La modulación de las uniones gap describe la manipulación funcional de las uniones gap , canales especializados que permiten la comunicación eléctrica y química directa entre células sin exportar material del citoplasma . [1] Las uniones gap desempeñan un papel regulador importante en diversos procesos fisiológicos, incluida la propagación de señales en los músculos cardíacos y la homeostasis tisular del hígado . Se requiere modulación, ya que las uniones en hendidura deben responder a su entorno, ya sea a través de una mayor expresión o permeabilidad. La modulación alterada o alterada puede tener importantes implicaciones para la salud y está asociada con la patogénesis del hígado, el corazón y los intestinos . [2] [3] [4]
La modulación se logra mediante sustancias químicas endógenas , factores de crecimiento , hormonas y proteínas que afectan la expresión, estructura, degradación y permeabilidad de las uniones comunicantes. Las formas naturales de modulación incluyen la activación por voltaje y la modulación química. La activación por voltaje es una modulación relativamente rápida categorizada en activación por Vj y activación por voltaje lenta, que están influenciadas aún más por los iones de calcio (Ca 2+ ), el pH y la calmodulina . [1] [5] La modulación química implica la adición o eliminación de un grupo funcional o proteína de las subunidades conexinas de las uniones comunicantes; esto puede alterar la expresión y la estructura de las uniones gap. [6]
La estructura molecular de las uniones gap las hace sensibles y sensibles a las corrientes intercelulares. [7] Esta sensibilidad permite que el canal altere su tamaño y estructura de acuerdo con las señales eléctricas. Los dos tipos de activación por voltaje, activación Vj y activación por voltaje lento, son similares en sus mecanismos, pero reaccionan a diferentes magnitudes eléctricas. [7] Las señales eléctricas que modulan las uniones en hendidura liberan Ca 2+, lo que induce una retroalimentación positiva con activación de voltaje. [8] Esta modulación del calcio también está influenciada por el pH y la calmodulina. [8]
La activación Vj gobierna el tamaño de la unión gap y es capaz de reducir el tamaño del canal hasta en un 40% desde su estado completamente abierto. [1] [7] La sensibilidad al voltaje se atribuye en gran medida al terminal NH2 citoplasmático de la unión gap , que responde a voltajes pequeños (2-3 mV). [7] [9] La modulación de activación de voltaje está asociada con la carga de conexina ; Las conexinas cargadas positivamente se cierran con hiperpolarización y las conexinas cargadas negativamente se cierran con despolarización . [7] Además de la carga de conexina, la activación de Vj también está regulada por diferentes concentraciones de Ca 2+ , H + y calmodulina. [8]
Se supone que la activación por voltaje lento es similar a la activación por Vj en términos de mecanismo, pero a diferencia de la activación por Vj, cierra completamente el canal a un estado no conductor. [7] Esta modulación es más lenta que el método de activación anterior, ya que ocurre en respuesta a la activación Vj. [7] La regulación temporal del voltaje también está sujeta a un voltaje más alto (10-30 mV), [7] diversos factores naturales, como lipófilos y pH bajo, y al acoplamiento de dos hemicanales . [7] Los mecanismos exactos tanto de la activación por Vj como de la activación por voltaje lento siguen siendo desconocidos, pero se predice que el cambio en la carga hace que el dominio terminal NH2 citoplasmático se mueva hacia el citoplasma para disminuir el tamaño de los poros. [7]
El calcio existe en los organismos en forma de ion Ca 2+ y es un modulador eficaz de las uniones en hendidura, teniendo una estrecha relación con la activación por voltaje. Un aumento en la concentración de iones de calcio intracelular por encima de 500 nM hace que la permeabilidad de las membranas plasmáticas disminuya rápidamente. [5] Se sabe que esta modulación a través del calcio es protectora, ya que evita que las células muertas induzcan la apoptosis en las células vecinas. [10] Sin embargo, rara vez se observa una concentración alta de Ca 2+ , ya que este método de activación es autoinhibidor. [8] Las concentraciones de Ca 2+ son un determinante crucial detrás de la activación del voltaje, ya que la entrada y el movimiento de Ca 2+ son necesarios para la despolarización. [8]
La permeabilidad de las uniones hendidas está aún más influenciada por el pH de su entorno. La sensibilidad al pH depende del tipo de conexina que compone la unión gap, pero los canales generalmente se cierran a un pH de 6,4 a 6,2. [8] [10] En condiciones ácidas débiles, se observa que los canales de la unión gap permanecen cerrados a pesar de los cambios de voltaje, mientras que en condiciones ácidas fuertes, los canales se abren con voltaje, pero se cierran inmediatamente.
