de fosfoinosítidos y al calcio. Los receptores 5-HT3 son receptores canal, los 5-HT4, 5-HT6 y 5-HT7 se acoplan activadoramente a la adenilil ciclasa, y de los 5-HT5 aún se desconoce su mecanismo de acoplamiento (figura 18). Como podrá observarse este es un grupo de enorme complejidad con muy diversos tipos de receptores. En este momento la tipificación de los receptores que participan en cada una de las acciones de la serotonina es un campo de gran actividad.

Como es de esperarse, con base en su distribución, la serotonina afecta el funcionamiento intestinal. Este autacoide aumenta notablemente la motilidad del intestino delgado. Por otro lado, produce vasoconstricción y aumenta tanto la fuerza como la frecuencia del latido cardiaco. En la hipófisis la serotonina parece ser un importante regulador de la secreción de algunas hormonas, como la del crecimiento, la prolactina y las gonadotróficas. Hay clara evidencia de que la serotonina es un neurotransmisor en el sistema nervioso central; se ha postulado que alteraciones en el metabolismo o en la acción de este compuesto pueden tener relevancia en algunos desequilibrios mentales como la esquizofrenia o el autismo infantil. Otro dato de importancia es que algunos compuestos alucinógenos (como la psilocina y la psilocibina, productos de los hongos alucinógenos y el LSD) interactúan fuertemente con receptores serotonínicos. Además este tipo de receptores parece tener una gran importancia en la modulación del estado de ánimo y por lo tanto asociado a trastornos depresivos. Ésta es un área de intensa actividad.

Figura 18. Estructura de la serotonina (5-hidroxi-triptamina) y representación esquemática de su mecanismo de acción.

iii) Prostaglandinas

En 1930 dos ginecólogos estadounidenses, Kurzrok y Lieb, descubrieron que el útero se relajaba y contraía al exponerse el semen humano. Pocos años más tarde, Goldblat en Inglaterra y Wuler en Suecia reportaron que el extracto de la próstata tenía actividad sobre el músculo liso. El material fue identificado por Euler como un lípido, quien lo bautizó con el nombre de "prostaglandina". Fue necesario un gran avance técnico para aislar e identificar estos compuestos, lo cual no se logró sino hasta 1960. De esa época a la fecha el número de publicaciones que hablan de estos compuestos y que describen sus acciones ha aumentado en forma sorprendente. Ahora sabemos que el ácido araquidónico (un ácido graso polinsaturado, presente en muchos fosfolípidos de la membrana) es el precursor de un grupo de compuestos muy activos biológicamente, entre los cuales se encuentran las prostaglandinas, los leucotrienos y los tromboxanos.

Me centraré en las prostaglandinas, no sin antes mencionar que una de las drogas más ampliamente usadas en el mundo, la aspirina, es un inhibidor de la síntesis de prostaglandinas. Como ustedes saben, la aspirina se utiliza como analgésico (quita el dolor), antipirético (suprime la fiebre) y antiinflamatorio. Muchas de estas acciones de la aspirina se deben a que bloquea la formación de prostaglandinas en el organismo. En este momento hay evidencia de diversos tipos de receptores para estos compuestos con acoplamientos a la adenilil ciclasa y al recambio de fosfoinosítidos. Todos estos receptores parecen corresponder a la familia de los siete dominios transmembranales.

