Introducción. El desarrollo del conocimiento biológico es muy acelerado, acompañado

Introducción.
El desarrollo del conocimiento biológico es muy acelerado, acompañado
de un glosario que se hace cada vez más difícil para el clínico.
Editoriales de revistas médicas y quirúrgicas han recomendado
estudiar la biología moderna y ponerse en contacto con investigadores
a fin de comprender estos avances. Introducirse en la biología
molecular al nivel actual implica la comprensión de interrelaciones
moleculares y de complejos mecanismos, para entender el control
genético que regula el ciclo celular y las alteraciones que producen
las mutaciones de tales genes permitiendo una proliferación
descontrolada. Los avances extraordinarios de la biología en los
últimos años conforman un campo de gran interés para el clínico.
En los últimos 5 años se ha producido un desarrollo acentuado en el
conocimiento del fenómeno contrario a la proliferación y neoplasia,
cual es la "muerte celular programada" o apoptosis. Normalmente
existe un equilibrio entre la reproducción celular y la apoptosis a
fin de mantener la población adecuada al momento en que los tejidos
han llegado al estado adulto de desarrollo.
La división autosómica es permanente con excepción de algunos grupos
celulares, como las neuronas y cardiomiocitos. Durante el desarrollo
embriológico, la reproducción celular es mayor que la apoptosis,
aunque en ciertos momentos, la segunda predomina cuando deben
desaparecer tejidos como las membranas interdigitales, branquias,
elementos cloacales, etc. cuya persistencia forman alteraciones
congénitas. Fisiológicamente la apoptosis juega un rol importante en
las atresias, como sucede en la atresia folicular del ovario. La
división somática produce en forma constante miles de millones de
células nuevas y para mantener la homeostasis tisular debe
desaparecer alrededor de la mitad de ellas. Así mitosis y apoptosis
mantienen el equilibrio celular en los tejidos. Un autor ha señalado
en forma muy acertada, que la muerte del organismo humano es una
tragedia; pero la muerte permanente de la mitad de sus células es
esencial para su existencia.
La apoptosis es un fenómeno biológico fundamental, permanente ,
dinámico e interactivo. Existen mecanismos pro o anti apoptósicos,
regulados genéticamente, que actúan en forma activa (pues consumen
energía) y equilibrada. Como función necesaria para evitar la
sobreproducción celular era sospechada por los biólogos; pero es un
proceso ordenado y "silencioso" que no produce reacción tisular y por
ello difícil de captar. Recién en 1972, Kerr y col., estudiando
organelos en células neoplásicas, detectaron que muchas células
desaparecían en los cultivos. Esto llevó al estudio de imágenes
cinemáticas, que mostraron mediante microscopía electrónica las
alteraciones que sufre la célula en un proceso que es de corta
duración, demorando en tales cultivos menos de una hora.
La apoptosis puede estar frenada, en equilibrio o estimulada. Por
ejemplo, está frenada durante el desarrollo de espermatogonias, en
las criptas de las glándulas intestinales (que es un epitelio de
crecimiento rápido) y durante la lactancia en su período
preparatorio, en que el tejido mamario aumenta su masa celular. Está
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en equilibrio respecto de la mitosis en los tejidos adultos sanos. Se
ha observado en epitelios adultos normales del hígado, mama, corteza
suprarrenal y tubo digestivo. Es muy significativo su rol
homeostático en la médula ósea, donde debe destruir en forma
permanente, la mitad de una inmensa cantidad de células que solo en
leucocitos significa 5 x 10 elevado a 11, cada 24 Hrs. Está
estimulada cuando existen células envejecidas, mutadas neoplásicas o
no neoplásicas, alteradas por tóxicos y las que están en proceso de
metamorfosis o atresia. Se ha estudiado esta condición en neutrófilos
envejecidos, en megacariocitos con citoplasma agotado por producción
excesiva de plaquetas, en la atresia folicular del ovario, en
folículos pilosos en evolución y en la mama durante la involución
post−lactancia.
