Patología Celular
Diferentes tipos de muerte celular
Una de las primeras clasificaciones de la muerte celular viene de mano de Schweichel y Merker que identificaron tres tipos distintos de muerte celular:
- Tipo 1. Se manifiesta por condensación nuclear y picnosis, con reducción del volumen citoplasmático, con fragmentación celular tardía y fagocitosis.
- Tipo 2 o también llamada degeneración autofágica, se caracteriza por la vacuolización autofágica del citoplasma.
- Tipo 3 o muerte citoplasmática, se caracteriza por una desintegración general con pérdida de los organelos.
Leist y Jäättelä han propuesto un modelo descriptivo, en el cual se clasifica la muerte celular en 4 subclases según su morfología nuclear:
- La Apoptosis es definida por una cromatina condensada en figuras compactas, a menudo globulares o con forma de medialuna.
- Levemente diferente es la MCP (muerte celular programada) Apoptosis-símil, que se caracteriza por una cromatina condensada más laxamente.
- En contraste, la MCP (muerte celular programada) Necrosis-símil no presenta condensación de la cromatina, sino que su apariencia va desde una cromatina agrupada a una con gránulos laxos.
- Por último, la Necrosis se caracteriza por el edema celular con ruptura de la membrana.
Formas de muerte celular
Autofagia
Etimológicamente, "autofagia" significa autodigestión; este proceso ocurre virtualmente en todas las células eucariotas.
Es un proceso en el cual citoplasma y organelos son secuestrados en vesículas con membrana celular duplicada, liberando su contenido dentro de lisosomas, para su posterior degradación y reciclaje de macromoléculas.
La autofagia sirve como respuesta al estrés producido por la falta de alimentos y es uno de sus principales roles en los organismos unicelulares. A nivel de membrana, existen moléculas que actúan como sensores del medio extracelular, activando vías regulatorias intracelulares.
Uno de estos sensores es la proteína TOR (Target de rapamicina) el cual inhibe la Autofagia en un medio rico en nutrientes. La autofagia también tiene funciones homeostáticas y de biosíntesis. Por ejemplo en condiciones en las cuales los peroxisomas no son necesitados, son degradados a través de un tipo específico de autofagia denominado pexofagia. Además la autofagia puede promover un tipo de muerte celular programada.
El mecanismo mediante el cual se lleva a cabo la autofagia se divide en estos 7 pasos secuenciales:
- Inducción.
- Selección carga y embalaje.
- Nucleación y formación de la vesícula.
- Expansión de la vesícula y maduración.
- Direccionamiento.
- Contacto y fusión de la vesícula con el lisosoma.
- Quiebre de la vesícula intraluminal con formación del cuerpo autofágico y reciclaje de las macromoléculas constituyentes.
Necrosis, oncosis y necroptosis
La Oncosis sirve para designar cualquier muerte celular caracterizada por una importante tumefacción, rotura de la membrana plasmática, dilatación de organelos citoplasmáticos (mitocondria, retículo endoplasmático y Golgi), así como una moderada condensación de la cromatina.
Necrosis: La característica fundamental que distingue la mayoría de las formas de necrosis de la apoptosis es la rápida pérdida de los potenciales de membrana. Esto puede ser consecuencia de depleción de la energía celular, daño en los lípidos de membrana y/o pérdida de la función de bombas iónicas o canales homeostáticos. Entre ellos hay sinergia, ya que la alteración de uno produce un efecto en la función de los otros.
Necroptosis: Es la muerte celular estimulada por TNF-beta, con una inhibición previa de caspasa, adquiriendo una morfología necrótica. Esta vía de muerte celular puede ser inhibida por medio de una sustancia denominada Necrostatin-1.
Piroptosis: Ésta vía de muerte celular es dependiente únicamente de la caspasa 1. Esta caspasa no está involucrada en la muerte celular apoptótica y su función es procesar los precursores de las citoquinas inflamatorias, activándolos.
Paraptosis: La Paraptosis ha sido recientemente caracterizada como la vacuolización con aumento de volumen mitocondrial y de retículo endoplasmático, el cual no responde a la inhibición de las caspasas. No existe formación de cuerpos apoptóticos.
Catástrofe mitótica: Se produce por fallos en los sistemas de chequeo del ciclo celular (checkpoints), que fallan en detener la mitosis antes o durante el proceso, permitiendo una segregación aberrante de los cromosomas, lo que determina la activación de una apoptosis defectuosa y muerte celular. Se forman células con múltiples micronúcleos y cromatina no condensada.
Mitoptosis: Suicidio mitocondrial debido a la sobreproducción de ROS. Una masiva mitoptosis desencadena una muerte celular programada por liberación masiva de proteínas mitocondriales y el bloqueo de la vía apoptótica ha demostrado que la células siguen produciendo energía a través de la autofagia de sus propias mitocondrias.
Muerte celular programada: Apoptosis
La apoptosis, o muerte celular programada, es un proceso celular genéticamente controlado por el que las células inducen su propia muerte en respuesta a determinados estímulos. De ahí que frecuentemente se describa el proceso apoptótico como SUICIDIO CELULAR a la hora de definirlo conceptualmente.
