Apoptosis
Definición de apoptosis
La apoptosis es un proceso que ocurre en el multicelular cuando una célula «decide» morir intencionalmente. Esto a menudo ocurre por el bien de todo el organismo, como cuando el ADN de la célula se ha dañado y puede volverse canceroso.
La apoptosis se conoce como muerte celular «programada» porque ocurre debido a instrucciones bioquímicas en el ADN de la célula; esto se opone al proceso de “necrosis”, cuando una célula muere debido a un trauma externo o privación.
Como muchos otros procesos celulares complejos, la apoptosis se desencadena por moléculas de señal que le dicen a la célula que es hora de cometer un «suicidio» celular.
Los dos tipos principales de vías de apoptosis son las «vías intrínsecas», donde una célula recibe una señal para destruirse a sí misma de uno de sus propios genes o proteínas debido a la detección de daño en el ADN; y «vías extrínsecas», donde una célula recibe una señal para iniciar la apoptosis de otras células del organismo. La vía extrínseca puede desencadenarse cuando el organismo reconoce que una célula ha dejado de ser útil o ya no es una buena inversión para que el organismo la mantenga.
La apoptosis juega un papel en causar y prevenir algunos procesos médicos importantes. En los seres humanos, la apoptosis juega un papel importante en la prevención del cáncer al hacer que las células con ADN dañado se «suiciden» antes de que se vuelvan cancerosas. También juega un papel en la atrofia de los músculos, donde el cuerpo decide que ya no es una buena idea gastar calorías en el mantenimiento de las células musculares si las células no se utilizan con regularidad.
Debido a que la apoptosis puede prevenir el cáncer, y debido a que los problemas de apoptosis pueden conducir a algunas enfermedades, los científicos han estudiado la apoptosis intensamente desde la década de 1990.
Función de la apoptosis
La apoptosis es una adaptación evolutiva importante porque permite a los organismos destruir sus propias células. A primera vista, puede parecer una idea terrible. ¿Por qué destruirías parte de ti mismo?
Bueno, tal vez si esa parte de ti se hubiera vuelto peligrosa para el resto, como en el caso de las células con ADN dañado que podrían volverse cancerosas. La apoptosis es una de las principales causas de muerte de células precancerosas, y las personas con mutaciones que impiden que la apoptosis funcione correctamente tienen muchas más probabilidades de desarrollar cáncer.
Los organismos multicelulares también pueden desear perder células que ya no son útiles para el organismo. Compartiremos algunos ejemplos realmente espectaculares de cuando la muerte celular es algo bueno a continuación.
Ejemplos de apoptosis
De renacuajo a rana
Un ejemplo espectacular de esto se encuentra en los renacuajos de rana, que destruyen y reabsorben estructuras corporales enteras a medida que se transforman en ranas.
A las células de las branquias, aletas y cola de los renacuajos se les “dice” que mueran mediante señales de apoptosis a medida que el renacuajo madura. Las materias primas de estas células disfrazadas se convierten en materiales de construcción y alimento para sus nuevas extremidades en crecimiento.
Desarrollo del sistema nervioso humano
Durante el desarrollo temprano del sistema nervioso humano, una gran cantidad de células mueren por apoptosis. ¿Por qué debería ser así?
La verdad es que los científicos no están del todo seguros de por qué ocurre tanta muerte celular programada en el sistema nervioso en desarrollo. Algunos piensan que se debe a que formar las conexiones correctas es un proceso complejo y potencialmente difícil para las neuronas jóvenes; y porque la máxima eficiencia del sistema nervioso es definitivamente lo mejor para el organismo.
Los nervios requieren grandes cantidades de energía para funcionar; de hecho, ¡el sistema nervioso consume alrededor del 20-25% de todas las calorías consumidas en el cuerpo humano!
Las neuronas también tienen que encontrar su camino hacia objetivos muy precisos. Al principio del desarrollo, las neuronas crecen a partir de “padres” de células madre que se dividen con furia y siguen señales químicas para tratar de encontrar las células diana correctas con las que conectarse. Deben formarse conexiones entre el cerebro y la piel, entre el cerebro y los músculos, entre las neuronas del cerebro y las células de los bastones y los conos de la retina, etc.
Para crear esta focalización increíblemente compleja, el sistema nervioso en desarrollo simplemente produce demasiadas células. Aquellos que se conectan de manera eficiente con los objetivos correctos se utilizan con frecuencia y se conservan. Pero aquellos que no hacen contacto de manera eficiente y no se usan con frecuencia mueren por apoptosis.
Puede ser que esta teoría sobre por qué mueren las neuronas durante el desarrollo sea correcta; También puede ser que los científicos hagan descubrimientos importantes con los que aún no hemos soñado y que expliquen por qué hay tanta apoptosis en el sistema nervioso en desarrollo. ¡Ciertamente se necesita más investigación!