Apoptosis.
Dos formas de muerte celular son habituales en el organismo: necrosis
y apoptosis. Las características morfológicas de ambas, permiten, en
la mayoría de los tejidos establecer claras diferencias.
En la necrosis se observan numerosas células vecinas sometidas a este
proceso, cubriendo una extensión variable con desintegración. La
destrucción de la membrana celular permite el escape al exterior de
elementos tóxicos que provocan un proceso inflamatorio que tendrá
efecto nocivo en el organismo, según la extensión del proceso. El
material cromatínico sufre una dispersión irregular. Las causas son
agentes tóxicos, traumáticos e hipóxicos; siempre patológicos.
En la apoptosis el proceso afecta a determinadas células, no
necesariamente contiguas y no a todas en un área tisular. La membrana
celular no se destruye, lo que impide el escape al espacio
extracelular de su contenido , resultando un proceso "silencioso",
sin inflamación. En el citoplasma se produce granulación fina, con
conservación de algunos organelos, en especial las mitocondrias que
tienen un rol interactivo importante. A nivel nuclear la cromatina se
condensa agrupada en varios sectores formando cuerpos apoptósicos. La
membrana celular se recoge sobre las eminencias globuliformes que
forman los elementos deteriorados del citoplasma y núcleo.
Finalmente, fagocitos captan la célula en su totalidad impidiendo en
una acción impecable, que se produzca alarma en el resto del tejido.
Se ha demostrado, al menos en tejidos epiteliales, que si algo de
material apoptósicos escapa a la acción de los fagocitos, es captado
por células vecinas. La participación de células vecinas en este
proceso se manifiesta además por la capacidad de éstas de enviar
señales moleculares a la célula que debe morir, como mecanismo
complementario al que desarrolla la célula misma cuando se determina
molecularmente su autodestrucción. El proceso de apoptosis demora
entre 30 y 60 minutos en células en cultivo. Uno de los más lentos se
produce en células hepáticas empleando como promedio 3 horas.
El estudio e identificación específica de cuerpos apoptósicos se ha
logrado con tinciones derivadas de la uridina ( aparece en
publicaciones en inglés con el nombre de TUNEL en que la U
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corresponde a uridina). Sin embargo, en algunas células como las
neuronas, la uridina tiñe también tejidos necróticos perdiendo la
especificidad. En tales casos se recurre a anticuerpos monoclonales
capaces de reconocer fragmentos de ADN integrados en los cuerpos
apoptósicos. La imagen que da la apoptosis al microscopio electrónico
se caracteriza por la presencia de fragmentos de cromatina agrupados
en conglomerados globuliformes, la granulación fina del contenido
citoplasmático, la persistencia de algunos organelos hasta el final
del proceso, como las mitocondrias y la integridad de la membrana
celular.
Dado que la apoptosis actúa como oponente a la mitosis, es muy
importante su relación con el ciclo celular. En el ciclo celular hay
cuatro fases: mitosis, fase de control celular G1, síntesis de ADN y
fase de control G2. La apoptosis puede iniciarse en el tercio final
de G1 para impedir que una célula dañada ingrese a la fase de
síntesis de manera que las mutaciones no se reproduzcan durante la
réplica del ADN ingresando así a la especie y en la fase G2 para
impedir que las células que no hayan llegado a la madurez entren en
mitosis.
