A sinalización celular ou comunicación celular é unha parte do complexo sistema de comunicación que controla as actividades celulares básicas e coordina as accións celulares. As células comunícanse liberando moléculas, que chegan a receptores doutra célula e producen nela un efecto ou resposta. A capacidade das células de percibiren e responderen correctamente ao seu microambiente está na base do desenvolvemento, reparación de tecidos, inmunidade e homeostase dos tecidos. Os erros no procesamento da información celular son responsables de enfermidades como o cancro, autoinmunidade, e diabetes.
O traballo tradicional en bioloxía neste campo estaba enfocado ao estudo de partes concretas das vías de sinalización celular. A investigación en bioloxía de sistemas axúdanos a comprender a estrutura subxacente das redes de sinalización celular e como poden afectar os cambios nestas redes á transmisión e fluxo de información. Tales redes son sistemas complexos na súa organización e poden mostrar diversas propiedades emerxentes como a biestabilidade (con dous estados estables) e ultrasensibilidade. A regulación alostérica de amplo rango é a miúdo un compoñente significativo dos procesos de sinalización celular.
Sinalización celular en organismos unicelulares e multicelulares miniatura|dereita|Figura 1. Exemplo de sinalización entre bacterias. Salmonella enteritidis utiliza a acil homoserina lactona para a percepción do quórum ou quorum sensing (ver: Comunicación interbacteriana.) A sinalización celular foi moi estudada no contexto de doenzas humanas e na sinalización entre células dun só organismo. Porén, a sinalización celular pode tamén ter lugar entre células de diferentes organismos.
En moitos mamíferos, as células do embrión nas súas fases iniciais intercambian sinais coas células do útero. No tracto gastrointestinal humano, as bacterias intercambian sinais unhas con outras e coas células epiteliais e inmunitarias humanas. Nos lévedos Saccharomyces cerevisiae durante o apareamento entre os tipos "a" e "alfa", algunhas células liberan un péptido de sinalización (factor de apareamento similar a unha feromona) no seu ambiente; o péptido do factor de apareamento pode unirse a un receptor da superficie celular doutras células de lévedo e indúceos a que se preparen para o apareamento.
Tipos de sinais miniatura|esquerda|Figura 2. Sinal xustácrino mediado por Notch entre células adxacentes.
As células comunícanse por contacto directo (sinalización xustácrina), ou a curta distancia (sinalización parácrina), ou a gran distancia e/ou escala (sinalización endócrina).
Algunhas comunicacións célula-célula requiren o contacto directo entre elas. Algunhas células poden formar unións comunicantes que conectan o seu citoplasma co citoplasma das células adxacentes. No músculo cardíaco, as unións comunicantes entre células adxacentes permiten a propagación de potenciais de acción a partir da rexión do corazón que funciona como marcapasos cardíaco para que o potencial eléctrico se propague e cause a contracción coordinada do corazón.
O mecanismo da sinalización de Notch é un exemplo de sinalización xustácrina (tamén chamada sinalización dependente do contacto) na cal dúas células adxacentes deben establecer contacto físico para comunicarse. Este requirimento dun contacto directo permite un control moi preciso da diferenciación celular durante o desenvolvemento embrionario. No verme Caenorhabditis elegans, dúas células da gónada en desenvolvemento teñen cada unha a mesma posibilidade de ou ben diferenciarse completamente ou ben converterse nunha célula precursora uterina que continúa dividíndose. A elección de cal das dúas células continuará dividíndose está controlada pola competición de sinais na superficie celular. Unha célula casualmente producirá máis cantidade dunha proteína da superficie celular que activa os receptores Notch da célula adxacente. Isto activa un sistema ou bucle de retroalimentación que reduce a expresión de Notch na célula que se diferenciará e que incrementa a cantidade de Notch na superficie da célula que continúa sendo unha célula troncal.
Transpórtanse moitos outros sinais por moléculas que se liberan desde unha célula e se desprazan para facer contacto con outra célula. Os sinais endócrinos denomínanse hormonas. As hormonas son producidas polas células endócrinas e viaxan a través do sangue e chegan a todas partes do corpo. A especificidade da sinalización pode controlarse porque só algunhas das células poden responder a unha determinada hormona. Os sinais parácrinos como o ácido retinoico diríxense só ás células que están nas proximidades da célula emisora. Os neurotransmisores son outro exemplo de sinal parácrino. Algunhas moléculas de sinalización poden funcionar tanto como hormonas coma como neurotransmisores. Por exemplo, a adrenalina (epinefrina) e a noradrenalina (norepinefrina) poden funcionar como hormonas cando se liberan da glándula suprarrenal e son transportadas ao corazón por vía sanguínea. A noradrenalina pode tamén producirse nas neuronas para funcionar como neurotransmisor no cerebro. O estróxeno pode liberarse no ovario e funcionar como unha hormona ou actuar localizadamente por vía parácrina (nas células próximas) ou por sinalización autócrina (na mesma célula que a produciu). As especies reactivas do osíxeno, como o óxido nítrico (NO) poden tamén actuar como mensaxeiros celulares. Este proceso denomínase sinalización redox.
