La superficie celular.
Es muy raro que una
célula esté rodeada sólo de una membrana plasmática. La mayoría
de las células tiene una pared que se forma justo por debajo de la
membrana.
La matriz
extracelular que rodea a las células de los organismos
pluricelulares, realiza funciones como sostener, realizar uniones
entre células o actúa como barrera de defensa.
¿Cómo se conectan
y comunican las células adyacentes?
La célula es un
ente social.
Los organismos
unicelulares viven en habitats junto a otros organismos unicelulares
y forman un ecosistema.
Las 500 especies de
bacterias que viven en tu boca compiten entre sí por el espacio y
los nutrientes.
Cuando las bacterias
cooperan entre ellas secretan una capa orgánica que recubre a la
célula y la une a superficies, se crea el sarro.
La Pseudomona
aeruginosa secreta una película orgánica que tiene moléculas
señal para reclutar a otras P. aeruginosa, todas se unen y se
establecen en la superficie del pulmón y todas juntas secretan
colectivamente una película que las protege tento del sistema inmune
como de los antibióticos.
Los contactos
físicos entre células son la base de la pluricelularidad.
En organismos
pluricelulares las células se unen entre sí mediante modificaciones
de sus membranas: LAS UNIONES INTERCELULARES.
- Tipos por su extensión.
- Zónula: todo el contorno de la célula, normalmente en el polo apical. Ejemplo: células de epitelio intestinal (enterocitos)
- Mácula: Unión puntual que afecta a una zona concreta de la membrana plasmática. Ejemplo: células epidérmicas de estrato prismático.
- Fascia: intermedias. Ejemplo: células musculares cardiacas.
- Tipos según estructura y función:
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COMUNICANTES |
ESTRECHAS |
ADHERENTES O DESMOSOMAS |
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ESPACIO
INTERCELULAR |
30nm
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Hermética
o íntima, tipo zónula
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25
a 40 nm
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COMUNICA
POR |
Hendidura,
gap,
poro.
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Cremallera
mediante prot transmb:JAM
claudina,
ocludina
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desmosomas
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MEDIANTE |
Conexones
9,5 nm
6
moléculas de conexina, canal acuoso de 2 nm
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Zónula-ocludens:
ZO-actina.
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Proteína
transmembrana célula-célula: cadherina
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Proteína
transmembrana célula-matriz: integrina
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Proteínas
de unión entre proteínas transmembrana y citoesqueleto
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PERMITEN
EL PASO DE
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Moléculas
grandes
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Células
del sistema inmunológico
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Moléculas
de bajo peso molecular.
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FUNCIÓN |
Cooperación
metabólica, sincronización, sinapsis.
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Crear
filtros, impedir la difusión.
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Soportar
tensiones, comunicar, nutrir y dar unidad estructural.
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INHIBICIÓN |
Cuando
se cierra el canal acuoso.
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Apertura
ZO-actina
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no
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no
|
no
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EJEMPLO |
Células
musculares lisas del miometrio del útero.
Neuronas
contiguas.
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Endotelio,
enterocitos, hepatocitos.
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Células
del epitelio de intestino delgado
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Célula
epitelial y su lámina basal del tejido de sostén
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Células
epiteliales, bajo los desmosomas en banda
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Los
complejos de unión se clasifican según su forma,
las moléculas de adhesión que los componen, los elementos a los que
se unen y sus interacciones con el citoesqueleto. La primera
vez que se observaron fue con el microscopio electrónico y se
clasificaron morfológicamente, pero fueron las técnicas de biología
molecular las que permitieron desentrañar sus estructuras
moleculares.
1. Uniones estrechas
Figura
1. Esquema de las uniones estrechas de las células epiteliales del
digestivo. La estructura molecular parece ser similar en los
distintos tipos de epitelios. (Modificado de Niessen 2007).
Las uniones
estrechas o zonula occludens (Figura 1) se encuentran en
diferentes tipos celulares, como en las partes apicales de los
epitelios, en los endotelios del sistema nervioso, en los
hepatocitos, y en el tejido muscular cardiaco. Establecen uniones
tan fuertes y estrechas entre
las células contiguas que prácticamente no dejan espacio
intercelular entre sus membranas plasmáticas.
En
el caso de las células epiteliales forman una
especie de cinturón que rodea todo el perímetro
celular. Además de mantener cohesionadas fuertemente a las células
realizan otras dos funciones. En los epitelios, por ejemplo en el
epitelio digestivo, impiden la difusión
intercelular de moléculas evitando que las sustancias
del interior del tubo digestivo penetren en el organismo por los
espacios intercelulares. Esto obliga a las sustancias a ser captadas
selectivamente por parte de las células epiteliales, donde son
transformadas y liberadas al torrente sanguíneo. Pero, además, las
uniones estrechas permiten la polaridadde
las células epiteliales puesto que impiden la difusión lateral de
moléculas insertas en sus membranas celulares, incluidos lípidos.