Los motores del ciclo celular son complejos proteicos, formados por
subunidades llamadas ciclinas y kinasas ciclino dependientes,
sintetizados por genes específicos. La síntesis de estos complejos es
constante porque son inestables. De ahí que el nivel de ellos varía
de acuerdo al momento evolutivo de la fase a que están asignados. Así
en el avance de la fase G1 a la de síntesis actúa la ciclina D
asociada a las kinasas ciclinodependientes 2, 4 y 6 (cdk 2 4 6). En
la segunda mitad del G 1 aumenta la presencia de ciclina E con la
kinasa ciclinodependiente 2. En la fase de síntesis actúa la ciclina
A con cdk 2 y en la fase G2, la ciclina B con cdk 2. En la fase G1 se
han podido determinar dos puntos importantes: G o (en la mitad de la
fase) donde el ciclo puede detenerse, la célula bloquea su
crecimiento; pero se mantiene metabólicamente activa y un punto de
restricción (en unión de los 2/3 con 1/3 final de esta fase) en que
se puede detener el ciclo para corregir defectos celulares (en
especial de su ADN), lo que si no se consigue induce el mecanismo de
muerte celular. En la fase G2 también existen elementos de detección
de inmadurez celular que inducen la apoptosis cuando la célula no
está capacitada para entrar en mitosis.
De esta manera, durante el ciclo celular se determina cuándo la
célula debe entrar en el proceso de autodestrucción o continuar el
ciclo y dividirse. Se ejerce así un balance entre mitosis y
apoptosis, regulando la población celular de cada tejido.
En el mecanismo molecular que controla la apoptosis actúan varios
agentes, de los cuales uno de los más importantes y mejor estudiados
es el complejo de cisteino−aspártico proteasas
denominadas "caspasas". Se han descrito 10 caspasas en células
humanas que provocan una degradación proteica bien definida hasta
llegar a la formación de cuerpos apoptósicos. Algunas caspasas
son "iniciadoras" y otras "efectoras" del proceso catalítico,
actuando sobre endonucleasas que son las responsables directas de la
fragmentación del ADN. La cadena de degradación proteica tiene
sucesivos clivajes dependientes de la ubicación del ácido aspártico
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que se repite en la estructura de la enzima. Se han descrito hasta 40
substratos en la catálisis, proceso que en células cultivadas demora
entre 30 y 40 minutos. La activación de las caspasas, que existen en
calidad de procaspasas inactivas, se produce por diversas vías en que
participan varios complejos moleculares.
La vía de "receptores transmembrana" establece conexiones con el
espacio extracelular, recibiendo señales proapoptósicas desde el
exterior y de las células vecinas. Dos familias de receptores se han
identificado con estas características: la " proteína compleja Fas" y
el factor de necrosis tumoral TNF (tumor necrosis factor).
La proteína transmembrana Fas en su porción intracelular enlaza con
un factor intermedio denominado FADD (factor associated death
domain), nombre que sólo señala que está comprometido con la zona de
la molécula Fas que participa en la muerte celular, activando las
caspasas 8 y 10. En cambio, si la parte interna de la molécula se
asocia a otro factor llamado DaXX, se activan proteinoquinasas que
conducen al efecto contrario; es decir, estimulan el ciclo celular y
la mitosis. Esta vía Fas permanece inactiva hasta que se produce en
su parte externa el enlace con un cofactor llamado Fas ligand,
proteína que actúa como detonador que enciende la vía, en que solo
las caspasas están inactivas y el resto de la cadena está preparado
para recibir el enlace exterior. Esta característica permite actuar
con gran rapidez sin necesidad de sintetizar otros factores .
Algo similar sucede con el otro "receptor de membrana" TNF. Su
porción intracelular conecta con complejos intermedios como el Tradd
(TNF receptor associated death domain) y Raidd (receptor associated
interleukine death domain) que activan caspasas "iniciadoras" de la
apoptosis. Pero si se asocian a otro complejo llamado Traf (TNF
receptor associated factor) activan proteinoquinasas y estimulan la
proliferación celular; es decir, el efecto contrario.
Las alternativas de una misma vía de actuar en pro o en contra de la
apoptosis se repite en otros mecanismos.
