Apoptosis (soluciones)

Nota previa.- Este capítulo es muy apropiado para practicar búsquedas en Internet  y también para que los alumnos hallen las respuestas al leer los artículos científicos distribuidos al efecto. 

1.- Internet (busque en “Nobelprize.org”). ¿Quiénes y por qué fueron galardonados con el Premio Nobel de Medicina en 2002? 

El Premio Nobel de Fisiología o Medicina 2002: 

Brenner, Horvitz y Sulston, por sus descubrimientos sobre "la regulación genética del desarrollo de órganos y la muerte celular programada". 

2.- Defina el concepto de apoptosis.

Apoptosis se puede definir como la muerte fisiológica de las células.

Aunque dicho término se considera sinónimo de muerte celular programada, la desaparición de muchas células no está prefijada, sino que es consecuencia de cambios impredecibles en su entorno. La apoptosis es generalmente inducida por agentes externos a la célula, con frecuencia producidos por otras células del organismo. Son las señales de pervivencia, de naturaleza cambiante en distintos períodos, las que impiden el inicio del suicidio celular. La regla general es que el destino de la célula no sólo depende del tipo de señales que reciba en cada instante, sino también de las que haya recibido antes (una excepción a esta regla es la actuación de los linfocitos citotóxicos).

La expresión “muerte celular programada” es en cierto modo equívoca, pues sugiere que la célula tiene fijada genéticamente una fecha de muerte. Lo correcto es interpretar que la célula posee un programa de autodestrucción, pero que sólo será ejecutado ante señales o situaciones muy concretas. Por esta razón se ha propuesto la denominación de suicidio inducido.

Nota.- El término apoptosis deriva del griego arcaico y alude a la caída natural de las hojas. Fue acuñado en 1972 por John Kerr y colaboradores.

3.- ¿Qué se requiere para desencadenar la apoptosis? ¿En qué momento del ciclo celular se toma la decisión de iniciar la apoptosis?

Las células de un ser pluricelular deben estar coordinadas mediante señales químicas para optimizar su fisiología. La respuesta a estas señales es selectiva e implica la recepción de la molécula señal mediante una proteína receptora específica, seguida de la correspondiente transducción, que transforma la señal extracelular en señales intracelulares que modificarán su actividad.

En ausencia de señales concretas o en presencia de señales “de muerte” la célula pone en marcha un programa que provoca su propia destrucción, teniendo lugar una degradación  progresiva de los materiales y estructuras celulares, proceso denominado apoptosis o muerte celular controlada.

Existen proteínas extracelulares que, como las neurotrofinas, pueden favorecer la supervivencia, o por el contrario inducir la apoptosis, como ocurre con el ligando de Fas.

La decisión de proseguir el ciclo o entrar en la vía terminal de apoptosis se toma en el punto de control situado al final de la fase G₁ del ciclo celular.

4.- Haga un resumen sobre las diversas señales que  regulan el suicidio celular.

La  célula recibe señales de multiplicación celular que promueven la expresión de los llamados protooncogenes, que además de iniciar tal multiplicación, intervienen en la activación de las ciclinas para garantizar el curso de todas las etapas del ciclo celular.

Señales provenientes del medio extracelular, tales como el factor de necrosis tumoral (TNF) y el ligando del receptor Fas, inducen el suicidio celular.

La iniciación del suicidio se realiza mediante activación de las proteasas ICE.

Cuando la célula recibe menos señales de supervivencia disminuye la expresión de los genes inhibidores del suicidio, como Bcl-2.

5.- ¿Cómo actúan los linfocitos citotóxicos (o verdugos)?

Los linfocitos citotóxicos o verdugos, al entrar en contacto con las células infectadas, llevan a cabo la secreción de unos gránulos citoplásmicos que contienen proteínas citotóxicas: perforina y granzimas (las dos más importantes son la granzima A y la granzima B).

La perforina interacciona con las membranas celulares y permite el acceso de las granzimas al interior de la célula diana, las cuales inducen muerte celular por apoptosis.

Las granzimas desempeñan un papel crucial, pues intervienen en la activación proteolítica de las enzimas ICE de la célula alterada o infectada, desencadenando el suicidio de la misma, sin que en este caso influyan las señales que la célula reciba de su entorno.

Nota.- Algunos autores concluyen que el sistema perforina-granzima B induce apoptosis a través de la activación de caspasas, implicando a la vía mitocondrial, y que el sistema perforina-granzima A induce apoptosis a través de la generación de radicales libres, también por la vía mitocondrial, pero en ausencia de activación de caspasas

6.- ¿A qué se refiere el llamado “carácter altruista” de la apoptosis?

Los seres pluricelulares recurren a la apoptosis en muchos procesos fisiológicos y patológicos. El carácter altruista de la apoptosis alude a que la célula se autodestruye en beneficio del organismo. De esta forma, la apoptosis, también llamada muerte celular controlada, contribuye al desarrollo y bienestar del organismo.