Es decir, actúan como una barrera física a la difusión lateral de
las moléculas de la membrana plasmática. Con ello se consigue una
zona o dominio apical con un juego de moléculas distinto al que hay
en el domino latero-basal de la célula epitelial. Esta separación
es importante para establecer un camino de captación y liberación
de sustancias desde el exterior hacia el interior.
En
los capilares del sistema nervioso central las
células endoteliales están
unidas por uniones estrechas que contribuyen a establecer la barrera
hematoencefálica, la cual es un filtro importante para las moléculas
que tienen intercambiarse entre la sangre y las neuronas y glía
Las
uniones estrechas están formadas por más de 40 proteínas
diferentes. La moléculas transmembrana son la ocludina,
una familia de moléculas denominadas claudinas,
y las proteínas JAM (junctional
adhesion molecules).
Las claudinas parecen ser las más importantes en el establecimiento
de la unión de adhesión y en estas uniones forman unos poros que
dejan pasar ciertos iones por el espacio extracelular, no más de 1
nanometro de diámetro. Hay 20 tipos de claudinas, cada una de las
cuales forma uno poro extracelular distinto y así los epitelios
pueden modificar la selectividad de su permeabilidad intercelular
según el tipo de claudina que expresen. Las ocludinas no son
estrictamente necesarias para la formación de la unión estrecha,
pero si para mantener la estabilidad y la función de barrera. Las
proteínas JAM forman conexiones intercelulares, pero su función
parece ser más importante en la estabilización de el complejo de
unión. El dominio intracelular de estas moléculas interactúa con
otras moléculas denominadas ZO (zonula occludens), las cuales forman
un entramado que interacciona con los filamentos
de actinadel
citoesqueleto y con otras proteínas citosólicas que desencadenan
cascadas de señalización. Una observación interesante en algunos
tipos celulares es que las uniones estrechas parecen depender de la
presencia de uniones adherentes.
2. Uniones adherentes
Las uniones
adherentes o zonula adherens (zonula adherens) son
complejos de unión que se forman en las células
epiteliales y que se sitúan próximas y basales a las
uniones estrechas. Su misión es unir células vecinas. Son los
primeros complejos de unión que se forman durante el desarrollo de
los epitelios, aparecen antes que las uniones estrechas, por lo que
parecen actuar en procesos
morfogenéticos durante el desarrollo embrionario. Al
igual que las uniones estrechas forman una estructura a modo de
cinturón en todo el perímetro celular. Las E-cadherinas y
las nectinas son las moléculas
encargadas de realizar las conexiones célula-célula con su dominio
extracelular, mientras que al intracelular se unen moléculas como se
encuentran las β- y α-cateninas, la catenina p120 y la afadina.
Estas proteínas hacen de intermediarias entre las moléculas de
adhesión y los filamentos de actina del citoesqueleto. La β-catenina
puede desencadenar cambios en la expresión génica cuando se
desplazan hasta el núcleo.
Las
uniones adherentes se ensamblan de manera secuencial. Primero se
forman uniones mediadas por las nectinas, que forman enlaces
relativamente débiles, y luego reclutan a las cadherinas que son las
que establecen uniones más fuertes y estables. Pero además, parece
que la formación de las uniones adherentes posibilita la formación
de las uniones estrechas, al menos en algunos tipos celulares. Las
ocludinas, más su entramado intracelular de proteínas asociadas, se
ensamblarían a partir de las uniones adherentes, y parece que las
proteínas ZO tienen un papel relevante en este proceso.
Aunque
para mantener la integridad de los epitelios son necesarias las
uniones estrechas, uniones adherentes y desmosomas, sólo las uniones
adeherentes son necesarias para los movimientos
coordinados de células de poblaciones celulares dentro
de los epitelios, un fenómeno que es relativamente frecuente. Las
uniones célula-célula de esos complejos de unión permiten un
cableado que se extiende en la población celular y hacen que estas
células actúen de forma coordinada. Por ejemplo, para tapar una
herida en un epitelio.
3. Desmosomas
Los desmosomas
o macula adherens (Figura 2), al contrario que los dos
complejos de unión anteriores, establecen conexiones puntuales en
forma de disco entre células vecinas, como si fuesen remaches.