Otra vía importante es la vía llamada "ceramida" que es un
glucolípido sintetizado en el retículo plasmático y en las
mitocondrias, cuya mayor concentración se ubica junto a la porción
interna de la membrana plasmática. En el interior de la membrana
misma existe otro fosfolípido, la esfingomielina. Se ha podido
determinar que agentes externos como la radiación UV, agentes
oxidantes y el calor activan la esfingomielinasa ácida, que provoca
una reacción aún no bien conocida, sobre la esfingomielina,
aumentando la concentración de ceramida. Las vias Fas y TNF también
tienen una acción activadora sobre la ceramida. La ceramida actúa
sobre las mitocondrias que tienen un doble rol en la apoptosis, como
veremos enseguida.
Las mitocondrias, que son el último organelo que desaparece en el
proceso de apoptosis, al ser fagocitado con los restos de la célula,
ejercen un rol pro y antiapoptósico fundamental.
La ceramida puede ser activada por factores externos a través de
receptores de membrana y directamente por glucocorticoides. Además
las alteraciones no corregidas del ADN (en especial mutaciones
cancerígenas) activan una proteína sintetizada por el gen p 53, que
provoca apoptosis a través de la activación de la ceramida.
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La ceramida provoca cambios iónicos entre la matriz de la mitocondria
y el citosol del citoplasma, que producen un descenso del potencial
transmembrana con aumento de la permeabilidad de su membrana interna,
permitiendo el escape de citocromo C y de un factor inductor de
apoptosis AIF (cuya estructura no se conoce bien), que estimulan a
las caspasas 8 y 10 e indirectamente a la 3 y 9, conduciendo a la
apoptosis.
El factor frenador de la apoptosis más importante que se conoce hasta
hoy es la familia de proteínas sintetizadas por el gen bcl 2 y
similares. Es interesante anotar que la familia de proteínas bcl se
sintetiza justamente en la membrana de la mitocondria, apareciendo
este organelo jugando un rol pro a antiapoptósico, ya que tales
proteínas disminuyen la permeabilidad de la membrana hasta bloquear
el escape de citocromo C y AIF. El bcl 2 es homólogo del proto−
oncogen responsable del linfoma folicular humano.
Los factores proteicos del bcl 2 se producen entre ambas membranas de
la mitocondria. Los elementos sintetizados por este gen son: el Bcl
2, el Bcl XL, el Bcl W y el BRAG. De estos, el BCL XL ha sido
cristalizado, lo que permite un mejor estudio de su estructura y
acción. Estos factores son antiapoptósicos; pero mediante
fosforilación originan proteínas con acción proapoptósica y son: el
Bax, Bak, Bad, y Bcl x 5, ya que producen una caída del potencial
transmembrana favoreciendo la liberación de citocromo c y AIF. Además
actúan como activadores de las vías proapoptósicas Fas y TNF y de
algunas caspasas. Es otro ejemplo de reguladores pertenecientes a una
misma familia de proteínas que actúan como pro o antiapoptósicos.
La apoptósis es una función biológica muy importante en la patogenia
de varias enfermedades estudiadas hasta el momento. Podemos destacar
el cáncer, malformaciones, trastornos metabólicos, neuropatías,
lesiones miocárdicas y trastornos del sistema inmunitario.
Respecto del cáncer, el factor biológico más importante
antineoplásico parece ser la proteína 53 sintetizada por el gen
humano p53. Es una fosfoproteína proapoptósica que se activa ente la
presencia de mutaciones del ADN, actuando en la fase G1 del ciclo
celular. Controla la reparación de lesiones del ADN efectuado por
polimerasas específicas, (contribuye a frenar el ciclo en tales
circunstancias) y es capaz de detectar células neoplásicas agresivas
frenando su capacidad de producir angiogénesis para facilitar las
metástasis. La p 53 se agota rápidamente por lo que debe ser
sintetizada en forma constante. Su rol es frenar el ciclo destruyendo
células mediante la apoptosis antes de llegar a la etapa de síntesis
a fin de impedir que se repliquen mutaciones carcinogenéticas, que
producirán nuevas cepas tumorales cada vez más agresivas.
