Moléculas de señalización gaseosas - Gaseous signaling molecules
Moléculas de señalización gaseosos son gaseosos moléculas que están o bien sintetizados internamente ( endógena ) en el organismo , tejido o célula o se reciben por el organismo, tejido o célula desde el exterior (por ejemplo, de la atmósfera o la hidrosfera , como en el caso de oxígeno ) y que se utilizan para transmitir señales químicas que inducen determinados cambios fisiológicos o bioquímicos en el organismo, tejido o célula. El término se aplica a, por ejemplo, oxígeno , dióxido de carbono , dióxido de azufre , óxido nitroso , cianuro de hidrógeno , amoníaco , metano , hidrógeno , etileno , etc.
Las moléculas de señalización gaseosas seleccionadas se comportan como neurotransmisores y se denominan gasotransmisores . Incluyen óxido nítrico , monóxido de carbono y sulfuro de hidrógeno .
Las funciones biológicas de cada una de las moléculas de señalización gaseosas se describen a continuación.
Moléculas de señalización gaseosas
Oxígeno
Dióxido de carbono
El dióxido de carbono es uno de los mediadores de la autorregulación local del riego sanguíneo. Si sus niveles son altos, los capilares se expanden para permitir un mayor flujo sanguíneo a ese tejido.
Los iones de bicarbonato son cruciales para regular el pH sanguíneo. La frecuencia respiratoria de una persona influye en el nivel de CO 2 en sangre. La respiración demasiado lenta o superficial provoca acidosis respiratoria , mientras que la respiración demasiado rápida produce hiperventilación , que puede provocar alcalosis respiratoria .
Aunque el cuerpo necesita oxígeno para el metabolismo, los niveles bajos de oxígeno normalmente no estimulan la respiración. Más bien, la respiración es estimulada por niveles más altos de dióxido de carbono.
Los centros respiratorios intentan mantener una presión arterial de CO 2 de 40 mm Hg. Con la hiperventilación intencional, el contenido de CO 2 de la sangre arterial puede reducirse a 10-20 mm Hg (el contenido de oxígeno de la sangre se ve poco afectado) y el impulso respiratorio disminuye. Es por eso que uno puede contener la respiración por más tiempo después de hiperventilar que sin hiperventilar. Esto conlleva el riesgo de que se pierda el conocimiento antes de que la necesidad de respirar se vuelva abrumadora, por lo que la hiperventilación es particularmente peligrosa antes del buceo libre.
Óxido nitroso
El óxido nitroso en los sistemas biológicos se puede formar mediante una reducción enzimática o no enzimática del óxido nítrico . Los estudios in vitro han demostrado que el óxido nitroso endógeno se puede formar por reacción entre el óxido nítrico y el tiol . Algunos autores han demostrado que este proceso de reducción de NO a N 2 O tiene lugar en los hepatocitos , específicamente en su citoplasma y mitocondrias , y sugirieron que el N 2 O posiblemente se puede producir en células de mamíferos. Es bien sabido que algunas bacterias producen N 2 O durante el proceso llamado desnitrificación.
En 1981, se sugirió por primera vez a partir del trabajo clínico con óxido nitroso (N2O) que un gas tenía una acción directa en los receptores farmacológicos y, por lo tanto, actuaba como neurotransmisor. Los experimentos in vitro confirmaron estas observaciones que se replicaron posteriormente en el NIDA.
Además de sus acciones directas e indirectas en los receptores opioides, también se demostró que el N 2 O inhibe la actividad mediada por el receptor NMDA y las corrientes iónicas y disminuye la excitotoxicidad y la neurodegeneración mediada por el receptor NMDA. El óxido nitroso también inhibe la metionina sintasa y ralentiza la conversión de homocisteína en metionina , aumenta la concentración de homocisteína y disminuye la concentración de metionina. Este efecto se demostró en cultivos de células de linfocitos y en muestras de biopsia de hígado humano.