Son muy abundantes entre las
células epiteliales y entre las musculares, pero también en otros
tejidos como el nervioso. Las uniones entre células están mediadas
por moléculas del tipo cadherinas denominadas desmogleínas
y desmocolinas. El dominio intracelular de estas cadherinas
contacta con los filamentos
intermedios como las queratinas, gracias a proteínas
intermediarias.
Figura
2. Organización y composición de los desmosomas (modificado de
Huber 2003)4. Hemidesmosomas
Los hemidesmosomas
(Figura 3) y las uniones focales establecen uniones
fuertes entre las células y la matriz
extracelular. En ambos casos las uniones se establecen
por integrinas. Los hemidesmosomas
unen las células epiteliales a la lámina basal gracias al dominio
extracelular de la integrina, mientras que el dominio intracelular
contacta con los filamentos
intermedios citosólicos (Figura 4). Aunque los
hemidesmosomas parecen desmosomas sin una de sus mitades,
molecularmente son diferentes. Las uniones focales unen a las células
con diversos tipos de matrices extracelulares gracias a otro tipo de
integrinas que en su dominio intracelular contacta con los filamentos
de actina.
Figura
3. Esquema un hemidesmosma localizado en la base de un epitelio de
mamífero. (Modificado de Hahn 2001)
Figura
4. Imágenes de microscopía electrónica de transmisión de la
epidermis mostrando desmosomas y hemidesmosomas.
Algunos
autores suelen colocar en este apartado de estructuras cohesivas
macromoleculares a las uniones en hendidura. Estas son uniones entre
células establecidas por unas moléculas denominadas conexinas. Sin
embargo, las uniones en hendidura no tienen como principal misión
cohesionar tejidos sino permitir la comunicación directa entre
citoplasmas de células vecinas, gracias a los canales que crean las
conexinas. Por tanto, veremos estas estructuras cuando hablemos de la
comunicación celular.
Comunicación
célula
Las
uniones en hendidura, o mejor denominadas como uniones
intercelulares, son complejos moleculares a modocanales que
se disponen en las membranas plasmáticas de células contiguas y que
permiten la comunicación directa entre
los citoplasmas de dichas células. Virtualmente todas
las células de tejidos sólidos animales, aparte de por otros
mecanismos, se pueden comunicar con sus vecinas mediante uniones en
hendidura. Aunque estas uniones se explican tradicionalmente en el
apartado de los complejos de unión, los cuales tienen una misión de
adhesión, debería estudiarse junto con los mecanismos de
comunicación celular, pues ésta es su principal misión. Fueron
descubiertas en la década de los 60 del siglo XX con inyecciones de
colorantes, los cuales se inyectaban en el interior de una célula y
más tarde se podían observar en el interior de otras células
contiguas. Cosa que sólo podría explicarse por una comunicación
directa entre sus citoplasmas.
1. Morfología y estructura
En
las imágenes de microscopía electrónica de transmisión las
uniones en hendidura aparecen como segmentos
rectos formados por dos membranas plasmáticas de células
contiguas, donde el espacio intercelular está tan obliterado que no
se puede observar a no ser a grandes aumentos. Este espacio
intercelular varía entre 2 y 4 nm.
Sin embargo, tridimensionalmente son como manchas
o placas un tanto irregulares localizadas en la membrana
plasmática, cuyo tamaño y forma dependen del tipo celular y del
estado fisiológico en que se encuentre. Por ejemplo, en las células
hepáticas pueden medir 0.3 mm de diámetro.
Las
uniones en hendidura están formadas por proteínas transmembrana que
se asocian para formar canales. Estas proteínas se
denominan conexinas (Figura
1). Se han encontrado 21 genes que codifican para conexinas
diferentes en cordados. En humanos hay 21 genes para conexinas. 6
conexinas juntas forman un conexón o
hemicanal, el cual se situa en la membrana plasmática de una
célula alineado con otro hemicanal en la célula contigua, y juntos
forman un canal, de unos 1,5 nm de
diámetro, completo y continuo. El canal permite el paso de
sustancias de bajo peso molecular,
menos de 1000 a 1200 daltons, entre ambos citoplasmas, aunque en
insectos pueden ser mayores. Una zona de unión en hendidura está
formada por un número variable de canales, pero se han encontrado
hasta 10000 canales que implican a unas 120000 conexinas.
Figura
1. Síntesis, ensamblaje y formación de las uniones en hendidura.
Los citoplasmas amarillento y verdoso pertenecen a células contiguas
(modificado de Laird et al., 2015).Función
El
poro del canal permite el paso de sustancias como iones, azúcares
sencillos, segundos mensajeros como el AMPc o calcio, aminoácidos, o
pequeños ARNs, pero no proteínas, lípidos o moléculas largas de
ARN.