Pies de ratón
Durante el desarrollo embrionario, las patas de los ratones comienzan como cosas planas con forma de pala. A medida que avanza el desarrollo, los pies se separan en cinco dedos distintos por el proceso de, lo adivinaste, ¡apoptosis! Las células que conectan los dedos de los pies mueren para crear espacios distintos entre ellas.
Este es un ejemplo de cómo se puede utilizar la muerte celular programada para dar forma a estructuras útiles y crear características útiles, además de eliminar las innecesarias.
Apoptosis y cáncer
Una función principal de la apoptosis es destruir células que son peligrosas para el resto del organismo. Una razón común para la apoptosis es cuando una célula reconoce que su ADN está muy dañado. En estos casos, el daño del ADN desencadena las vías de apoptosis, lo que garantiza que la célula no se convierta en un cáncer maligno.
Sin embargo, es evidente que este proceso a veces falla. Todos los casos de cáncer son presumiblemente casos en los que una célula dañada no cometió apoptosis, sino que siguió desarrollándose a sí misma.
Es posible que la apoptosis no pueda ocurrir si los genes esenciales necesarios para ella se encuentran entre los que están dañados. Sin embargo, algunos médicos y científicos han estado estudiando la apoptosis intensamente con la esperanza de poder aprender a desencadenarla específicamente en las células cancerosas mediante el uso de nuevos medicamentos u otras terapias.
Al igual que con todos los medicamentos diseñados para matar las células cancerosas, el desafío con los medicamentos diseñados para inducir la apoptosis es garantizar que estos medicamentos solo afecten a las células cancerosas. Un medicamento que hace que las células sanas y las cancerosas cometan una muerte celular programada podría ser muy peligroso.
La imagen también puede no ser tan simple como «el cáncer ocurre cuando falla la apoptosis». La investigación ha sugerido que algunos cánceres pueden surgir en poblaciones de células donde la apoptosis ocurre más fácilmente de lo que debería; posiblemente estas células se hayan visto obligadas a «aprender» a ignorar las señales de apoptosis demasiado entusiastas y, posteriormente, no cometan apoptosis incluso cuando han sufrido daños graves.
Otra investigación ha revelado que las células cancerosas que mueren debido a los efectos de los medicamentos a menudo mueren por apoptosis, lo que sugiere que los cánceres que son especialmente resistentes a la apoptosis también pueden ser especialmente resistentes al tratamiento.
Se necesita mucha más investigación sobre el tema del tratamiento del cáncer, y comprender las vías de la apoptosis es una vía extremadamente prometedora para lograr nuevos avances.
Vía de la apoptosis
Hay dos tipos principales de vías de apoptosis, cada una de las cuales ilustra un punto importante sobre cómo se desencadena la apoptosis y por qué es útil.
Ambas vías principales se ilustran en el gráfico siguiente. Los pasos se analizan con más detalle en las siguientes listas:
Vía extrínseca
En la vía «extrínseca» hacia la apoptosis, se recibe una señal desde el exterior de la célula indicándole que cometa la muerte celular programada. Esto puede ocurrir si la célula ya no es necesaria o si está enferma.
Como muchas vías para producir cambios complejos en una célula, la vía extrínseca a la apoptosis implica muchos pasos, cada uno de los cuales puede ser «regulado por aumento» o «regulado por disminución» por la expresión génica o por otras moléculas:
Paso 1:
Como la mayoría de las señales entre células, la vía extrínseca de la apoptosis comienza con una molécula de señal que se une a un receptor en el exterior de la membrana celular.
Dos tipos comunes de mensajeros químicos que desencadenan la vía extrínseca a la apoptosis son FAS y TRAIL. Estas moléculas pueden ser excretadas por células vecinas si una célula está dañada o ya no es necesaria.
Los receptores que se unen a FAS y TRAIL se denominan «FASR» para «Receptor FAS» o «TRAILR» para «TRAIL Receptor».
Como ocurre con la mayoría de las proteínas receptoras, cuando FASR y TRAILR se encuentran con su molécula señal, a veces llamada » ligando «, se unen a ella.
El proceso de unión provoca cambios en el dominio intracelular del receptor.
Paso 2:
En respuesta a los cambios en el dominio intracelular de TRAILR o FASR, también cambia una proteína dentro de la célula llamada FADD.
El nombre de FADD es divertido o aterrador: significa proteína “Dominio de la muerte asociado a FAS”.
Una vez que la FADD ha sido activada por cambios en el receptor, interactúa con dos proteínas adicionales, que continúan para iniciar el proceso de muerte celular.
Paso 3:
La pro-caspasa-8 y la pro-caspasa-10 son proteínas inactivas hasta que interactúan con un FADD activado. Pero si dos de estas moléculas encuentran un FADD activado, las partes de las proteínas que las mantienen inactivas se «escinden» o «cortan».