Algunos de los efectos más prominentes de las prostaglandinas son los siguientes: 1) inhiben la agregación de las plaquetas al oponerse al efecto de los tromboxanos (la aspirina bloquea la síntesis de prostaglandinas pero también la de tromboxanos, y así ejerce su acción antitrombótica); 2) el músculo liso presenta varios tipos de respuestas: a) el músculo bronquial se relaja bajo la acción de las prostaglandinas, por lo que se han usado en el tratamiento de pacientes asmáticos, b) las prostaglandinas aumentan la contracción del útero —por lo mismo, se han tratado de usar como abortivos—, y c) el músculo liso gastrointestinal varía en su respuesta según la región anatómica; 3) otra acción importante es la disminución de la secreción gástrica. Esta acción ha permitido tener la esperanza de diseñar análogos que puedan ser útiles en el tratamiento de la úlcera péptica; 4) en el sistema nervioso las prostaglandinas aumentan o disminuyen la actividad eléctrica, según la región; 5) además, sabemos que son importantes en la regulación de la secreción de algunas hormonas, y 6) desde el punto de vista metabólico su acción más importante es disminuir la movilización de grasa de los depósitos.

iv) Adenosina

Este compuesto es un producto del metabolismo del ATP, la moneda energética de la célula; se libera en muchos tejidos cuando las células tienen una deficiencia en su aporte de oxígeno. Así, se ha visto que

cuando hay falta de oxigenación en el corazón se libera adenosina, la cual tiende a compensar el problema aumentando el riego coronario y disminuyendo el gasto energético.

Al igual que en el caso de las prostaglandinas, este compuesto que inhibe la agregación plaquetaria, dilata los vasos sanguíneos principalmente de las circulaciones coronaria (cardiaca) y cerebral, disminuye la liberación de algunos neurotransmisores de tipo excitador en el sistema nervioso central, disminuye la contracción del músculo intestinal, disminuye la lipólisis en el tejido adiposo, e incluso actúa como protector de la función hepática. Esta diversidad de acciones nuevamente nos ilustra la importancia fisiológica que posiblemente tenga el compuesto, pero también nos habla de las dificultades para cualquier aplicación terapéutica. Sin embargo, se han diseñado compuestos que alteran el transporte o el metabolismo de la adenosina, los cuales sí se han usado ya con fines terapéuticos. Ésta es también un área activa y lo va a ser más en los próximos años.

Existen diversos receptores para la adenosina que junto con los del ATP constituyen la familia de los receptores purinérgicos. Todos ellos parecen también formar parte de la gran familia de los receptores con siete dominios transmembranales.

Otro aspecto de interés, respecto a la adenosina, es su relación con las metilxantinas. Estas últimas son compuestos bloqueadores de la fosfodiesterasa, la cual rompe e inactiva el AMP cíclico, y además son potentes antagonistas de las acciones de la adenosina. Las metilxantinas están consideradas entre las drogas de mayor consumo por los seres humanos en nuestros días. La cafeína, la teofilina y la teobromina son algunos de los integrantes principales de este grupo, y son constituyentes activos del café, el té y el chocolate. Cierto es que, cada vez con mayor frecuencia, se ingiere café descafeinado, pero para compensar se consume una gran cantidad de cafeína en los refrescos de cola. Es muy posible que el efecto estimulante de estas bebidas se deba al antagonismo de la acción de la adenosina que ejercen las metilxantinas.

D) GLUCAGON, VASOPRESINA Y ANGIOTENSINA II

En esta sección trataré de revisar brevemente algo de lo que sabemos acerca de tres hormonas de naturaleza peptídica, las cuales ejercen una profunda acción sobre el metabolismo: el glucagon, la vasopresina y la angiotensina II. Comenzaré por el glucagon.

i) Glucagon

Esta hormona es un polipéptido con un peso molecular de 3 500 Daltones aproximadamente que se produce en las células alfa de los islotes de Langerhans del páncreas y es una de las principales hormonas hiperglicemiantes, es decir, aquellas que aumentan los niveles de glucosa en la sangre. Recordemos que la insulina también