Es un programa celular estrechamente regulado en el cual las células, cuyo final es la muerte, activan enzimas que degradan el propio material genético celular, proteínas nucleares y citoplasmáticas. La membrana plasmática de las células permanece intacta, pero con la estructura alterada, de tal manera que la célula apoptótica se convierte en un blanco fácil para la fagocitosis. La célula muerta se elimina de inmediato.
La apoptosis y la necrosis coexisten a veces, y pueden compartir (y así lo hacen) algunas características y mecanismos.
La metaforización "suicidio celular" es doblemente significativa si consideramos que la muerte celular programada es un proceso irreversible, al menos durante sus etapas iniciales.
Conceptualmente la apoptosis puede ser considerada opuesta a la muerte celular por necrosis, en la que las células son sujetos pasivos irremediablemente abocados a morir. En este sentido, lo distintivo de la apoptosis radica en el control que ejercen las células sobre su propio destino, cuando deciden seguir el camino apoptótico.
En condiciones normales la apoptosis constituye un mecanismo fundamental para el mantenimiento de la homeostasis del organismo. Pongamos un ejemplo: como respuesta frente a la agresión que supone la entrada de un microorganismo, las células encargadas de la defensa del organismo, las células del sistema inmune, son activadas. Dicha activación supondrá, entre otras cosas, la proliferación de aquellas células del sistema inmune capaces de parar de forma específica dicha agresión. Como resultado, buena parte de estas células, que en su momento eran necesarias, dejan entonces de serlo, iniciando muchas de ellas el proceso de muerte celular programada, en este caso, inducido por la ausencia del estímulo agresor. En otras palabras, cuando una infección es controlada, gran parte de las células del sistema inmune que contribuyeron a atajar dicha infección, dejan de ser necesarias, siendo eliminado el excedente celular generado por apoptosis.
Durante el desarrollo embrionario, los patrones morfofuncionales definitivos de los órganos son modelados gracias a la muerte por apoptosis de un buen número de células que inicialmente contribuyeron a la formación de las mismas. Se estima que aproximadamente la mitad de las neuronas que inicialmente contribuyen a la formación del sistema nervioso mueren por apoptosis durante el desarrollo.
También en diversas situaciones patológicas la apoptosis desempeña una importante función. Así, en el cáncer y en las infecciones víricas la apoptosis constituye un mecanismo de defensa por el que se eliminan células neoplásicas y se pretende evitar la propagación de virus. De otro lado, la apoptosis supone la última causa responsable de ciertas enfermedades autoinmunes, enfermedades neurodegenerativas y enfermedades propias del envejecimiento.
La apoptosis hay que diferenciarla sobre todo de la necrosis coagulativa común.
Se cree que la apoptosis es responsable de numerosos hechos del organismo tanto fisiológicos como patológicos:
- Destrucción programada que ocurre durante la embriogénesis.
- En la delección celular durante la proliferación celular. Por ejemplo el epitelio de las que criptas intestinales.
- Muerte celular que ocurre en los tumores sobre todo en los tumores en regresión.
- Muerte de células inmunitarias tanto linfocitos B como linfocitos T.
- En la atrofia patológica de tejidos hormonodependientes como en la atrofia prostática que sucede después de la castración.
- En la atrofia patológica de ciertos órganos cuando se produce la obstrucción de conductos. (Por ejemplo en las glándulas parótidas, páncreas y riñón.)
- En la muerte celular inducida por células T citotóxicas como ocurre en las enfermedades injerto contra huésped.
- En la lesión celular que acompaña a ciertas enfermedades virales como ocurre en la hepatitis viral en la que se observan fragmentos celulares apoptóticos en el hígado que se llaman cuerpos de Councilman.
- En la muerte celular producida por diversos estímulos activos que pueden producir necrosis celular pero que cuando se dan en dosis bajas se dan casos de apoptosis. (Por ejemplo radiaciones, fármacos, etc.)
- Destrucción programada en la:
- Involución hormona dependiente en el adulto. Es decir de tejidos cuya función dependen de hormonas.
- Atresia folicular del ovario, después de la menopausia.
- Regresión de la mama lactante después del destete.
La apoptosis comienza con la activación de unas proteínas llamadas caspasas, que producen una cascada proteolítica que culmina con la hidrólisis de proteínas estructurales y de enzimas reparadoras de ADN y con la activación de enzimas hidrolíticas como las endonucleasas.
La apoptosis es un proceso ordenado, con una serie de fases: disminución del volumen celular y pérdida de las características de adhesión, degradación de proteínas y fragmentación del ADN, condensación cromatínica, aparición de burbujas en superficie, fragmentación del núcleo, formación de los cuerpos apoptóticos (rodeados de membrana) y fagocitosis de estos cuerpos apoptóticos por macrófagos. En ningún caso se vierte el contenido celular al exterior.
Causas de la apoptosis
La apoptosis suele producirse durante el desarrollo y toda la edad adulta, y permite eliminar las células no deseadas, envejecidas o potencialmente dañinas. Se trata de un acontecimiento patológico cuando las células enfermas sufren lesiones no susceptibles de ser reparadas y se eliminan.