Este programa de muerte celular ocurre, por ejemplo, en células infectadas por virus (evitando con ello la producción de nuevas partículas víricas) o en las que tengan importantes alteraciones en su ADN.

7.- ¿Qué significado tiene la frase: “La muerte celular forma parte de la vida”?

En la ontogénesis de cada ser vivo pluricelular, la muerte de ciertas células es necesaria para el correcto desarrollo orgánico. Concretamente, un embrión humano de pocas semanas tiene los dedos unidos por una membrana cuyas células se eliminan a sí mismas, dejando los dedos bien separados.

Además, todo ser vivo debe desprenderse de las células que a lo largo de su vida han ido acumulando mutaciones y errores susceptibles de convertirlas en cancerosas. Cualquier desarreglo que afecte a la capacidad de morir de estas células puede tener consecuencias letales para el organismo.

8.- ¿A qué se refiere la frase: “La muerte es escultora de vida”?

A lo largo del desarrollo embrionario la muerte celular modela la forma del embrión eliminando tejidos, como si fuese un escultor. Así, por ejemplo, la cola y las branquias del renacuajo desaparecen durante la metamorfosis en rana.

En el caso humano, la cola del embrión también es eliminada gracias a la muerte celular, quedando esculpido un feto sin cola, y la formación de la mano, mediante eliminación del tejido interdigital, ya se ha mencionado en la cuestión anterior.

9.- ¿Es lo mismo necrosis celular que apoptosis? ¿Qué factores pueden causar necrosis?

La necrosis o muerte accidental se produce cuando la célula sufre daño grave. La célula lesionada se hincha y la membrana celular se rompe, expulsando al medio su contenido, situación que suele desencadenar un proceso inflamatorio y provocar un daño más o menos severo en la matriz intercelular  y en las células vecinas.

Por el contrario, en la apoptosis no hay expulsión de materiales celulares y, por lo general, las células que mueren de esta forma son células sanas, esto es, potencialmente funcionales, a diferencia de las que mueren por necrosis.

En la necrosis las células pueden ser alteradas por una serie de factores: lesiones,  hipoxia, toxinas, agentes infecciosos, etc.

10.- ¿En qué consiste la apoptosis o muerte celular programada (MCP) y cuáles son las características morfológicas?

Actualmente se consideran tres formas o modalidades de  muerte celular programada (MCP): tipo 1, apoptosis, que es la más común; tipo 2, autofagia, mediante acción de los lisosomas; tipo 3, muerte vesicular no lisosomal.

La apoptosis es el tipo de MCP más frecuente y consiste, fundamentalmente, en la activación de las enzimas ejecutoras del programa. Se trata de una muerte “natural” y las células se autodestruyen en un período de tiempo que en general oscila alrededor de 60 minutos, pero sin expulsar al medio su contenido.

Morfológicamente se caracteriza por: retracción celular, disminución de la turgencia, desorganización del citoesqueleto y de la lámina nuclear, invaginación de la membrana nuclear, fragmentación del material cromosómico (la rotura del ADN  en grandes fragmentos sería la señal irreversible que conduce a la apoptosis), formación de protuberancias en la superficie celular. Finalmente, la célula origina varias vesículas o cuerpos apoptóticos (con orgánulos y fragmentos nucleares), que en general son fagocitados por los macrófagos.

11.- ¿Qué relación hay entre la apoptosis y las mitocondrias?

Las mitocondrias son los orgánulos que producen la energía de la célula, por lo que cualquier disfunción conduce a la desregulación del medio intracelular. En tales circunstancias la mitocondria deja de producir eficientemente energía y libera una serie de moléculas que pueden desencadenar la apoptosis.

Una de estas moléculas es el citocromo c, proteína crucial en la transferencia de electrones propia de la respiración celular, pero que en el citosol activa la vía de las caspasas.

La mitocondria puede liberar también el factor inductor de la apoptosis (AIF), una proteína cuya actividad apoptótica pasa por su transporte al núcleo y es independiente, al menos en parte, de la vía de las caspasas.

12.- ¿Qué son las caspasas y qué función realizan?

Las caspasas (cisteína-aspartato-proteasas) son enzimas responsables de llevar a cabo la apoptosis. Se hallan en la célula como precursores inactivos, llamados procaspasas, que requieren una activación proteolítica.

Las caspasas degradan las proteínas celulares actuando como endopeptidasas, o sea, catalizando la hidrólisis de los enlaces peptídicos del interior de las cadenas proteicas. El nombre se debe a la presencia de cisteína en el centro activo y a la rotura de enlaces peptídicos junto a residuos de aspartato.