Las
uniones en hendidura, al permitir la libre difusión entre células
vecinas, hacen posible un acoplamiento
eléctrico y metabólico entre células vecinas. Por
ejemplo, hay acoplamiento entre neuronas que
permite sincronizar sus cambios en el potencial de membrana, además
de acelerar la transmisión nerviosa, puesto que evita el proceso de
liberación y transducción de neurotransmisores. Las uniones en
hendidura entre neuronas forman las denominadas sinapsis eléctricas.
Asimismo, las células gliales del
sistema nervioso forman una red de células conectadas por uniones en
hendidura. Las contracciones rítmicas del
músculo cardiaco, las del útero durante el parto, del músculo liso
del digestivo durante las contracciones peristálticas, o las de los
músculos del iris del ojo para acomodarse a diferentes intensidades
de luz, son una consecuencia del acoplamiento celular por uniones en
hendidura. Otras células no excitables, como los hepatocitos o las
células somáticas de los folículos ováricos están sincronizadas
metabólicamente por las uniones en hendidura. La
agregación plaquetaria que ocurre en las paredes de las arterias es
importante para sellar los vasos sanguíneos. Las uniones en
hendidura se forman entre las plaquetas adheridas a la pared arterial
comunicando el interior de las plaquetas y favoreciendo una mayor
adhesión entre ellas.
La permeabilidad de
las uniones en hendidura puede ser modulada por la célula, mediante
la expresión de diferentes tipos de conexinas. Esto depende del tipo
celular y del estado de diferenciación de la célula. Las
propiedades del hemicanal depende de las conexinas que lo formen,
pueden ser homoméricos (la
misma conexina) o heteroméricos(distintas
conexinas forman en mismo hemicanal), pero no todas las combinaciones
están permitidas. La mayoría de las células expresan al menos dos
tipos de conexinas. Además, los canales pueden ser homotípicos,
cuando los dos hemicanales que forman un canal son iguales,
heterotípicos, cuando son diferentes.
Los
hemicanales no están permanentemente abiertos sino que más o menos
aleatoriamente cambian entre abiertos y
cerrados. El porcentaje de tiempo que permanecen abiertos
depende de diversos factores como el pH interno, la concentración de
ciertos iones, por ejemplo una alta concentración de calcio
citosólica, o por señales externas como la dopamina en algunas
células de la retina. Prácticamente todos los hemicanales son
sensibles al voltaje la membrana. Estos tipos de regulación serían
a corto plazo o rápida. La
comunicación por uniones en hendidura también se puede regular a
largo plazo. Las placas de hemicanales que forman las uniones
en hendidura son muy plásticas: se
forman de nuevo, crecen, se dividen, se fusionan, decrecen y
desaparecen. La célula puede regular el número de hemicanales en la
membrana por procesos de endocitosis, retirándolos de la membrana, o
exocitosis, aportándolos a la membrana. Pero también se puede
controlar el ensamblado de los conexones o modificaciones
post-trasduccionales como la fosforilación de las conexinas. Se ha
comprobado que los nuevos hemicanales se añaden al borde de la placa
de la unión en hendidura y que los del centro son retirados. Hay un
reciclado continuo que lleva a una renovación completa de los
conexones de una placa en cuestión de horas.
Mutaciones en
los genes de las conexinas provocan hasta 14 enfermedades conocidas
tales como la sordera, dermatopías, cataratas, cardiomiopatías, y
varios tipos de cáncer. Estudiando casos patológicos se ha
encontrado que algunas células podrían usar los hemicanales para
otra actividad diferente a la de comunicación intercelular. Así, se
ha propuesto que los hemicanales podrían servir bajo ciertas
circunstancias para establecer una comunicación directa entre el
citosol y el medio extracelular.
Las panexinas son
unas proteínas transmembrana que se descubrieron en al año 2000. Se
han encontrado sólo tres panexinas: 1, 2 y 3. Aunque no muestran una
secuencia de aminoácidos homóloga a las conexinas, su estructura
tridimensional en la membrana es similar y también
forman hemicanales hexaméricos. La
panexina 1 se expresa en todos los tejidos, mientras que la panexina
2 parece restringirse al sistema nervioso central, y la 3 al hueso,
cartílago y piel. Estos hemicanales no sirven para comunicar con
otra células citoplasma-citplasma, puesto que no se alinean con
otros hemicanales de panexinas de células vecinas para formar
canales, sino que forman hemicanales
aislados en las membranas que comunican el citoplasma con
el espacio exterior. De esta manera la célula puede liberar
moléculas de bajo peso molecular como las purinas y que actuarían
de forma paracrina.