Los estímulos que inducen apoptosis pueden ser extra o intracelulares. Citoquinas como el TNF, radiaciones, falta de señales hormonales o de factores tróficos son algunos ejemplos de estímulos extracelulares que inducen apoptosis. Mitosis incompleta, aumento de las especies reactivas de oxígeno, aumento del calcio citoplasmático o daños irreparables del ADN mediados por la molécula p53 son ejemplos de estímulos intracelulares que disparan procesos de apoptosis.
Apoptosis en situaciones fisiológicas
La muerte por apoptosis es un fenómeno normal que permite eliminar las células que ya no se necesitan y mantener un número estable de diversas poblaciones en los tejidos. Es importante en las siguientes situaciones fisiológicas:
- La destrucción celular programada durante la embriogénesis, que incluye la implantación, organogenia, involución durante el desarrollo y metamorfosis.
- La involución de tejidos dependientes de hormonas cuando se produce una falta de las mismas, como la degradación de las células endometriales durante el ciclo menstrual.
- La pérdida celular en poblaciones celulares en proliferación, como los linfocitos inmaduros que no expresan receptores antigénicos útiles en la médula ósea y el timo.
- La eliminación de los linfocitos autorreactivos potencialmente lesivos, bien antes o después de que completen su maduración para prevenir las reacciones frente a los tejidos propios.
- La muerte de células del anfitrión que han cumplido su misión, como los neutrófilos en las reacciones inflamatorias agudas y los linfocitos al final de la respuesta inmunitaria. En estas situaciones, las células experimentan apoptosis porque quedan privadas de sus señales de supervivencia necesarias, como los factores de crecimiento.
Apoptosis en situaciones patológicas
La apoptosis elimina las células dañadas sin posibilidades de reparación sin inducir una reacción en el anfitrión, con el fin de limitar los daños colaterales en los tejidos. La muerte por apoptosis es responsable de la pérdida de las células en distintos estados patológicos:
- Lesiones del DNA: La radiación, los fármacos antineoplásicos citotóxicos y la hipoxia pueden causar lesiones en el DNA, bien de forma directa o mediante la producción de radicales libres. Cuando los mecanismos de reparación no consiguen resolver la lesión, la célula activa unos mecanismos intrínsecos para producir la apoptosis. En estas situaciones parece que la eliminación de la célula es una alternativa mejor que arriesgarse a las mutaciones del DNA lesionado, que podrían culminar en una transformación maligna. Estos estímulos lesivos pueden provocar apoptosis cuando el daño es leve, pero dosis más altas del mismo estímulo pueden causar la muerte celular mediante necrosis.
- Acumulación de proteínas mal plegadas: La acumulación excesiva de estas proteínas en el RE determina una situación llamada estrés del RE, que culmina en la muerte celular por apoptosis.
- Muerte celular en algunas infecciones: sobre todo de tipo viral, en la que la pérdida de células infectadas se debe sobre todo a apoptosis inducida por el virus (como en VIH) o por la respuesta inmunitaria del anfitrión (como en la hepatitis viral). Una importante respuesta del anfitrión frente a los virus implica a los linfocitos Tc específicos frente a las proteínas virales, que inducen la apoptosis de las células infectadas en un intento de eliminar los reservorios de la infección. Durante este proceso se puede producir lesiones tisulares significativas. El mismo mecanismo mediado por los linfocitos T es responsable de la muerte celular en los tumores y el rechazo de los trasplantes.
- Atrofia patológica de órganos parenquimatosos tras la obstrucción de un conducto, como sucede en páncreas, parótida o riñón.
- Muerte celular en tumores, más frecuentemente durante la regresión pero también en los tumores de crecimiento activo.
- Otros casos. Incluso en situaciones en que la muerte celular se debe fundamentalmente a necrosis, la vía de la apoptosis puede contribuir; por ejemplo, estímulos lesivos que producen aumento de la permeabilidad en las mitocondrias desencadenan la apoptosis.
La Apoptosis en el sitema cardivascular
En el sistema cardiovascular la apoptosis puede ser parte del proceso de renovación, pero por defecto de mitosis o exceso de muerte celular, puede constituir un proceso patológico.
En el ventrículo derecho, ocurre una remodelación fisiológica después del nacimiento, cuando ya este ventrículo no tiene que cumplir con la función hemodinámica intrauterina. Una cantidad importante de células de ese ventrículo mueren de manera programada después del nacimiento. Esto suele durar apenas unos días, pero en ciertas condiciones se prolonga indefinidamente y ocurre la denominada miocardiopatía de Uhl, caracterizada por una dilatación extrema del ventrículo derecho con la consecutiva insuficiencia ventricular derecha.
Organelos involucrados en la apoptosis
Característica específica de la apoptosis es la preservación, al menos en la fase inicial, de la integridad estructural y de la mayoría de las funciones de la membrana plasmática.
La célula tiene varios componentes que deben estar en buen estado para su buen funcionamiento. Los componentes de la célula que en forma selectiva se pueden convertir en blancos son la membrana plasmática, el citoesqueleto, los lisosomas y el retículo endoplasmático. El daño al citoesqueleto a su vez, causará daño a la membrana plasmática. Los lisosomas contienen enzimas digestivas y su destrucción causará que estas enzimas se liberen produciendo lesiones graves en el citoplasma.