Hay dos vías alternativas para activar a las caspasas: la  extrínseca, iniciada por señales externas captadas por  un “receptor de muerte” en la superficie celular, que al ser   transducidas en el citoplasma desencadenan reacciones para activar a las caspasas, y la intrínseca, iniciada por cambios en la integridad  mitocondrial.

La acción de estas proteasas provoca la rotura de numerosas proteínas citosólicas, deshace el citoesqueleto, degrada la  lámina nuclear, etc.

13.- ¿A qué se llama CAD y cuál es su función?

CAD significa “caspasa activadora de la desoxirribonucleasa”. Esta activación desencadena la hipercondensación y rotura del ADN cromosómico. Todo ello favorece la fragmentación nuclear, la retracción celular y la formación de cuerpos apoptóticos.

Por lo común, CAD existe como un complejo inactivo, llamado ICAD (inhibidor de CAD). Durante la apoptosis, ICAD se rompe por la acción de caspasas concretas, liberando a CAD. Ello conduce seguidamente a la rápida rotura del ADN nuclear.

14.- ¿A que se llama apoptosoma? ¿Qué significan las siglas “Iap”?

Se utiliza el término apoptosoma para designar la estructura proteínica que se forma en el proceso de apoptosis.

La proteína Apaf-1 (Apoptosis protease-activating factor-1) es un regulador clave de la vía apoptótica mitocondrial, siendo el elemento central del complejo multimérico denominado apoptosoma, formado también por la procaspasa-9 y el citocromo c.

La función de las caspasas efectoras, o sea, de las ejecutoras de la apoptosis, está regulada por otro grupo de proteínas, las Iap , esto es, proteínas inhibidoras de la apoptosis (Inhibitor of apoptosis proteins). Así pues, un elemento fundamental en el control de la apoptosis es la regulación de estas proteínas.

15.- ¿Por qué se dice que el gen p53 puede desempeñar el papel de policía o de asesino?

Este gen vela por la integridad del genoma y obliga a la célula a interrumpir su multiplicación y a reparar su lesión genética cuando ésta se produce, es decir, detiene el ciclo celular, actuando como policía, hasta que se termina la reparación, razón por la cual fue denominado “guardián” del genoma.

Las mutaciones  que provocan la disfunción del gen p53 tienen como consecuencia que las células alteradas puedan seguir  multiplicándose y sufrir nuevas transformaciones genéticas favorables a la tumoración (en torno al 50 % de los casos de cáncer en humanos presentan mutaciones en dicho gen).

Por otra parte, el gen p53 participa en la apoptosis o muerte  celular programada, conduciendo a las células al suicidio cuando el daño en el ADN es tan significativo que rebasa la capacidad de reparación. Así, pues, cuando la lesión en el ADN es demasiado importante, el gen p53 desempeña el papel de asesino puesto que desencadena la muerte de la célula.

Nota.- El gen p53 está localizado en el brazo corto del cromosoma 17 y codifica a la proteína p53, cuya concentración intracelular debe estar bien regulada, pues si el nivel es demasiado alto puede exacerbar la apoptosis. El regulador principal de p53 es Mdm2, que actúa “marcando” a p53 para que sea ubiquitinada y degradada.

La proteína p53 es capaz de unirse a lugares específicos del ADN, regulando la expresión de otros genes que controlan funciones celulares esenciales. Esta es la razón de la conexión del gen p53  con procesos tales como la carcinogénesis, el ciclo celular y la activación de la apoptosis.

16.- ¿Cuál es la probable relación entre una mutación temprana del gen p53 y el desarrollo del cáncer de pulmón?

La proteína p53 (codificada por el gen p53), que bloquea el ciclo celular cuando el ADN está alterado, puede llegar a inducir apoptosis en la célula cuyo ADN esté severamente dañado. La mutación temprana del gen p53 tenderá a impedir que células anormales mueran por apoptosis, dejando vía libre al proceso de tumorogénesis.

17.- Busque en Internet el artículo “Apoptosis, señalización celular y transformaciones tumorales en Drosophila” (Ginés Morata. Centro de Biología Molecular “Severo Ochoa”, CSIC-UAM, Madrid). Encuentre la respuesta a las siguientes cuestiones:

A)  ¿Qué funciones cumple la apoptosis?

B)  ¿Cómo se puede inducir apoptosis?

C)  ¿Es posible mantener vivas durante mucho tiempo células apoptóticas?

A) La mortalidad celular programada, o apoptosis, cumple varias funciones muy importantes durante el desarrollo animal.

Es necesaria para muchos procesos morfogenéticos, así como para impedir que haya exceso de células o eliminar células dañadas o debilitadas durante el desarrollo.

La apoptosis ha de estar regulada de forma muy precisa porque su desregulación da lugar frecuentemente a procesos tumorales y su exceso está relacionado con la aparición de enfermedades neurodegenerativas en humanos.