es producida en los islotes pancreáticos y ejerce una acción opuesta. Estas pequeñas islas de células de secreción interna se encuentran dentro de la estructura del páncreas rodeadas por las células productoras de los jugos digestivos y su función es regular la concentración de glucosa en la sangre. Son un sistema de ajuste muy fino de la glucemia; cuando el nivel de glucosa en sangre se eleva, aumenta la secreción de insulina, la cual, como ya hemos descrito, favorece la entrada de este azúcar a las células y su posterior metabolismo, disminuyendo en consecuencia su concentración en la sangre. Por el contrario, cuando la glucemia baja, los islotes secretan glucagon, el cual se encarga de "indicar" al hígado que aumente su producción de glucosa, y al tejido adiposo que libere ácidos grasos y glicerol como fuentes de energía y material para la síntesis hepática de más glucosa. Visto así, nos percatamos de que estos islotes son un regulador de la glucemia; podríamos llamarles un glucostato. Los islotes se pueden aislar e incubar por tiempo relativamente largo sin que se deterioren. Se ha pensado en transplantarlos a pacientes diabéticos como una alternativa terapéutica y miles de estudios han sido realizados con ellos.

Pero volvamos al glucagon. Esta molécula fue descubierta por Murlin y colaboradores en 1923, tan sólo dos años después del descubrimiento de la insulina. Sin embargo, su historia ha sido un poco gris; en compensación con la historia de la insulina, su vecina de las células de al lado, que es brillante, espectacular, maravillosa, como las grandes avenidas: llena de luces. El descubrimiento del glucagon recibió poco reconocimiento; para ilustrar el escaso interés que generó diré que pasaron más de 30 años desde su descubrimiento hasta su purificación. Para todo existe una razón. ¿A qué se debió el contraste de interés y avance entre insulina y glucagon? Una razón importante es la rápida aplicación terapéutica, la utilidad. La insulina podía emplearse para el tratamiento de uno de los grandes males de la humanidad, la diabetes. El glucagon no tiene la misma suerte, su utilidad en la práctica médica es limitada: sólo se utiliza para algunos casos de hipoglucemia y recientemente para algunos problemas cardiovasculares. Ni modo, una nació con estrella y la otra estrellada. Lo que ha dado popularidad al glucagon es el hecho de que su acción en algunas condiciones es adversa. Voy a explicarme. Por allá en el inicio de los setenta, al desarrollarse las técnicas de detección de hormonas en el suero, se observó que en algunos diabéticos los niveles de insulina no estaban disminuidos como se suponía; estaban normales, pero los de glucagon estaban elevados. Así, el grupo de Unger propuso que el glucagon quizá era responsable en parte de los problemas del diabético. Hoy sabemos que la diabetes es una enfermedad (o grupo de enfermedades) mucho más compleja de lo que pensábamos. Muchos factores contribuyen, y posiblemente el exceso en la secreción de glucagon sea uno de ellos.

Para 1972 se había logrado la síntesis química del glucagon y con ello se empezaron a sintetizar compuestos similares (análogos) al glucagon con dos ideas fundamentales: conocer qué partes de su estructura son

importantes para su actividad y, por otro lado, sintetizar antagonistas que pudieran bloquear las acciones de glucagon sobre el organismo y así poder, tal vez, aliviar algunos de los problemas del diabético.

Hasta el momento sólo se conoce un receptor para el glucagon, el cual está acoplado en forma activadora a la adenilil ciclasa y, en apariencia, en forma secundaria a la movilización de calcio, probablemente a través del sistema fosfoinosítidos-calcio. Al activar el glucagon a su receptor en el hígado, se produce un incremento rápido en los niveles de AMP cíclico, el cual, a su vez, activa a la proteína cinasa A y mediante la cascada de fosforilaciones, que describí capítulos atrás, se activan la ruptura de glucógeno y otros procesos.

ii) Vasopresina

La vasopresina, como su nombre lo indica, es una potente hormona vasopresora, es decir, aumenta la contracción de los vasos y la tensión arterial. También recibe el nombre de hormona antidiurética, mismo que describe otra de sus acciones principales: disminuir la diuresis, es decir, la pérdida de líquidos por la orina.