La célula necesita tener los siguientes caminos metabólicos en buen estado: la producción de ATP mitocondrial, el metabolismo de calcio, la síntesis de proteínas, la regulación del ADN, la glicólisis y el ciclo del ácido cítrico o ciclo de Krebs. Estos dos últimos proporcionan los precursores para síntesis de aminoácidos y los equivalentes reducidos cuya oxidación genera la mayoría del ATP.
Los daños a la membrana plasmática, a la producción de ATP mitocondrial y al control de los niveles de calcio intracelular son rutas comunes para la destrucción final de la célula.
Membrana plasmática
Es utilizada por la célula para mantener los gradientes iónicos que a su vez regulan el volumen celular. Si se daña la membrana entran iones Na y Ca y salen iones K (responsables de los fenómenos de polarización y despolarización de la membrana y, en definitiva, de la transmisión eléctrica del impulso nervioso). El agua y los cloruros se redistribuyen de acuerdo al gradiente electroquímico y hay incremento neto intracelular del agua, lo que se denomina turgencia. El aumento de agua intracelular es visible al microscopio por el aumento de tamaño de la célula que se hincha. Si esto no se corrige la célula se puede romper. Hay varios mecanismos que pueden inducir estos cambios, algunos ejemplos son el trauma físico, fluidización de la membrana, peroxidación de lípidos (tetracloruro de carbono), daño al citoesqueleto, bloqueo de canales y ataque viral.
Independientemente de la agresión tóxica, la membrana plasmática es uno de los componentes que primero responde al daño y la pérdida de integridad es el punto final del daño. En la mayoría de las células, las mitocondrias son responsables de la síntesis de ATP vía respiración aeróbica. El ATP es la fuente de energía más importante de la célula, se utiliza en las reacciones biosintéticas, y es necesario para la activación de compuestos endógenos por fosforilación o adenilación, para incorporarse en cofactores, para la funcionabilidad del citoesqueleto y para operar las bombas iónicas de la membrana celular.
Mitocondria
La producción de ATP por las mitocondrias requiere oxígeno para funcionar, así que una de las rutas para dañar el proceso es la hipoxia (baja concentración de oxígeno). El principal agente que priva a la célula de oxígeno es el monóxido de carbono el cual se liga a la hemoglobina inhibiendo la unión de ésta con el oxígeno. La anemia (baja concentración de hemoglobina en la sangre) y la isquemia (bajo flujo arterial o del drenaje venoso), reducen la capacidad de transporte de oxígeno y pueden contribuir a la deficiencia de este compuesto a nivel celular.
La producción de ATP también se puede impedir por: agentes que interrumpen la cadena de transportadores de electrones a través de inhibidores de enzimas como la rotenona (inhibe la NADH-coenzima Q reductasa) y el cianuro (inhibe la citocromo oxidasa); o, por sustancias que inhiben o desacoplan la fosforilación oxidativa tales como el DDT (inhibe la ATP sintetasa) y el arsenato (sustituye al fósforo y produce intermediarios de baja energía).
El incremento del nivel de Calcio intracelular produce la disociación de la actina de los microfilamentos en el citoesqueleto y la activación de fosfolipasas y proteasas. Estos cambios producen fragmentación del ADN, condensación de la cromatina, ruptura de membranas y degradación de proteínas.
El control de calcio se puede romper por el incremento del ingreso o por la salida de este ión de sus depósitos celulares. Los agentes que inducen la entrada de calcio son metilmercurio que produce poros y, el tetracloruro de carbono que rompe la membrana. Los agentes que inhiben la exportación de calcio del citoplasma son inhibidores de la calcio-ATPasa en la membrana celular o en el retículo endoplásmico.
Morfología de la apoptósis
Es una forma de muerte celular caracterizada por hipereosinofilia y retracción citoplasmáticas con fragmentación nuclear (cariorrexis) desencadenada por señales celulares controladas genéticamente. Estas señales pueden originarse en la célula misma o de la interacción con otras células.
La apoptósis tiene un significado biológico muy importante, que es opuesto al de la mitosis en la regulación del volumen tisular. La apoptosis contribuye a dar la forma a los órganos durante la morfogénesis y elimina células inmunológicamente autorreactivas, las células infectadas y las genéticamente dañadas, cuya existencia es potencialmente dañina para el huésped. La apoptosis no presenta las fases de necrobiosis, necrofanerosis y necrólisis.
Los signos morfológicos de la apoptósis son muy semejantes a los de la necrofanerosis. En la apoptosis las alteraciones nucleares representan los cambios más significativos e importantes de la célula muerta y los organelos permanecen inalterados incluso hasta la fase en que aparecen los cuerpos apoptóticos. En la apoptosis destacan las alteraciones morfológicas del núcleo frente a las del citoplasma, a la inversa de lo que ocurre en la necrosis en general.
En la apoptosis la célula se caracteriza por:
- Retracción celular: La célula tiene un tamaño menor; el citoplasma es más denso; y los orgánulos, aunque son relativamente normales, se disponen de una forma más densa.
- Condensación de la cromatina: La cromatina se agrega en la periferia, por debajo de la membrana nuclear, en masas densas de diversas formas y tamaños. El propio núcleo se puede romper, como se ha señalado con anterioridad.