Los informes indican además una relación sinérgica entre los iones de hidrógeno y la concentración intracelular de calcio para reducir la permeabilidad de las uniones comunicantes. [8] [10] Los estudios en células cardíacas observaron que la acidosis, la disminución del pH, por sí sola tenía un efecto limitado en la reducción de la difusión del tinte entre las células; la reducción aumentó significativamente con un aumento en la concentración de calcio intracelular. [8]
La calmodulina (CaM) es una proteína compuesta de 148 aminoácidos que desempeña un papel tanto intermediario como directo en la moderación de las uniones comunicantes. [6] [8] La calmodulina actúa como regulador en los canales de membrana, incluidos los canales de iones de potasio activados por Ca 2+ pequeños e intermedios, los canales de Ca 2+ de tipo L , los canales de Ca 2+ de tipo P/Q y los canales de iones de sodio . [8] Todos estos canales de membrana pueden influir aún más en las concentraciones de cationes , determinando el gradiente electroquímico de la membrana celular y afectando la activación del voltaje. [8]
La calmodulina también actúa directamente sobre las uniones comunicantes a través de sus dos sitios de unión de Ca 2+ . [8] [10] Con la unión de Ca 2+ , la calmodulina pasa por un cambio conformacional que finalmente bloquea el canal de la unión comunicante, impidiendo el paso del material citoplasmático. [8] Del mismo modo, mientras que la inhibición de la expresión de calmodulina aumenta la probabilidad de cierre de las uniones comunicantes, los antagonistas de CaM y los bloqueadores de CaM promueven la apertura de las uniones comunicantes. [5] [8]
La modificación química tiene lugar en las proteínas conexinas después de su traducción y normalmente implica cambios en la fosforilación y ubiquitinación , aunque también se ha observado que la nitrosilación , la desamidación y la hidroxilación son procesos de modificación. [10] Las implicaciones de la modificación química varían ampliamente dependiendo del grupo funcional o proteína que se agregó y las proteínas conexinas involucradas. [10] Normalmente, los cambios se producen en el desarrollo y el ciclo de vida de la proteína conexina o en la activación y la estructura de las uniones comunicantes. [10]
La fosforilación , la adición de un grupo fosfato, juega un papel importante en la regulación tanto de las uniones comunicantes como de las subunidades que las forman. La conexina de la proteína de unión gap generalmente posee varios sitios de fosforilación (la conexina Cx43 tiene 21). [11] [12] La unión de fosfato a estos sitios puede provocar varios efectos que influyen en aspectos del ciclo de vida de la proteína. [11] Por ejemplo, la fosforilación de los sitios de fosforilación de Cx43 promueve su tráfico desde el aparato de Golgi a la membrana plasmática . [11] La oligomerización posterior de esta proteína en hemicanales y los hemicanales en uniones comunicantes también se induce mediante fosforilación. [12] Asimismo, la degradación puede iniciarse mediante fosforilación, así como cambios en la activación, lo que determina la permeabilidad de las uniones gap. [13]
La fosforilación de las uniones comunicantes y sus subunidades generalmente se logra mediante proteínas quinasas, enzimas que agregan fosfatos a los aminoácidos de las proteínas. [11] [12] [13] Las serina/treonina quinasas , que fosforilan el grupo hidroxilo de los residuos de serina o treonina, forman la mayor parte de las quinasas de fosforilación de Connexin. Estos incluyen la proteína quinasa C (PKC), la proteína quinasa G (PKG), la quinasa II dependiente de Ca2+/calmodulina (CaMKII), la proteína quinasa A dependiente de AMPc (PKA), la MAP quinasa (MAPK) y la caseína quinasa (CK). [11] Kinase Src es la única tirosina quinasa que se ha observado que fosforila conexinas. [11] Las proteínas quinasas varían en sus conexiones específicas, sitios específicos de fosforilación y efecto de fosforilación. [11]
Por ejemplo, la fosforilación de PKA afecta tanto la actividad del hemicanal como de la conexina. [11] Aquí, la actividad de los hemicanales neuronales se suprime al reducir la permeabilidad, mientras que las conexinas se ven afectadas por un mayor tráfico y ensamblaje en uniones comunicantes. La actividad de PKA se asocia en gran medida con una mayor concentración de AMPc . [11] Por otro lado, la fosforilación de PKB puede prevenir la unión de la proteína zonula occludens-1 , lo que resulta en un aumento del tamaño de la unión gap y de la permeabilidad del hemicanal. [11] Su actividad suele ser en respuesta a cambios fisiológicos como heridas o hipoxia . [11]
La ubiquitina es una proteína globular pequeña y de larga vida que se une covalentemente a los residuos de lisina de las proteínas diana en un proceso conocido como ubiquitinación. [14] Al igual que la fosforilación, actúa como un regulador postraduccional para muchas proteínas, incluida la conexina. [14] Se ha observado que la ubiquitinación está más involucrada en las etapas finales del ciclo de vida de la proteína conexina, regulando tanto la endocitosis de la unión Gap como la degradación de la conexina. [15] Sin embargo, aún se están estudiando los detalles de vías específicas y proteínas involucradas.
