IV. PROPAGACI�N INTRACELULAR Y AMPLIFICACI�N DE LA SE�AL

EN LOS CAP�TULOS ANTERIORES se ha visto que el acoplamiento del mensajero con su receptor en la membrana plasm�tica es el primer paso para que se lleve a cabo la acci�n de algunas hormonas. Tambi�n 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 se�al intracelular o segundo mensajero. En este cap�tulo se explicar� c�mo ejercen su acci�n estos segundos mensajeros; es decir, c�mo se propaga y amplifica la se�al en el interior de la c�lula, y se ilustrar�, con algunos ejemplos, el funcionamiento del sistema.

Los segundos mensajeros no act�an directamente, sino que son reconocidos ("o�dos") por receptores extracelulares. As� como el primer mensajero, la hormona, es "o�do" por la c�lula a trav�s de sus receptores, la se�al intracelular o segundo mensajero es "o�do" por estos receptores intracelulares. Es decir, el primer paso es el reconocimiento molecular para despu�s pasar a la acci�n. Dicho reconocimiento es llevado a cabo por prote�nas, y la informaci�n precisa para su s�ntesis se encuentra codificada en nuestro material gen�tico. Estas prote�nas reconocen al segundo mensajero con una extraordinaria afinidad y especificidad y participan en la propagaci�n de la se�al. Dicha propagaci�n no es tampoco un proceso lineal, sino que se lleva a cabo en forma de "cascada de amplificaci�n"; esto quiere decir que, en cada paso que se da, el proceso se va haciendo m�s amplio, m�s grande.

Ilustrar� lo dicho con un ejemplo para aclarar los conceptos. Imaginemos que un oficinista est� en un ayuno m�s o menos prolongado; se le ha descompuesto el coche y no puede ir a su casa a comer, por lo que no ingerir� alimento hasta la cena. Durante el desayuno, el individuo consumi� una cierta cantidad de az�cares, de los cuales, una peque�a parte fue utilizada por el organismo y el resto se almacen� en el h�gado en forma de gluc�geno (el carbohidrato de reserva de los animales constituido por m�ltiples mol�culas de glucosa unidas). Sin embargo, nuestro amigo oficinista necesita que durante todo el tiempo la concentraci�n de glucosa en su sangre permanezca m�s 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 p�rdida de la conciencia o coma. Si a nuestro oficinista le disminuye notablemente la concentraci�n de glucosa, su capacidad de atenci�n disminuir�. (Nota: esto ha llevado a muchos a pensar que la falta de atenci�n, que observamos cotidianamente en algunas oficinas p�blicas, 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 caf�, 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 pr�cticas de nutrici�n continua en las oficinas p�blicas parecen haber llegado para quedarse.) Pero, volviendo al hilo de nuestra historia, dec�amos que el h�gado acumula glucosa en forma de gluc�geno, y que este �rgano es el encargado de regular los niveles de glucosa en la sangre. Naturalmente, el h�gado no hace todo por s� solo. En el p�ncreas existe un tipo de c�lulas muy especializadas, las cuales son lo que podr�amos llamar los "sensores" de la glucemia. Cuando los niveles de glucosa en la sangre disminuyen, secretan una hormona llamada glucagon, la cual avisa al h�gado que el organismo necesita que libere glucosa al torrente sangu�neo.

Pero, �c�mo act�a el glucagon? B�sicamente activando a la adenilil ciclasa (a trav�s de su receptor, que estimula a la prote�na Gs, que a su vez induce la activaci�n de la enzima, como ya hemos visto), y por lo tanto aumentando la producci�n de AMP c�clico. Pero aqu� estamos entrando de lleno en lo que vamos a llamar propagaci�n y amplificaci�n de la se�al, una vez dentro de la c�lula. Este proceso es complejo, por lo que lo analizaremos detenidamente. Perm�taseme, entonces, hacer otro par�ntesis.

En el citoplasma celular existe un tipo de prote�nas llamadas "prote�nas cinasas", las cuales fosforilan (le a�aden fosfato) a algunas prote�nas de la c�lula, de modo tal que, al ser fosforiladas, dichas prote�nas cambian en su actividad, unas se inhiben y otras se activan. Este proceso es uno de los mecanismos moleculares de regulaci�n de la funci�n celular m�s importantes que existen, y participa pr�cticamente en todas las funciones celulares: la regulaci�n del metabolismo, la contracci�n, la secreci�n, la proliferaci�n celular, la diferenciaci�n, etc. Los investigadores pioneros que descubrieron el papel de la fosforilaci�n de prote�nas en la regulaci�n de la funci�n celular fueron Edmond Fisher y Edwing G. Krebs y recibieron conjuntamente el Premio Nobel de Medicina y Fisiolog�a hace algunos a�os.