- Formación de bullas citoplasmáticas y cuerpos apoptóticos: La célula apoptótica muestra, en primer lugar, una amplia formación de ampollas en la superficie que, posteriormente, se fragmentan en cuerpos apoptóticos rodeados de membrana, constituidos por citoplasma y orgánulos densamente agregados, asociados o no a fragmentos nucleares.
- Fagocitosis de las células o cuerpos apoptóticos: De este proceso se encargan, principalmente, los macrófagos. Los cuerpos apoptóticos son rápidamente ingeridos por los fagocitos y degradados por las enzimas lisosómicas de los mismos.
Se cree que la membrana plasmática se conserva intacta durante la apoptosis hasta las fases finales, cuando se vuelve permeable a los solutos retenidos con normalidad.
A diferencia de la apoptosis, la necrosis es una forma de muerte celular que resulta de un proceso pasivo, accidental y que es consecuencia de la destrucción progresiva de la estructura con alteración definitiva de la función normal en un daño irreversible; este daño está desencadenado por cambios ambientales como la isquemia, temperaturas extremas y traumatismos mecánicos. Digestión enzimática del citoplasma y núcleo, fuga de compuestos intracelulares y entrada de macromoléculas extracelulares.
La apoptosis se ha conocido con otros nombres: cuerpos de Councilman (hígado), cuerpos cariolíticos (criptas intestinales), cuerpos tingibles (ganglio linfático), cuerpos de Civatte (piel), cuerpos hematoxilínicos (varios)
Al microscopio de luz, las células apoptóticas se observan como células pequeñas, hipereosinófilas, de citoplasma redondeado u oval con o sin material nuclear basófilo. El citoplasma en fases más avanzadas aparece fragmentado, que varían de tamaño considerablemente. La cromatina aparece como masas hiperbasófilas densas. La fagocitosis de los cuerpos apoptóticos no induce a los macrófagos para que estimulen una respuesta inflamatoria.
Al microscopio electrónico, en la fase temprana hay condensación de la cromatina, para formar masas crescénticas uniformemente densas, delimitadas; el nucleolo presenta disposición periférica de la cromatina con formación de gránulos osmiofílicos hacia el centro del núcleo; el núcleo fibrilar proteico forma una masa granular compacta usualmente adosada a la superficie interna de la cromatina condensada. Los desmosomas aparecen desestructurados y estructuras de superficie como microvellosidades están desorganizadas. El volumen celular está disminuido y la densidad celular aumentada, los organelos citoplasmáticos aparecen compactos y la silueta de la célula (citoplasma y núcleo) está convoluta. En la fase avanzada el núcleo se observa fragmentado y con condensación de la cromatina.
En el citoplasma hay agregación de filamentos intermedios, formación de grumos de proteínas ribosomales, agrupación concéntrica de retículo endoplásmico rugoso, las células con abundante citoplasma forman prolongaciones muy prominentes. Finalmente éstas se separan para formar los fragmentos denominados cuerpos apoptóticos. In vivo, estos cuerpos son rápidamente fagocitados por células epiteliales adyacentes, fagocitos mononucleares e incluso células neoplásicas. Esta fagocitosis y degradación rápida pueden explicar la ausencia de inflamación en este fenómeno. Esta secuencia de alteraciones ocurre muy rápidamente: la retracción citoplasmática y la aparición de prolongaciones sucede en minutos y los cuerpos apoptoticos son digeridos en algunas horas.
La fragmentación rápida y regular del ADN es característica. Hay fragmentación inicialmente en trozos de 300 pares de bases y luego de 50 pares de bases con división del ADN internucleosomal de doble hebra. Esto origina fragmentos de 186 pares de bases y múltiplos de ellos (multímeros), lo cual se observa en electroforesis en gel de agarosa como el llamado "patrón en escalera". La fragmentación se produce por activación de endonucleasas dependientes de calcio. Muchos de los cambios celulares se atribuyen a la acción de enzima convertidora de interleuquina 1b y granzima B. La transglutaminasa tisular produce agregados proteicos que evitan la liberación de enzimas intracelulares particularmente dañinas.
Resumen de la biología molecular de la apoptosis. Regulación genética de la apoptosis
Características bioquímicas de la apoptosis
Las células apoptóticas por lo general, muestran un conjunto de modificaciones bioquímicas características que subyacen a los cambios que sufre la célula. Algunas de estas características apoptóticas también pueden observarse en las células necróticas en determinados casos.
La primera de estas características es la escisión de proteinas que se relaciona con la activación de varios miembros de una familia de proteasas cisteínicas denominadas caspasas. Muchas caspasas están presentes en las células normales como proenzimas inactivas, y necesitan activarse para poder inducir apoptosis. Las caspasas activas escinden muchas proteínas celulares vitales como láminas, y así rompen el armazón nuclear y el citoesqueleto. Por otra parte, las caspasas activan las ADNasas que degradan el material genético nuclear. Estos cambios se dan en las alteraciones nucleares y citoplasmáticas que se dan en las células apoptóticas.