B) Existen órganos, como  el disco imaginal de ala de Drosophila, donde no hay apoptosis en el desarrollo normal. Sin embargo, este proceso se puede inducir mediante tratamientos de estrés con irradiación (rayos X) o choque térmico, siempre que se haya inhibido previamente la actividad caspasa.

En estas condiciones se ha observado que las células emiten las moléculas señalizadoras Decapentaplegic (Dpp) y Wingless (Wg), las cuales inducen proliferación adicional en las células vecinas. Dpp y Wg son los morfógenos principales en el desarrollo de Drosophila, y sus homólogos en vertebrados  (TFG-ß/BMP y Wnt) tienen funciones similares.

En experimentos recientes se ha estudiado el papel específico de las señales Dpp y Wg en el proceso, descubriendo que el estímulo proliferativo se debe únicamente a Dpp mientras que Wg tiene una actividad inhibitoria destinada a regular el efecto de Dpp.

C) También se ha descubierto, en experimentos con Drosophila, que se pueden mantener vivas indefinidamente las células apoptóticas mediante el uso de un inhibidor general de la actividad caspasa, la proteína de baculovirus P35.

18.- En relación con el estudio realizado por R. Horvitz (uno de los galardonados con el Nobel de Medicina de 2002) sobre los genes del suicidio celular en el nematodo Caenorhabditis elegans, exponga una interpretación del esquema adjunto. ¿Cuál es la conclusión?

He aquí la interpretación siguiendo el orden del esquema:

Cuando los dos genes se expresan, la célula sobrevive.

Cuando se expresa solamente Ced-3, tiene lugar el suicidio celular.

Si se expresa Cde-9, pero no Cde-3, la célula vive.

La ausencia de los productos de expresión de esos dos genes permite que la célula viva.

Conclusión: La expresión del gen Cde-3  provoca la muerte, mientras que la de Cde-9  la impide. O bien: la expresión del gen Cde-3  es necesaria, pero no suficiente, para provocar la muerte.

Nota.- El análisis genómico de mutantes de Caenorhabditis elegans  ha permitido identificar los 14 genes que gobiernan todas las fases del suicidio celular (de las 1090 células que se originan durante el desarrollo embrionario mueren 131). Dos de esos 14 genes, Cde-3 y Cde-9, desempeñan una función esencial en la regulación de la muerte celular.

19.- ¿Qué genes regulan la muerte celular de los organismos más complejos que Caenorhabditis elegans?

Relacionados con la regulación de la muerte celular, los seres humanos poseen dos genes muy parecidos a los del nematodo, los llamados ICE y Bcl-2, cuyas familias se componen al menos de 6 miembros cada una.

La expresión de los genes de la familia ICE promueve la apoptosis.

En la otra familia hay genes antagonistas, pues Bcl-2 y Bcl-XL favorecen la supervivencia impidiendo la activación o los efectos de las proteasas ICE, mientras que, por el contrario, Bax, Bad, Bag y Bak promueven el suicidio, oponiéndose a los efectos de los otros dos de su propia familia y apoyando la actividad de las citadas proteasas.

20.- ¿Está de acuerdo con la existencia de una cierta especialización de los genes reguladores de la muerte celular?

Se ha descubierto que la supervivencia de una población celular concreta viene asegurada en momentos diferentes  de su existencia por la expresión de distintos genes de la familia  Bcl-2. La expresión de Bcl-XL es indispensable, por ejemplo,  para la supervivencia de los linfocitos embrionarios, mientras que la de Bcl-2 lo es para la de los linfocitos adultos.

A esta especialización de los genes reguladores de la muerte celular se superpone la diversidad de las reacciones que presentan las células ante determinada señal. Puesto que una misma señal puede desencadenar la expresión de diferentes genes  en poblaciones celulares distintas, provocará la muerte de unas y la supervivencia de otras, circunstancia que apunta hacia la enorme complejidad de la regulación genética y molecular del suicidio celular.

21.- ¿Cómo se comportan las células normales y las cancerosas  cuando emigran a otros órganos?

Una célula normal que emigre a un órgano que no es el suyo tendrá serios problemas de supervivencia, puesto que allí no recibe las señales necesarias para impedir que actúe su programa de autodestrucción.

Por el contrario, una célula cancerosa, cuyo programa de suicidio está inutilizado, puede seguir viviendo  en ausencia de las señales apropiadas, circunstancia que permite colonizar nuevos órganos y formar metástasis.

22.- ¿Hay apoptosis en los procesos de tumorogénesis?

Se dan todos los grados intermedios entre los tumores cuyas células mueren por apoptosis en número considerable, pero se multiplican aún más aprisa, y aquellos cuyas células se multiplican prácticamente sin freno apoptótico, que son los más nocivos y los que en el caso humano suelen tener un pronóstico infausto.

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