Dicho esto, prosigamos con el mecanismo de acci�n del glucagon. El AMP c�clico generado es reconocido por su receptor en el citoplasma: la prote�na cinasa A (para el AMP c�clico). Esta prote�na cinasa tiene dos tipos de subunidades (v�ase la figura 9), las "R" (reguladoras) y las "C" (catal�ticas, las cuales son las que tienen la actividad de prote�nas cinasa propiamente dicha). Las subunidades "R" mantienen inhibida a la enzima. Cuando los niveles de AMP c�clico aumentan, �ste 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 separaci�n de las subunidades "R" y "C". Ahora s�, las subunidades "C" quedan libres para hacer de las suyas (v�ase nuevamente la figura 9). Como es de esperarse, dada su actividad enzim�tica, la subunidad "C" de la prote�na cinasa A se encarga de fosforilar a algunas de las prote�nas del citoplasma celular. Como dec�amos anteriormente, dichas prote�nas, al ser fosforiladas, modifican su actividad (la aumentan o la disminuyen); algunas de ellas son prote�nas cinasas a su vez, y al activarse van a fosforilar a otras prote�nas, las cuales tambi�n se modifican por este hecho y cambian su actividad... etc�tera, etc�tera. As�, sigue desencaden�ndose esta "cascada" de fosforilaciones y, por lo tanto, amplific�ndose la se�al en el interior de la c�lula.

Figura 9. En la parte superior est� una representaci�n de la activaci�n de la prote�na cinasa A (con sus subunidades reguladoras (R) y catal�ticas (C) por el AMP c�clico. En la parte inferior se presenta la activaci�n hormonal de la adenilil ciclasa y la propagaci�n intracelular de la se�al. (PKA = prote�na cinasa A.)

Aclaremos lo que sucede en el caso del gluc�geno. Al activarse la prote�na cinasa A, es decir, al quedar libre su subunidad "C", �sta produce la fosforilaci�n de otra enzima: la fosforilasa b cinasa; esta enzima, a su vez, se activa y va a fosforilar a otra enzima: la fosforilasa; esta �ltima rompe al gluc�geno en m�ltiples mol�culas de glucosa y permite que el h�gado secrete glucosa a la circulaci�n.

Como mencion� arriba, no todas las enzimas se activan al fosforilarse. La enzima que sintetiza el gluc�geno, la "gluc�geno 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, aument� los niveles de AMP c�clico, lo que finalmente conduce coordinadamente a inhibir la s�ntesis de gluc�geno y a aumentar su degradaci�n. Esto hace que la liberaci�n de glucosa por el h�gado sea mucho m�s eficaz.

Es conveniente aclarar dos aspectos. Primero: as� como los receptores tienen gran especificidad para reconocer a un mensajero, las enzimas la tienen para sus sustratos. La activaci�n de las prote�nas cinasas provoca la fosforilaci�n de una serie de prote�nas, pero, desde luego, no de todas las prote�nas de la c�lula, solamente de aquellas que son sustrato de la cinasa. Segundo: el sistema se activa r�pidamente, y tambi�n se desactiva con facilidad. Como hemos mencionado, los sistemas de se�alamiento hormonal tienen la caracter�stica particular de tener una acci�n muy r�pida, casi inmediata; pero tambi�n se desactivan r�pidamente, al desaparecer la estimulaci�n por la hormona. Imaginemos que nuestro oficinista sale a sus "45 minutos del chocolate con churros". Al recibir az�cares, su organismo los absorbe; sube la concentraci�n de glucosa en su sangre y de inmediato cesa la secreci�n de glucagon por el p�ncreas. Por lo tanto, la concentraci�n de glucagon en la sangre disminuye, deja de haber una cantidad suficiente para activar a los receptores hep�ticos. La adenilil ciclasa del h�gado ya no es activada por el receptor de glucagon y el AMP c�clico pasa a AMP no c�clico por la acci�n de la fosfodiesterasa. Las subunidades "R" y "C" de la prote�na cinasa A se reasocian, con la subsecuente inhibici�n de su actividad. Las enzimas que hab�an sido fosforiladas, durante las cascada de amplificaci�n, son desfosforiladas por enzimas encargadas de quitarles el fosfato (prote�nas fosfatasas); regresando as� a su actividad basal. Todo este complejo proceso se lleva a cabo en segundos.

He mencionado arriba que las enzimas se fosforilan por prote�nas cinasas, y que tambi�n se desfosforilan por prote�nas fosfatasas. Este juego de las cinasas y las fosfatasas es el que determina, en un momento dado, el estado de fosforilaci�n de las enzimas clave o reguladoras de los procesos celulares. Es importante mencionar que, si bien el ciclo fosforilaci�n/desfosforilaci�n es quiz� el proceso de regulaci�n m�s importante de la c�lula, de ninguna manera es el �nico.