Además de lo anteriormente citado, las células apoptóticas exhiben una fragmentación del material genético característica que consiste en trozos de 50 a 300 kilobases. Posteriormente hay una escisión internucleosomal del DNA a oligonucleosomas, en múltiplos de 180 a 200 pares de bases, por las endonucleasas dependientes de calcio y magnesio. Los fragmentos son fácilmente visibles mediante electroforesis en gel de agarosa como escaleras de DNA. La actividad de la endonucleasa también es la base de la detección de muerte celular mediante técnicas citoquímicas que reconocen roturas en la doble cadena del DNA. Es importante saber que esa escisión internucleosomal del DNA no es específica de la apoptosis, ya que estas típicas cadenas de DNA pueden apreciarse también en células necróticas.
Por último, las células apoptóticas exhiben fosfatidilserina en las capas externas de las membranas plasmáticas, en las que los fosfolípidos se han dado la vuelta hacia afuera desde las capas internas. Estos cambios explican que las células apoptóticas puedan reconocerse por la fijación de colorantes como Annexin V. estas alteraciones permiten el reconocimiento precoz de la muerte celular programada por los macrófagos, dando lugar a fagocitosis sin liberación de componentes celulares proinflamatorios. De esta forma, la repuesta apoptótica dispone las células con afectación mínima del tejido circundante.
Señalización de la muerte celular programada
Las caspasas son proteasas que juegan un papel clave en el proceso de apoptosis. La familia de las caspasas está constituida por más de doce proteasas caracterizadas por la presencia de residuos de cisteína en su sitio activo. Estas proteínas están ampliamente conservadas en el proceso evolutivo y comparten secuencias estructurales comunes. Las caspasas se sintetizan como precursores inactivos que se convierten en la forma activa por rotura proteolítica. Una vez activas, las caspasas producen la hidrólisis a partir de residuos de ácido aspártico en la proteína sustrato. Así, la activación inicial de una caspasa provoca una reacción en cadena que conduce a la activación de otras caspasas y a la muerte de la célula. Por lo tanto, la regulación de la activación de las caspasas es fundamental para determinar la supervivencia celular.
Aunque la familia de las caspasas comparte una estructura común, los análisis filogenéticos han demostrado la existencia de subfamilias que presentan diferentes características y que por lo tanto pueden tener distinto papel en el proceso de apoptosis. Así, las caspasas iniciadoras (caspasas -2, -8, -9, -10) presentan pro-dominios funcionales que permiten la asociación de estas moléculas con complejos de señalización; las caspasas ejecutoras (caspasas -3, -6 -7) son activadas por las caspasas iniciadoras y son las responsables de la interacción con otras moléculas que desencadenan la apoptosis. La tercera subfamilia de caspasas es la de las caspasas procesadoras de citoquinas (caspasas-1, -4, -5, -12, -13, -14).
Se ha descrito que las caspasa 1 se activa por la ausencia de factores de crecimiento, que hidroliza a la caspasa 3 in vitro y que promueve el procesamiento y activación de la interleucina-1b (IL-1b), sustancia implicada en la muerte neuronal. En cuanto a la caspasa 2, se sabe que se activa tras su unión a una molécula adaptadora que a su vez se une a una parte del complejo de señalización delreceptor de factor de necrosis tumoral (TNF). La caspasa 2 activa puede procesar su propio precursor.
La caspasa 9, que en situación fisiológica se encuentra en su forma inactiva en el citosol, se activa tras la salida de citocromo c desde la mitocondria. Ante un determinado daño se produce una alteración en la membrana mitocondrial que desencadena la salida de citocromo c al citosol. El citocromo c forma entonces un complejo con el factor activador de proteasa (Apaf-1), dATP yprocaspasa 9, lo que conduce a la activación de la caspasa. Una vez activa, la caspasa 9 puede activar otras caspasas.
Las caspasas 3, 6 y 7 son las principales responsables de los cambios morfológicos y bioquímicos que ocurren en las células apoptóticas. Entre sus sustratos se encuentran un factor responsable de la fragmentación del ADN. Además las caspasas eliminan la poli (ADP-ribosa) polimerasa (PARP), molécula implicada en la maquinaria celular, que repara el daño en el ADN. Por otro lado, activan la vía que conduce a la condensación de la cromatina y participan en la destrucción de la lámina nuclear y de las proteínas del citoesqueleto.
Moléculas anti-apoptóticas, señalización de la supervivencia celular
| C. Elegans | Mamíferos | Función |
|---|---|---|
| CED9 | BCL-2 | Antiapoptótica |
| CED4 | APAF-1 | Proapoptótica |
| CED3 | CASPASA | Proapoptótica |
La apoptosis está reducida por el efecto de ciertas drogas que inhiben las topoisomerasas, por la exposición o acción de diversos inhibidores de las cinasas, por la interferencia en la homeostasis del calcio, por el efecto de un shock térmico breve, en algunas infecciones virales o la exposición a linfocitos T citotóxicos.
En algunos casos, la muerte celular programada está controlada genéticamente o por la acción de diversas moléculas anti-apoptóticas:
Las proteínas de la familia Bcl-2, derivadas del proto-oncogén blc-2, intervienen en la regulación de la apoptosis. Aquellas células que expresan Bcl-2, fácilmente demostrable mediante inmunohistoquímica, son resistentes a la apoptosis promoviendo de esta manera la supervivencia celular, pero también facilitando con esa supervivencia la adquisición de mutaciones y la transformación maligna.
La proteína Myc, derivada del proto-oncogén myc, promueve, según las circunstancias, la muerte celular o su proliferación.