El óxido nitroso no se une como ligando al hemo y no reacciona con las proteínas que contienen tiol . Sin embargo, los estudios han demostrado que el óxido nitroso puede "insertarse" de forma reversible y no covalente en las estructuras internas de algunas proteínas que contienen hemo, como la hemoglobina , la mioglobina , la citocromo oxidasa y alterar su estructura y función. La capacidad del óxido nitroso para alterar la estructura y función de estas proteínas se demostró por cambios en los espectros infrarrojos de los tioles de cisteína de la hemoglobina y por la inhibición parcial y reversible de la citocromo oxidasa.
El óxido nitroso endógeno posiblemente puede desempeñar un papel en la modulación de la sisterosclerosis por NMDA y opioides endógenos , sepsis grave, paludismo grave o autoinmunidad. Se han realizado pruebas clínicas con seres humanos, sin embargo, los resultados aún no se han publicado.
Subóxido de carbono
El subóxido de carbono , C 3 O 2 , se puede producir en pequeñas cantidades en cualquier proceso bioquímico que normalmente produce monóxido de carbono , CO, por ejemplo, durante la oxidación del hemo por la hemo oxigenasa-1. También se puede formar a partir de ácido malónico. Se ha demostrado que el subóxido de carbono en un organismo puede polimerizar rápidamente en estructuras de policarbonato macrocíclico con la fórmula común (C 3 O 2 ) n (principalmente (C 3 O 2 ) 6 y (C 3 O 2 ) 8 ), y que esos Los compuestos macrocíclicos son potentes inhibidores de Na + / K + -ATP-ase y ATP-ase Ca-dependiente, y tienen propiedades fisiológicas similares a la digoxina y acciones natriuréticas y antihipertensivas. Se cree que esos compuestos poliméricos de subóxido de carbono macrocíclicos son reguladores endógenos de tipo digoxina de Na + / K + -ATP-asas y ATP -asas dependientes de Ca, y natriuréticos y antihipertensivos endógenos. Aparte de eso, algunos autores también piensan que esos compuestos macrocíclicos de subóxido de carbono pueden posiblemente disminuir la formación de radicales libres y el estrés oxidativo y desempeñar un papel en los mecanismos de protección endógenos contra el cáncer, por ejemplo en la retina .
Dióxido de azufre
El papel del dióxido de azufre en la biología de los mamíferos aún no se comprende bien. El dióxido de azufre bloquea las señales nerviosas de los receptores de estiramiento pulmonar y anula el reflejo de inflación de Hering-Breuer .
Se demostró que el dióxido de azufre endógeno juega un papel en la disminución del daño pulmonar experimental causado por el ácido oleico . El dióxido de azufre endógeno redujo la peroxidación de lípidos, la formación de radicales libres, el estrés oxidativo y la inflamación durante un daño pulmonar experimental. Por el contrario, un daño pulmonar exitoso provocó una disminución significativa de la producción de dióxido de azufre endógeno y un aumento de la peroxidación de lípidos, la formación de radicales libres, el estrés oxidativo y la inflamación. Además, el bloqueo de una enzima que produce SO 2 endógeno aumentó significativamente la cantidad de daño al tejido pulmonar en el experimento. Por el contrario, la adición de acetilcisteína o glutatión a la dieta de las ratas aumentó la cantidad de SO 2 endógeno producido y disminuyó el daño pulmonar, la formación de radicales libres, el estrés oxidativo, la inflamación y la apoptosis.
Se considera que el dióxido de azufre endógeno juega un papel fisiológico significativo en la regulación de la función cardíaca y de los vasos sanguíneos , y el metabolismo aberrante o deficiente del dióxido de azufre puede contribuir a varias enfermedades cardiovasculares diferentes, como hipertensión arterial , aterosclerosis , hipertensión arterial pulmonar , estenocardia .
Se demostró que en niños con hipertensión arterial pulmonar debido a cardiopatías congénitas el nivel de homocisteína es más alto y el nivel de dióxido de azufre endógeno es más bajo que en los niños control normales. Además, estos parámetros bioquímicos se correlacionaron fuertemente con la gravedad de la hipertensión arterial pulmonar. Los autores consideraron que la homocisteína es uno de los marcadores bioquímicos útiles de la gravedad de la enfermedad y que el metabolismo del dióxido de azufre es una de las posibles dianas terapéuticas en esos pacientes.