Los distintos efectos de la ubiquitinación tienden a variar ampliamente, dependiendo de los tejidos y la ubicación subcelular donde ocurre y el tipo de ubiquitina involucrada. [15] Por ejemplo, la Cx43 recién sintetizada en el retículo endoplásmico puede sufrir poliubiquitinación, lo que da como resultado el reconocimiento por parte de proteosomas que llevan a cabo la degradación de proteínas asociada al retículo endoplásmico (ERAD). [15] La ubiquitinación de Cx43 que se encuentra en la membrana plasmática y está organizada en uniones comunicantes dará como resultado una internalización o endocitosis, seguida de la degradación de Cx43 por los lisosomas. [15]
Se ha demostrado que la nitrosilación , la adición de un grupo de óxido nítrico (NO), tiene un papel sustancial en provocar modificaciones postraduccionales tanto de las proteínas de unión comunicante como de los hemicanales. [16] La nitrosilación puede inducirse en las proteínas conexinas o en proteínas que regulan aún más las conexinas, como las quinasas. El tipo de nitrosilación que se produce es la S-nitrosilación, la adición de un grupo de óxido nítrico a una cisteína tiol de una proteína. [17]
Los experimentos sobre la S-nitrosilación y el ciclo de vida de las uniones gap sugieren que tiene un papel en la regulación del tráfico de hemicanales y la formación de uniones gap; La adición de NO aumentó rápidamente el nivel de conexinas Cx40 y Cx43 en la membrana plasmática, así como la formación de uniones comunicantes en las células endoteliales. [17] El mecanismo detrás de este fenómeno aún se desconoce, pero se cree que las condiciones prooxidantes inducidas por el NO modulan las propiedades del aparato de Golgi , que es responsable de modificar y clasificar las proteínas. [17]
El acoplamiento eléctrico entre las células cardíacas es crucial para un corazón sano, ya que permite que las fibras del músculo cardíaco se contraigan normalmente. Este acoplamiento se realiza mediante uniones gap. [18] Las uniones en hendidura permiten la difusión pasiva de materiales, como iones, a través del citoplasma de una célula a otra; esta unión permite la propagación adecuada de los impulsos eléctricos a lo largo de las células cardíacas. [18]
La enfermedad cardíaca genética, miocardiopatía arritmogénica (MCA), se caracteriza por la expresión/número reducido de las uniones comunicantes del corazón, lo que puede conducir aún más a una función deteriorada y arritmia ventricular. [18] Esta enfermedad es el resultado de una expresión alterada de proteínas, incluidas la cadherina neuronal (CDH2) y la placofilina-2 (PKP2), que promueven naturalmente la expresión de las uniones comunicantes. [18] Se ha descubierto que la disminución de CDH2 reduce la expresión de la conexina 43 (Cx43), una proteína importante que promueve la síntesis de las uniones comunicantes, lo que conduce aún más a una velocidad de conducción reducida de los impulsos eléctricos. [18] La disminución de PKP2 también limita la expresión de Cx43, pero solo con una disminución simultánea en la reducción de N-cadherina. [18]
Como las uniones gap tienen un papel importante en la regulación de la homeostasis del hígado, una expresión anormal de las uniones gap puede contribuir de manera importante a la insuficiencia hepática . [19] Tomando como ejemplos la cirrosis y la insuficiencia hepática aguda (ACLF), una mayor expresión de la conexina hepática 43 se asocia con una inflamación grave . [19] Las condiciones empeoran a medida que el aumento de la expresión de Cx43 propaga rápidamente señales de muerte a las células vecinas, provocando que sufran apoptosis. [19]
Al igual que ocurre con el corazón, las uniones comunicantes desempeñan un papel importante en la mediación de señales eléctricas dentro de los intestinos. [20] Las señales eléctricas son necesarias para la sincronización de los músculos lisos , amortiguar las concentraciones de sustrato y mediar en la inflamación. [20] Como tal, la disfunción de las uniones comunicantes conduce a numerosos síntomas, como infecciones gastrointestinales y enfermedad inflamatoria intestinal . [20]
La patogénesis de las uniones comunicantes varía según la enfermedad. En el caso de la enfermedad inflamatoria intestinal, una disminución en la expresión de las uniones comunicantes altera los complejos de unión entre las células intestinales, lo que provoca síntomas como diarrea y calambres internos. [20] Se sabe menos sobre el mecanismo detrás de la patogénesis de las uniones comunicantes en las infecciones gastrointestinales, pero la correlación es clara: las infecciones se caracterizan por niveles elevados de Cx43 y su localización anormal. [20]
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