La proteína p53, producida por el gen supresor de tumores p53, estabiliza a la célula en la fase G1 del ciclo a fin de controlar la existencia de daños en el ADN; pero en sentido contrario, si éstos fueran peligrosos para las células hijas, activaría la apoptosis.
La proteína p35, descubierta en los bacuolavirus pero presente también en los vertebrados superiores, inhibe la apoptosis. Los virus mutantes que no poseen el gen p35 provocarían la muerte de las células huésped por apoptosis, pero las formas salvajes inhibirían ésta.
Los mamíferos (aunque también se ha demostrado en Drosophyla), poseen una familia de genes que codifican potentes inhibidores de las caspasas, cuyos productos de expresión se conocen comoproteínas inhibidoras de la apoptosis (IAP).
A propósito de éstos inhibidores, también se conocen sus correspondientes neutralizadores de la actividad anti-apoptótica como serían las proteínas Smac (second mitochondrial-derived activator of caspases) o DIABLO (direct IAP-binding Protein with low pI).
Se han descrito también moléculas bajo el nombre de “receptores señuelo” como el DcR3 (decoy receptor 3) que se sobre-expresan en algunas neoplasias como las de pulmón o las de colon y que actuarían uniéndose al FasL, bloqueando con ello su unión con el receptor Fas, con la consiguiente inhibición de la apoptosis.
Fases de iniciación y de ejecución de la apoptosis
El proceso de apoptosis puede dividirse en una fase de iniciación, durante la cual las caspasas se hacen catalíticamente activas, y la fase de ejecución, durante la cual esas enzimas actúan produciendo muerte celular.
1. La iniciación de la apoptosis ocurre principalmente por señales procedentes de dos vías distintas pero convergentes: la vía extrínseca o iniciada en el receptor, y la intrínseca o mitocondrial.
- 1.1 Vía extrínseca. Esta vía se inicia por la implicación del receptor de muerte de la superficie celular. Los receptores de muerte son miembros de la familia del receptor del factor de necrosis tumoral que contiene un dominio citoplásmico implicado en las interacciones proteína-proteína que se denomina el dominio de muerte, dado su papel esencial en el suministro de señales apoptóticas. Los receptores de muerte mejor conocidos son el receptor de TNF de tipo I (TNFR1) y una proteína relacionada denominadaFas (CD95).
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- Cuando Fas se une cruzadamente por medio de su ligando, el ligando Fas unido a la membrana (FasL), tres o más moléculas de Fas se juntan y sus dominios de muerte citoplasmáticos forman un sitio de unión para una proteína adaptadora que contiene también un dominio de muerte denominado FADD (Fas-associated death domain).
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- El FADD que se une a los receptores de muerte se une, a su vez, a una forma inactiva de la caspasa-8 (en humanos, caspasa-10), otra vez a través de un dominio de muerte. Múltiples moléculas pro-caspasa-8 se aproximan, y se escinden unas a otras para generar caspasa-8 activa.
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- La enzima desencadena una cascada de activación de caspasa escindiendo, y así activando, otras pro-caspasas, y las enzimas activas median en la fase de ejecución de la apoptosis.
- Esta vía de apoptosis puede inhibirse por una proteína denominada FLIP, que se une a la pro-caspasa-8, pero no puede escindir y activar la enzima porque le falta la actividad enzimática. Algunos virus y células normales utilizan este inhibidor para proteger a las células infectadas y normales de la apoptosis mediada por Fas.
- 1.2 Vía intrínseca. Esta vía de apoptosis es el resultado de una permeabilidad mitocondrial aumentada y liberación de moléculas pro-apoptóticas al citoplasma sin intervención de los receptores de muerte.
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- Factores de crecimiento y otras señales de supervivencia estimulan la producción de miembros anitiapoplóticos de la familia de proteínas Bcl-2; las dos anti-apoptóticas principales son Bcl-2 y Bcl-x.
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- Estas proteínas antiapoptóticas residen normalmente en las membranas mitocondriales y en el citoplasma. Cuando las células no reciben de señales de supervivencia o están sujetas a estrés, la membrana mitocondrial pierde Bcl-2 y/o Bcl-x que se sustituyen por miembros pro-apoptóticos de la familia, tales como Bak, Bax y Bim. Cuando disminuyen los niveles de Bcl-2/Bcl-x, la permeabilidad de la membrana mitocondrial aumenta, y se escapan varias proteínas que pueden activar la cascada de la caspasa.
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- Una de esas proteínas es el citocromo c, bien conocido por su papel en la respiración mitocondrial. En el citosol, el citocromo c se une a una proteína denominada Apaf-I (apoptosis activating factor-1), y el complejo activa a la caspasa-9 (Bcl-2 y Bcl-x pueden, asimismo, inhibir directamente la activación de Apaf I y su pérdida por las células puede permitir la activación de Apaf-1) Otras proteínas mitocondriales, tales como el factor inductor de apoptosis (AIF), penetran en el citoplasma donde se unen, y neutralizan, a diversos inhibidores de la apoptosis, cuya función normal es bloquear la activación de caspasas.
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- El resultado neto es la iniciación de una cascada de caspasa. Existe una considerable evidencia de que la vía intrínseca de la apoptosis puede desencadenarse sin que intervengan las mitocondrias.