Dióxido de azufre endógena también se ha demostrado para reducir la proliferación tasa de endoteliales de músculo liso células en los vasos sanguíneos, a través de la reducción de la MAPK actividad y la activación de la adenilil ciclasa y proteína quinasa A . La proliferación de células de músculo liso es uno de los mecanismos importantes de remodelación hipertensiva de los vasos sanguíneos y su estenosis , por lo que es un mecanismo patogénico importante en la hipertensión arterial y la aterosclerosis.
El dióxido de azufre endógeno en concentraciones bajas produce vasodilatación dependiente del endotelio . En concentraciones más altas, causa vasodilatación independiente del endotelio y tiene un efecto inotrópico negativo sobre la función del gasto cardíaco, lo que reduce de manera efectiva la presión arterial y el consumo de oxígeno del miocardio. Los efectos vasodilatadores del dióxido de azufre están mediados por canales de calcio dependientes de ATP y canales de calcio de tipo L ("dihidropiridina"). El dióxido de azufre endógeno también es un potente agente antiinflamatorio, antioxidante y citoprotector. Disminuye la presión arterial y retrasa la remodelación hipertensiva de los vasos sanguíneos, especialmente el engrosamiento de la íntima. También regula el metabolismo de los lípidos.
El dióxido de azufre endógeno también disminuye el daño miocárdico, causado por la hiperestimulación adrenérgica del isoproterenol y fortalece la reserva de defensa antioxidante del miocardio.
Cianuro de hidrógeno
Algunos autores han demostrado que las neuronas pueden producir cianuro de hidrógeno tras la activación de sus receptores opioides por opioides endógenos o exógenos. También han demostrado que la producción neuronal de HCN activa los receptores de NMDA y desempeña un papel en la transducción de señales entre las células neuronales ( neurotransmisión ). Además, el aumento de la producción de HCN neuronal endógeno bajo opioides aparentemente era necesario para una analgesia opioide adecuada , ya que la acción analgésica de los opioides era atenuada por los captadores de HCN. Consideraron que el HCN endógeno era un neuromodulador.
También se demostró que, al tiempo que estimula muscarínicos colinérgicos receptores en cultivadas de feocromocitoma de células aumenta la producción de HCN, en un organismo vivo ( in vivo ) colinérgicos muscarínicos estimulación en realidad disminuye la producción de HCN.
Los leucocitos generan HCN durante la fagocitosis .
Se ha demostrado que la vasodilatación , causada por el nitroprusiato de sodio , está mediada no solo por la generación de NO, sino también por la generación de cianuro endógeno, que agrega no solo toxicidad, sino también cierta eficacia antihipertensiva adicional en comparación con la nitroglicerina y otros nitratos no cianogénicos que sí lo hacen. no hace que aumenten los niveles de cianuro en sangre.
Amoníaco
El amoníaco también juega un papel en la fisiología animal tanto normal como anormal . Se biosintetiza mediante el metabolismo normal de los aminoácidos, pero es tóxico en concentraciones elevadas. El hígado convierte el amoníaco en urea a través de una serie de reacciones conocidas como ciclo de la urea . La disfunción hepática, como la que se observa en la cirrosis , puede provocar cantidades elevadas de amoníaco en la sangre ( hiperamonemia ). Asimismo, los defectos en las enzimas responsables del ciclo de la urea, como la ornitina transcarbamilasa , provocan hiperamonemia. La hiperamonemia contribuye a la confusión y el coma de la encefalopatía hepática , así como a la enfermedad neurológica común en personas con defectos del ciclo de la urea y acidurias orgánicas .