Receptores para a a mobilidade celular e a diferenciación As células captan a información que envían as súas células veciñas por medio de proteínas, xeralmente de membrana, chamadas receptores. Por exemplo, Notch é unha proteína da superficie celular que funciona como receptor Artavanis-Tsakonas, Spyros et al. (1999-04-30). "Notch Signaling: Cell Fate Control and Signal Integration in Development (Review)". Science 284 (5415): 770–776. Bibcode 1999Sci...284..770A. doi:10.1126/science.284.5415.770. PMID 10221902.. Os animais teñen un pequeno conxunto de xenes que codifican proteínas sinalizadoras que interaccionan especificamente cos receptores Notch e estimulan unha resposta nas células que expresan Notch na súa superficie. As moléculas que activan (ou, en certos casos inhiben) os receptores poden clasificarse como hormonas, neurotransmisores, citocinas, e factores de crecemento, e todos eles se denominan ligandos de receptores. Os detalles das interaccións ligando-receptor son fundamentais para a sinalización celular.
Como se mostra na figura 2 de máis arriba, no caso de Notch, esta actúa como un receptor para ligandos que se expresan en células adxacentes. Aínda que moitos receptores son proteínas de superficie, hai tamén receptores no interior das células. Por exemplo, o estróxeno é unha molécula hidrofóbica que pode pasar a través da bicapa lipídica da membrana plasmática. Os receptores de estróxenos intracelulares que se encontran en diversos tipos de células poden ser activados polos estróxenos producidos nos ovarios.
Existen diversos receptores transmembrana específicos para pequenas moléculas e hormonas peptídicas xunto con receptores intracelulares para as hormonas esteroides, que lle dan ás células a capacidade de responderen a un gran número de estímulos hormonais e farmacolóxicos. En certas enfermidades, é frecuentre que as proteínas que interaccionan cos receptores sexan activadas de forma anormal, orixinando vías de sinalización constitutivamente activadas.
Para varios tipos de moléculas de sinalización intercelular que non poden atravesar a membrana celular hidrofóbica debido á súa natureza química hidrofílica, os receptores que son as súas dianas están expresados na membrana. Cando a molécula sinalizadora se une e activa ao seu receptor, o sinal xeramnelte é levado ao interior da célula por medio dunha molécula que funciona como segundo mensaxeiro, como o AMP cíclico.
Tipos de ligandos Os ligandos que interveñen na sinalización celular poden clasificarse en tres tipos: Ligandos solubles, como hormonas, factores de crecemento, citocinas etc. Ligandos fixos na superficie doutra célula. As dúas células teñen que establecer contacto. Ligandos fixos na matriz extracelular.
Vías de sinalización miniatura|500px|dereita|Diagrama global das vías de transdución de sinais. miniatura|dereita|Figura 3. Diagrama que mostra os compoñentes principais dunha vía de transdución de sinais (vía MAPK/ERK). A sinalización celular funciona normalmente por medio de rutas de activación secuencial de substancias, que se denominan vías de sinalización. Nalgúns casos, a activación do receptor causada pola unión a el do seu ligando está directamente combinada coa resposta celular ao ligando. Por exemplo, o neurotransmisor GABA pode activar un receptor da superficie celular que é parte dunha canle iónica. A unión do GABA a un receptor GABA A dunha neurona fai que se abra unha canle iónica selectiva para o cloruro que é parte do receptor. A activación do receptor GABA A permite que os ións cloruro cargados negativamente se movan cara ao interior da neurona, onde inhiben a capacidade da neurona de producir potenciais de acción. Porén, para moitos receptores da superficie celular, as interaccións ligando-receptor non están dunha forma directa ligadas á resposta celular, xa que esta ten lugar de forma indirecta. O receptor activado debe interaccionar primeiro con outras proteínas dentro da célula antes de que os efectos fisiolóxicos finais causados polo ligando produzan un determinado comportamento na célula. A miúdo, despois da activación do receptor altérase a actividade dunha cadea de varias proteínas celulares que interaccionan con outros compoñentes celulares. O conxunto completo de cambios inducidos pola activación do receptor denomínase vía de transdución de sinais.
No caso da sinalización mediada por Notch, o mecanismo de transdución de sinais pode ser relativamente simple. Como se mostra na figura 2, a activación de Notch pode causar que a proteína Notch sexa alterada por unha protease. Parte da proteína Notch libérase da membrana superficial e toma parte na regulación xénica. A investigación da sinalización celular comprende o estudo das dinámicas espaciais e temporais dos receptores e dos compoñentes das vías de sinalización que son activados polos receptores en diversos tipos celulares.Oswald F, Täuber B, Dobner T, Bourteele S, Kostezka U, Adler G, Liptay S, Schmid RM (November 2001). "p300 acts as a transcriptional coactivator for mammalian notch-1". Mol. Cell. Biol. 21 (22): 7761–74. doi:10.1128/MCB.21.22.7761-7774.2001. PMC 99946. PMID 11604511. //www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC99946/.