La vasopresina u hormona antidiurética es liberada por la hipófisis posterior (una glándula neurosecretora localizada en la base del cerebro) cuando la ingestión de líquidos es poca y cuando disminuye el líquido extracelular. Esta hormona es un péptido pequeño formado sólo por nueve aminoácidos. Su estructura fue determinada por DuVigneaud, quien además la sintetizó, por lo que se le otorgó el premio Nobel poco después de su descubrimiento. Este investigador y su grupo estudiaron también la oxitocina, una hormona muy parecida a la anterior (sólo cambia en dos aminoácidos), responsable de la contracción uterina durante el parto.

Esta hormona antidiurética se utiliza para el diagnóstico de la diabetes insípida (no confundir a esta enfermedad con la diabetes mellitus, la diabetes común que todos conocemos). Se utiliza también como medicamento para controlar el sangrado de várices esofágicas en los pacientes cirróticos.

La vasopresina ejerce sus efectos al activar a dos tipos de receptores: los V1 y los V2. Los efectos presores se ejercen al activar a los receptores V1, de los que existen dos subtipos (A y B) y los cuales están acoplados a recambio de fosfoinosítidos y a movilización de calcio. Los efectos antidiuréticos se ejercen mediante receptores V2 que están acoplados en forma activatoria a la adenilil ciclasa a través de Gs. Actualmente contamos con análogos sintéticos de la vasopresina, los cuales son selectivos hasta por 1 000 veces para algunos de los subtipos de receptores de dicha hormona. No debe pensarse que la vasopresina no tiene efectos en otros órganos; se ha observado que es un importante modulador del metabolismo hepático, además de tener efectos sobre las plaquetas e incluso sobre algunas neuronas.

iii) Angiotensina II

Hace casi un siglo, en 1898, se descubrió que el extracto del riñón produce un fuerte efecto vasopresor; a este principio se le dio el nombre de renina. Posteriormente se descubrió que la renina no era vasopresora por sí misma, sino que era una enzima que convertía a un producto inactivo del plasma, el angiotensinógeno, en uno activo, la angiotensina. La angiotensina es una hormona que descubrieron el doctor Braun-Menéndez y su grupo, en Argentina hacia 1939. Casi al mismo tiempo, el grupo de Page, hizo el mismo descubrimiento. Cada uno de estos grupos dio un nombre al compuesto generado en el plasma, el primero lo llamó "hipertensina" y el segundo "angiotonina". Fue necesario que pasaran casi 20 años, para que se pusieran de acuerdo los investigadores del campo en el nombre adecuado para la hormona, y en 1957 se le dio el nombre híbrido de angiotensina.

Actualmente sabemos que hay tres angiotensinas: la I, la II y la III, las cuales son productos cada vez más pequeños; es decir, del angiotensinógeno se forma la angiotensina I, de ella la angiotensina II y de ésta a su vez la angiotensina III; la más activa es la angiotensina II.

La angiotensina II es el agente vasopresor más potente que se conoce hasta ahora; además es un importante regulador de la secreción de otra hormona por la corteza de la glándula suprarrenal: la aldosterona. En el corazón, la angiotensina II incrementa el flujo de calcio y la fuerza de contracción del músculo. Otra acción importante de este péptido es favorecer la secreción de la vasopresina. Durante los últimos años ha resultado evidente que este compuesto es también capaz de alterar el metabolismo hepático.

Pero ¿cómo ejerce sus efectos? La angiotensina II tiene receptores específicos localizados en la membrana plasmática de muchas células. Se han identificado dos tipos de receptores para la angiotensina II. El AT1 de distribución periférica y el que media las acciones más conocidas del péptido. En algunas especies el gen que codifica para el receptor se ha duplicado y modificado dando origen a dos variedades de este tipo de receptor (A y B). El receptor está acoplado al recambio de fosfoinosítidos a través de Gq y a la adenilil ciclasa en forma inhibidora por medio de Gi. Además parece estar asociado a otros sistemas de transducción, que le permiten actuar como un poderoso factor de crecimiento en muchas células.