El amoníaco es importante para el equilibrio ácido / base animal normal. Después de la formación de amonio a partir de glutamina , el α-cetoglutarato puede degradarse para producir dos moléculas de bicarbonato , que luego están disponibles como tampones para los ácidos dietéticos. El amonio se excreta en la orina, lo que resulta en una pérdida neta de ácido. El amoníaco puede difundirse por sí mismo a través de los túbulos renales, combinarse con un ion hidrógeno y permitir así una mayor excreción de ácido.
Metano
Algunos autores han demostrado que el metano endógeno es producido no solo por la flora intestinal y luego absorbido por la sangre , sino que también es producido - en pequeñas cantidades - por células eucariotas (durante el proceso de peroxidación lipídica). Y también han demostrado que la producción de metano endógeno aumenta durante una hipoxia mitocondrial experimental , por ejemplo, la intoxicación por azida de sodio . Pensaron que el metano podría ser una de las señales intercelulares de hipoxia y estrés.
Otros autores han demostrado que la producción celular de metano también aumenta durante la sepsis o la endotoxemia bacteriana , incluida una imitación experimental de la endotoxemia mediante la administración de lipopolisacáridos (LPS).
Algunos otros investigadores han demostrado que el metano, producido por la flora intestinal, no es completamente "biológicamente neutro" para el intestino y participa en la regulación fisiológica normal de la peristalsis . Y su exceso provoca no solo eructos, flatulencias y dolor de barriga, sino también estreñimiento funcional.
Etileno
El etileno actúa como hormona en las plantas . Actúa a niveles traza a lo largo de la vida de la planta estimulando o regulando la maduración de los frutos , la apertura de las flores y la abscisión (o desprendimiento) de las hojas . Las salas de maduración comerciales utilizan "generadores catalíticos" para producir gas etileno a partir de un suministro líquido de etanol. Normalmente, se usa un nivel de gasificación de 500 a 2000 ppm, durante 24 a 48 horas. Se debe tener cuidado de controlar los niveles de dióxido de carbono en las cámaras de maduración cuando se gasifica, ya que se ha observado que la maduración a alta temperatura (20 ° C; 68 ° F) produce niveles de CO 2 del 10% en 24 horas.
El etileno se ha utilizado desde los antiguos egipcios, que cortaban los higos para estimular la maduración (las heridas estimulan la producción de etileno por los tejidos vegetales). Los antiguos chinos quemaban incienso en cuartos cerrados para mejorar la maduración de las peras. En 1864, se descubrió que las fugas de gas de las luces de la calle provocaban un retraso en el crecimiento, torsión de las plantas y un engrosamiento anormal de los tallos. En 1901, un científico ruso llamado Dimitry Neljubow demostró que el componente activo era etileno. Sarah Doubt descubrió que el etileno estimulaba la abscisión en 1917. No fue hasta 1934 que Gane informó que las plantas sintetizan etileno. En 1935, Crocker propuso que el etileno era la hormona vegetal responsable de la maduración de la fruta y de la senescencia de los tejidos vegetativos.
El etileno se produce esencialmente a partir de todas las partes de las plantas superiores, incluidas las hojas, los tallos, las raíces, las flores, los frutos, los tubérculos y las semillas. La producción de etileno está regulada por una variedad de factores ambientales y de desarrollo. Durante la vida de la planta, se induce la producción de etileno durante ciertas etapas de crecimiento como la germinación , maduración de frutos, abscisión de hojas y senescencia de flores. La producción de etileno también puede ser inducida por una variedad de aspectos externos tales como heridas mecánicas, estrés ambiental y ciertos químicos, incluyendo auxinas y otros reguladores.
El etileno se biosintetiza del aminoácido metionina a S -adenosil- L- metionina (SAM, también llamado Adomet) por la enzima Met adenosiltransferasa. La SAM se convierte luego en ácido 1-aminociclopropano-1-carboxílico (ACC) por la enzima ACC sintasa (ACS). La actividad de ACS determina la tasa de producción de etileno, por lo que la regulación de esta enzima es clave para la biosíntesis de etileno. El paso final requiere oxígeno e implica la acción de la enzima ACC-oxidasa (ACO), anteriormente conocida como enzima formadora de etileno (EFE). La biosíntesis de etileno puede inducirse mediante etileno endógeno o exógeno. La síntesis de ACC aumenta con niveles altos de auxinas , especialmente ácido indol acético (IAA) y citoquininas .