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- La apoptosis puede iniciarse mediante la activación de caspasa previa a la mitocondria, y el aumento subsiguiente en la permeabilidad mitocondrial y la liberación de moléculas pro-apoptóticas amplifican la señal de muerte.
2. Fase de ejecución. La fase final de la apoptosis está mediada por una cascada proteolítica, hacia la cual convergen los diversos mecanismos de iniciación. Las proteasas que median la fase de ejecución se conservan en gran medida en las distintas especies y pertenecen a la familia de la caspasa.
- El término caspasa se basa en dos propiedades de esta familia de enzimas: la «c» se refiere a una proteasa cisteínica (enzima con cisteína en su sitio activo), y «aspasa» se refiere a la capacidad de estas enzimas para escindir a continuación los residuos de ácido aspártico. La familia caspasa, que incluye actualmente más de diez miembros, puede dividirse funcionalmente en dos grupos básicos: iniciador y ejecutor, dependiendo del orden en que se activan durante la apoptosis.
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- Las caspasas iniciadoras, incluyen caspasa-8 y caspasa-9. Varias caspasas, entre ellas caspasa-3 y caspasa-6, sirven como ejecutoras.
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- Las caspasas existen como proenzimas inactivas, o zimógenos, y deben sufrir una escisión activadora para que se inicie la apoptosis. Las caspasas tienen sus propios sitios de escisión que pueden hidrolizarse no sólamente por otras caspasas sino también autocatalíticamente.
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- Las caspasas ejecutoras actúan sobre muchos componentes celulares. Escinden el citoesqueleto y las proteínas de la matriz nuclear y, de esta manera, rompen el primero y dan lugar a la fragmentación del núcleo. En el núcleo, las dianas de la activación de caspasas incluyen proteínas implicadas en la transcripción, replicación y reparación del DNA.
3. Eliminación de células muertas. En los primeros estadios de la apoptosis, las células moribundas segregan factores solubles que reclutan los fagocitos. Esto facilita la eliminación rápida de células apoptóticas antes de que sufran necrosis secundaria y liberación de sus contenidos celulares (que puede dar lugar a inflamación).
- Las células apoptóticas y sus fragmentos tienen moléculas marcadoras en su superficie que facilitan el reconocimiento precoz por las células adyacentes o fagocitos para la captación y eliminación fagocítica. Se ha demostrado que numerosos receptores macrofágicos están implicados en la unión e ingestión de las células apoptóticas.
- Además, los macrófagos también pueden segregar sustancias que se unen específicamente a las células apoptóticas, pero no a las vivas, y las opsonizan para su fagocitosis.
- En contraste con los marcadores en células apoptóticas, parece que las células viables evitan su propia ingestión por los macrófagos mediante la expresión de ciertas moléculas de superficie (tales como CD31). Este proceso de fagocitosis de células apoptóticas es tan eficiente que las células muertas desaparecen sin dejar rastro y la inflamación está virtualmente ausente.
| Fisiológicos | Asociados al daño celular | Terapia | Toxinas |
|---|---|---|---|
| TNF | Golpe térmico | Quimioterapeutica | Etanol |
| Ligando de Fas | Infección viral | Radiación χ | Betaamiloide |
| TGF-beta | Toxinas bacterianas | Radiación UV | Veratridina |
| Neurotransmisores (glutamato, dopamina) | Oncogenes: myc, rel, E1A | 6-OHDA | |
| Ausencia de factores de crecimiento | Factores de transcripción: p53 | 3-NP | |
| Pérdida de fijación de la matriz | Linfocitos T citotóxicos | Metanfetamina | |
| Ca2+ | Agentes oxidantes | ||
| Glucocorticoides | Radicales libres | ||
| Retirada de nutrientes-
antimetabólicos
|
ENFERMEDADES ASOCIADAS A INHIBICIÓN DE APOPTOSIS
(Aumento de la proliferación)
1. Cáncer
Linfoma no Hodgkin folicular (bcl2 +)
Carcinoma (p53 +)
Tumores hormono-dependientes
Carcinoma de mama
Carcinoma de próstata
Carcinoma de ovario
Glioma
Hígado
Leucemias
2. Enfermedades Autoinmunitarias
Lupus eritematoso sistémico
Glomerulonefritis autoinmunitaria
Miastenia grave
3. Infecciones Virales
Virus herpes
Poxvirus
Adenovirus (E1B)
4. Enfermedades inflamatorias
Asma bronquial
Enfermedad inflamatoria intestinal
Inflamación pulmonar
ENFERMEDADES ASOCIADAS A AUMENTO DE APOPTOSIS
(Disminución de proliferación = aumento de muerte celular)
1. Sida
2. Enfermedades Neurodegenerativas
- Enf. de Alzheimer - Enf. de Parkinson - Esclerosis lateral amiotrófica - Retinitis pigmentosa - Degeneración cerebelosa
3. Enfermedades Hematológicas - Anemia Aplástica - Síndrome mielodisplásico - Linfocitopenia T CD4+ - Deficiencia G6PD
4. Daño tisular - Infarto del miocardio - Apoplejía - Daño por reperfusión - Daño isquémico renal - Riñón poliquístico
5. Daño Hepático por Alcohol
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