El receptor AT2 parece estar acoplado a través de proteínas G (aún no bien identificadas) a una fosfatasa de proteínas para residuos de tirosina. Este parece ser un nuevo sistema transductor que ahora se está estudiando con mucho interés. Por otro lado, el receptor AT2 parece expresarse en el sistema nervioso y especialmente en ciertas etapas del desarrollo, lo que ha sugerido que ocupe un lugar en la diferenciación de este importante sistema. Nuevamente otro campo en el que veremos cambios en los próximos años.

N O T A F I N A L

Describir las acciones y los mecanismos de acción de más hormonas y neurotransmisores, va más allá de los objetivos de este libro. Creo que, en resumen, podríamos concluir señalando que el campo que nos ocupó es de gran importancia y que nuestro conocimiento tiene aún muchos "huecos". El talento y los deseos de trabajar de nuevas camadas de investigadores en los próximos años harán que se logren avances significativos, que ayuden a entender mejor el funcionamiento de nuestro organismo y conocer las perturbaciones que existen cuando se rompe ese preciado silencio orgánico, que es la salud.

B I B L I O G R A F Í A

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C O N T R A P O R T A D A

En nuestro tiempo, mientras no se conozcan los mecanismos de acción de las hormonas la concepción que tenemos de buena parte de la realidad biológica continuará siendo oscura, de carácter mágico y, ciertamente, nada científica. Esto porque las hormonas participan en el mantenimiento de ese silencio fisiológico que llamamos salud. Durante las enfermedades se producen alteraciones en la secreción y en la acción de muchas hormonas, y esto puede ser causa o consecuencia de la enfermedad. Por otra parte, muchas de las medicinas que prescriben los médicos tienen efectos hormonales.

Jesús Adolfo García Sáinz nos dice que Hormonas: Mensajeros químicos y comunicación celular fue escrito con el deseo de presentar a un público no especializado algunos de los aspectos más interesantes del mecanismo de acción de las hormonas. El lector no requiere de amplios conocimientos de biología para entenderlo, mas sí de los principios elementales de esta ciencia, los que se consideran de difusión generalizada en la actualidad. La bibliografía al respecto es enorme y García Sáinz escoge sólo un tema, mas de interés

considerable: la forma como se comunican las células, campo en el que los descubrimientos más importantes se han producido en los últimos 20 años.

El trabajo de García Sáinz ha recibido diversas distinciones; entre ellas, el Premio de Ciencias Naturales 1986, que otorga la Academia de la Investigación Científica Mexicana; los Premios "Eduardo Liceaga" y "Maximiliano Ruiz Castañeda", de la Academia Nacional de Medicina; "Miguel Alemán Valdés" en el área de la salud; el Premio en Ciencias "Puebla"; el Premio "Manuel Noriega", de la OEA; la Distinción Universidad para Jóvenes Académicos y el Premio Universidad Nacional en el área de investigación en Ciencias Naturales. Se inició como investigador desde sus días de estudiante de pregrado, en el laboratorio de la doctora Victoria Chagoya. Tras estudiar medicina, hizo la maestría y se doctoró en Ciencias Químicas (bioquímica). Sus estudios de posdoctorado los efectuó con el doctor John Fain, haciendo un trabajo precisamente sobre el mecanismo de acción de las hormonas. García Sáinz ha publicado cerca de 200 trabajos en revistas científicas nacionales e internacionales y producido varios libros. Su trabajo ha recibido más de 3 000 citas. Con él se han formado diversos investigadores que laboran en forma independiente tanto en el país como en el extranjero. En la actualidad es investigador titular "C" de tiempo completo y Jefe de Departamento en el Instituto de Fisiología Celular de la UNAM.

En la portada: Micografía electrónica de barrido de cuatro hepatocitos aislados, realizada por el Dr. Alfonso Carabez.

Diseño: Carlos Haces.