El etileno es percibido por una familia de cinco dímeros de proteínas transmembrana , como la proteína ETR 1 en Arabidopsis . El gen que codifica un receptor de etileno se ha clonado en Arabidopsis thaliana y luego en tomate . Los receptores de etileno están codificados por múltiples genes en los genomas de Arabidopsis y tomate . Las mutaciones en cualquiera de la familia de genes , que comprende cinco receptores en Arabidopsis y al menos seis en tomate, pueden provocar insensibilidad al etileno. También se han identificado secuencias de ADN para receptores de etileno en muchas otras especies de plantas e incluso se ha identificado una proteína de unión a etileno en cianobacterias .
Las señales ambientales como inundaciones, sequías, escalofríos, heridas y ataques de patógenos pueden inducir la formación de etileno en las plantas. En caso de inundación, las raíces sufren de falta de oxígeno o anoxia , lo que conduce a la síntesis del ácido 1-aminociclopropano-1-carboxílico (ACC). El ACC se transporta hacia arriba en la planta y luego se oxida en las hojas. El etileno producido provoca movimientos desagradables (epinastia) de las hojas, quizás ayudando a la planta a perder agua.
El etileno en la planta induce tales respuestas:
- Plántula de triple respuesta, engrosamiento y acortamiento del hipocótilo con pronunciado gancho apical.
- En la polinización , cuando el polen alcanza el estigma, el precursor del eteno, ACC , se secreta al pétalo, el ACC libera etileno con ACC oxidasa.
- Estimula la senescencia de hojas y flores.
- Estimula la senescencia de las células maduras del xilema en preparación para su uso en plantas.
- Induce la abscisión de las hojas
- Induce la germinación de semillas
- Induce el crecimiento del vello de la raíz : aumenta la eficiencia de la absorción de agua y minerales a través de la formación de la rizosvaina
- Induce el crecimiento de raíces adventicias durante las inundaciones.
- Estimula la supervivencia en condiciones de bajo nivel de oxígeno ( hipoxia ) en tejidos vegetales sumergidos
- Estimula la epinastia: el pecíolo de la hoja crece, la hoja cuelga y se enrosca sobre sí misma
- Estimula la maduración de la fruta.
- Induce un aumento climatérico de la respiración en algunas frutas, lo que provoca una liberación de etileno adicional.
- Afecta el gravitropismo
- Estimula la flexión nutacional
- Inhibe el crecimiento del tallo y estimula el ensanchamiento de las células y el tallo y el crecimiento de las ramas laterales fuera de la etapa de plántula (ver Respuesta hiponástica )
- Interferencia con el transporte de auxinas (con altas concentraciones de auxinas )
- Inhibe el crecimiento de los brotes y el cierre de los estomas excepto en algunas plantas acuáticas o habitualmente inundadas como algunas variedades de arroz, donde ocurre lo contrario (conservando CO
2y O
2) - Induce la floración en piñas
- Inhibe la iniciación de flores inducida por días cortos en Pharbitus nil y Chrysanthemum morifolium
También se producen pequeñas cantidades de etileno endógeno en mamíferos , incluidos los seres humanos , debido a la peroxidación de lípidos. Luego, parte del etileno endógeno se oxida a óxido de etileno , que puede alquilar el ADN y las proteínas , incluida la hemoglobina (formando un aducto específico con su valina N-terminal , N-hidroxietil-valina). El óxido de etileno endógeno, al igual que el ambiental (exógeno), puede alquilar la guanina en el ADN, formando un aducto 7- (2-hidroxietil) -guanina, y esto presenta un riesgo carcinogénico intrínseco. También es mutagénico.
Referencias
enlaces externos
-
Medios relacionados con moléculas de señalización gaseosa en Wikimedia Commons