Otro aspecto de importancia clínica es la relación entre apoptosis y
neuropatías. En el desarrollo del sistema nervioso, las neuronas se
generan a partir de células precursoras que una vez diferenciadas no
se dividen más. Antes de emitir dendritas y axones, las neuronas
inmaduras o las precursoras emigran desde el lugar de nacimiento en
busca de la localización definitiva usando como camino el sistema
glial. Esta migración tiene, además, como objetivo lograr las
conexiones interneuronales correctas. Si ello no se efectúa la
neurona no recibe la acción de factores de crecimiento secretados por
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la célula receptora a que pertenece el axón conectado y la célula que
hizo la conexión equivocada muere por apoptosis. Cualitativamente, en
estudios realizados en la formación de la vía óptica en la rata, por
oligodendrocitos que milienizan axones, mueren por apoptosis
alrededor del 50 % de ellos debido a conexiones erróneas. De esta
manera contribuye la apoptosis en el desarrollo correcto del sistema
nervioso.
Otro hecho de importancia observado recientemente es el rol que
juegan la isquemia e hipoxia. En zonas periféricas de infartos
cerebrales se han observado células en apoptosis con fragmentación de
la cromatina y sobreexpresión de caspasas.
En enfermedades neurodegenerativas se ha observado apoptosis en
biopsias de pacientes con Alzheimer, Huntington y Parkinson,
fallecidos por otra causa. La apoptosis en la Enfermedad de Alzheimer
no es sistematizada, sino difusa, que coincide con el polímorfismo de
la lesión. Cotman en 1998 ha detectado que el Alzheimer muestra mayor
número de células apoptósicas, especialmente en neuronas del
hipocampo. Se ha postulado que estas lesiones puedan deberse a un
descontrol genético de la apoptosis. El bloqueo de caspasas para
frenar la apoptosis abre nuevos campos terapéuticos en enfermedades
neurodegenerativas.
En cardiopatías, James en 1998 ha planteado que la apoptosis es
importante en la destrucción exagerada de células durante el
desarrollo del sistema excitoconductor produciendo trastornos como la
bradicardia sinusal, arritmias graves y síndrome Q−T prolongado, en
niños. Trastornos de oxigenación producen además de necrosis, cierta
cantidad de apoptosis en partes periféricas de la zona dañada.
En infartos recientes se ha encontrado sobre expresión de B cl 2 .En
infartos antiguos, con células en apoptosis, se ha detectado
presencia de Bax (que ya vimos, es una proteína proapoptósica de la
familia del bcl 2 fosforilada). Dos autores sugieren que la
insuficiencia cardíaca postinfarto sea debida en gran medida a la
pérdida de cardiocitos por apoptosis.
Universidad del Valle de México
Neurociencias 1
Prof. Carlos Barraza Cedillo
Bibliografía
2.− Ann. Rev. Physiol, 1988; vol 60:
1) pag. 525−553. Thompson E. B. : Special Topic Apoptosis.
2) Pag 532−573. Kidd V. J.: Proteolityc Activities that Mediate
Apoptosis.
3) pag. 601−617. King K. L., Cidlowsky S. A. : Cell Cycle Regulation
and Apoptosis.
4) Pag. 619−642. Kroenser G. Y Col.: The Mithochondrial Death−Life
Regulator in Apoptosis and Necrosis.
5) Pag. 643−665. Kolesnick R. N. , Krönke M. Regulation of Ceramide
Production and Apoptosis.
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Comentarios:
La apoptosis, es un tema apasionante y de actualidad. Lo
extraordinario es que demuestra como la vida, a nivel celular depende
de un proceso de muerte. Si no existiera la apoptosis, habría órganos
como el timo que alcanzaría proporciones gigantescas, incompatibles
con la vida. Por otra parte, la ausencia de apoptosis es una
característica de las poblaciones cancerosas.
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