Las pro-caspasas luego se convierten en caspasa-8 y caspasa-10, a las que los científicos se han referido románticamente como «el principio del fin» debido a su papel en el inicio de la apoptosis.
Las caspasas-8 y -10 se dispersan a través del citoplasma y desencadenan cambios en varias otras moléculas en toda la célula, incluidos los mensajeros que inician la descomposición del ADN después de ser activadas por las caspasas.
Etapa 4:
Otra molécula inactiva llamada BID se transforma en tBID cuando las caspasas activadas escinden la parte de BID que mantiene inactiva la molécula.
Después de que BID se transforma en tBID, tBID se mueve a las mitocondrias. tBID activa las moléculas BAX y BAK.
La activación de BAX y BAK son los primeros pasos compartidos por las vías extrínseca e intrínseca de la apoptosis.
Los pasos 1-4 enumerados aquí son exclusivos de la vía extrínseca. Pero una vez que se activan BAX y BAK, los pasos siguientes son los mismos entre ambas vías.
Como tal, los pasos 3-7 de la vía intrínseca, que se enumeran a continuación, también son los pasos 5-9 de la vía extrínseca.
Camino intrínseco
Paso 1:
La vía intrínseca a la apoptosis se desencadena por estrés o daño a la célula. Los tipos de estrés y daño que pueden llevar a la célula a la apoptosis incluyen daño a su ADN, falta de oxígeno y otros tipos de estrés que afectan la capacidad de la célula para funcionar.
En respuesta a estos daños o tensiones, la célula «decide» que su existencia continuada podría ser peligrosa o costosa para el organismo en su conjunto. Luego activa un conjunto de proteínas llamadas «proteínas solo BH3».
Paso 2:
Las proteínas solo BH3 son una clase de proteínas que incluye varias proteínas pro y anti-apoptosis. La apoptosis se puede estimular o desalentar, dependiendo de qué proteínas solo BH3 se activen o expresen.
Las proteínas proapoptóticas solo de BH3 activan BAX y BAK, las mismas proteínas que son activadas por tBID después de que se crea a través de la vía extrínseca hacia la apoptosis.
Paso 3:
BAX y BAK activados causan una condición conocida como «MOMP». MOMP significa «permeabilidad de la membrana externa mitocondrial».
MOMP se considera el «punto sin retorno» de la apoptosis. Los pasos que conducen a MOMP pueden detenerse en seco mediante moléculas inhibidoras, pero una vez que se ha logrado MOMP, la célula completará el proceso de muerte.
MOMP juega un papel clave en la apoptosis al permitir la liberación de citocromo C en el citoplasma.
Etapa 4:
En circunstancias normales, el citocromo C juega un papel clave en la cadena de transporte de electrones mitocondrial. Sin embargo, durante la MOMP, el citocromo C puede escapar de las mitocondrias y actuar como una molécula de señalización en el citoplasma celular.
El citocromo C en el citoplasma celular provoca la formación del “apoptosoma” de sonido ominoso, un complejo de proteínas que realiza el paso final para comenzar la degradación celular.
Paso 5:
El apoptosoma, una vez formado, convierte la pro-caspasa-9 en caspasa-9.
Al igual que con la activación de las caspasas-8 y -10 en la vía extrínseca a la apoptosis, la caspasa-9 puede desencadenar cambios adicionales en toda la célula.
Paso 6:
Caspasa-9 realiza varias funciones para promover la apoptosis. Entre los más importantes se encuentra la activación de las caspasas-3 y -7.
Paso 7:
Una vez activadas, las caspasas-3 y -7 comienzan la descomposición de los materiales celulares. La caspasa-3 se condensa y descompone el ADN de la célula.
¿Cuándo ocurre la apoptosis?
La apoptosis ocurre cuando la existencia de una célula ya no es útil para el organismo. Esto puede ocurrir por varias razones.
Si una célula está muy estresada o dañada, puede sufrir apoptosis para evitar volverse peligrosa para el organismo en su conjunto. Las células con daño en el ADN, por ejemplo, pueden volverse cancerosas, por lo que es mejor que cometan apoptosis antes de que eso suceda.
Otras tensiones celulares, como la privación de oxígeno, también pueden hacer que una célula «decida» que es peligrosa o costosa para el huésped. Las células que no pueden funcionar correctamente pueden iniciar la apoptosis, al igual que las células que han sufrido daños en el ADN.
En un tercer escenario, las células pueden sufrir apoptosis porque el organismo ya no las necesita debido a su desarrollo natural.
Un ejemplo famoso es el del renacuajo, cuyas branquias, aletas y células de la cola cometen apoptosis cuando el renacuajo se metamorfosea en una rana. Estas estructuras son necesarias cuando el renacuajo vive en el agua, pero se vuelven costosas y dañinas cuando se traslada a tierra firme.
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