Veamos ahora la propagaci�n de la se�al intracelular por medio de otro sistema de trasducci�n: el del calcio-inositol trisfosfato (IP₃). Recordando lo que dec�amos anteriormente, en este sistema en particular el receptor activado por la hormona estimula a una fosfolipasa C a trav�s de prote�nas de la familia Gq. Esta fosfolipasa rompe el fosfatidilinositol bifosfato en dos productos: el inositol trisfosfato y el diacilglic�rido. El inositol trisfosfato, como lo ha descrito Berridge, act�a sobre el ret�culo endopl�smico de la c�lula, provocando la liberaci�n de calcio. El calcio, libre entonces, ejerce su acci�n corno segundo mensajero activando a una serie de prote�nas cinasas y a otras enzimas cuya acci�n depende de la concentraci�n de este ion. Luego, la cascada de amplificaci�n de la se�al se lleva a cabo por medio de la fosforilaci�n de enzimas, a semejanza de lo que describ� anteriormente para el AMP c�clico.

El calcio, libre tambi�n, puede actuar como segundo mensajero en la liberaci�n de glucosa por el h�gado. La hormona antidiur�tica, tambi�n llamada vasopresina, act�a b�sicamente a trav�s del sistema Ca++ e IP₃ en el h�gado. Supongamos ahora que dicha hormona ejerce su acci�n sobre el h�gado de nuestro oficinista; podr�amos describir el desencadenamiento de los eventos como sigue: la vasopresina se acoplar� a su receptor de membrana; �ste se activar�, estimulando a su vez a las prote�nas Gq, las que a su vez modular�n a la fosfolipasa C; de modo que �sta romper� al fosfatidilinositol bifosfato y se generar� el inositol trisfosfato; �ste, al actuar sobre sus receptores del ret�culo endopl�smico, provocar� un aumento del calcio libre en el citoplasma, el cual activar� la fosforilasa b cinasa que, a su vez, fosforilar� a la fosforilasa, la cual romper� al gluc�geno almacenando en la c�lula, liber�ndose as� m�ltiples mol�culas de glucosa.

Por otro lado, es importante se�alar que el diacilglic�rido, el otro producto de la hidr�lisis del fosfoinos�tido, activa en forma conjunta con el calcio a otra enzima: la prote�na cinasa C (descubierta por el japon�s Yasutomi Nishisuka). Esta prote�na colabora en el proceso de propagaci�n y amplificaci�n de la se�al hormonal, junto con las cinasas dependientes de calcio. En este mecanismo de acci�n (Ca++ e IP₃), al igual que en el del AMP c�clico, la se�al se transmite en segundos y se suspende tambi�n r�pidamente; el diacilglic�rido y el inositol trifosfato son atacados por enzimas, las cuales los convierten en compuestos inactivos.

Es necesario repetir que no s�lo existen las prote�nas cinasas A (activadas por el AMP c�clico) y C (activada por el diacilglicerol), sino que tambi�n existen, como ya mencionamos, las prote�nas cinasas que amplifican la se�al en las cascadas de propagaci�n intracelular y una creciente cantidad de otras cinasas activadas por diversos factores. Veremos m�s adelante que hay receptores con actividad de prote�na cinasa, otros con actividad de fosfatasa, y otros que generan segundos mensajeros como el GMP c�clico (que activa a la prote�na cinasa G). Tambi�n es necesario mencionar que existen diversas isoformas de las prote�nas cinasas a las que nos hemos referido. Dicha existencia nos hace preguntarnos �para qu� se molest� la naturaleza en fabricar una variedad de isoformas? Esto, casi en ning�n caso lo sabemos, pero s� se conoce que hay una expresi�n 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 investigaci�n abierto para los aventurados en estos terrenos.

Para tener una mayor visi�n de lo que ocurre dentro de la c�lula tambi�n resultar�n �tiles algunas consideraciones generales. Las enzimas que se encargan de quitar los fosfatos, es decir, las fosfatasas, han sido estudiadas con gran inter�s durante los �ltimos a�os. Se sabe que existen, por lo menos, cuatro tipos diferentes de fosfatasas, y que hay dos inhibidores naturales de su acci�n. En los casos de la insulina y de algunos factores de crecimiento, se ha observado que, al ejercer su acci�n, aumentan la fosforilaci�n de algunas prote�nas en la c�lula, pero disminuyen la de otras. Estos datos sugieren que si bien las hormonas activan algunas enzimas fosforilantes (cinasas) posiblemente tambi�n 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 regulaci�n de la s�ntesis y degradaci�n del gluc�geno; sus estudios indican que existe una gran interacci�n en la propagaci�n de las se�ales generadas por los diferentes sistemas de trausducci�n. En realidad, hemos separado los mecanismos de trausducci�n con fines de explicaci�n, pero dentro de la c�lula hay una gran relaci�n entre ellos. Esta interacci�n se lleva a cabo b�sicamente por fosforilaci�n y defosforilaci�n de las enzimas participantes.