Es bien conocido que el calcio iónico (Ca
2+) es un importante mensajero intracelular usado por las células. Desde que Sydney Ringer en 1883 [J Physiol, 2:251-272] demostró la necesidad del Ca2+ para la función cardiaca (descubriendo el primer mensajero intracelular conocido) hasta hoy, se ha visto que tanto las células procariotas como las eucariotas usan este catión como mensajero intracelular. Bacterias y levaduras mantienen concentraciones intracelulares bajas de Ca2+ [Norris V., Cell Calcium, 10:511-517 (1989)] similares a las encontradas en células de organismos pluricelulares, un prerrequisito para que este ión pueda actuar como mensajero intracelular; además las bombas y proteínas efectoras de calcio de procariotas y levaduras son muy similares a las que hay en vertebrados, mostrando lo ancestral de la señalización por calcio en la historia de la vida.Una importante característica del Ca
2+ es que la célula no puede producirlo ni destruirlo, sino únicamente controlar sus concentraciones intracelulares usando como fuente principal de Ca2+ el medio extracelular. Así, la célula evolutivamente ha "domesticado" el ión calcio por medio de la creación de una compleja maquinaria que le permite controlar con mucha precisión los niveles de calcio iónico intracelular: proteínas que unen calcio, bombas que sacan Ca2+ del citosol, bien hacia depósitos intracelulares (el retículo endoplasmático) o hacia el medio extracelular, el intercambiador Na+-Ca2+ que saca Ca2+ hacia el medio extracelular, los receptores de IP3 y rianodina que movilizan calcio de los depósitos, los canales de calcio dependientes de voltaje que permiten la entrada de calcio extracelular cuando se produce despolarización de la membrana, o los canales que se activan cuando el nivel de Ca2+ almacenado en los depósitos intracelulares disminuye [Elliott A.C., Cell Calcium, 30:73-93(2001)], permitiendo la entrada de calcio extracelular (corriente capacitativa).Curiosamente, la señalización por calcio no ocurre de un modo similar en todas las células, pudiendo distinguirse claramente cómo se produce esta señal en células excitables, que son células animales capaces de disparar en sus membranas potenciales de acción [Fewtrell C., Ann Rev Physiol, 55:427-454 (1993)] y en células no excitables (todas las células vegetales y muchas animales). Mientras que en las primeras el estímulo que provoca la señalización por calcio lleva a la apertura de canales de calcio dependientes de voltaje que permiten entrada de calcio extracelular, en las segundas el estímulo lleva a la producción intracelular de IP
3 que dispara la salida de Ca2+ desde depósitos intracelulares.La monitorización del calcio intracelular utilizando sondas fluorescentes sensibles a Ca
2+ ha puesto de manifiesto que en muchas células la señalización por calcio es más compleja que un simple incremento de los niveles intracelulares de Ca2+ . Se han observado oscilaciones de los niveles de Ca2+ intracelular en células excitables como neuronas, células cardiacas y células beta pancreáticas, oscilaciones que son acompañadas por fluctuaciones del potencial de membrana. Inicialmente se pensó que las oscilaciones eran exclusivas de células excitables, sin embargo en 1986 Woods et al. [Nature, 319:600-602] describieron oscilaciones de Ca2+ intracelular en hepatocitos (células no excitables) estimulados hormonalmente, y ese mismo año Yada et al. [Biochim Biophys Acta 887:105-112 (1986)] describieron lo mismo en células epiteliales en cultivo. A medida que se extendió el uso de las sondas para calcio intracelular y se desarrollaron técnicas de monitorización de calcio a nivel de célula individual, fue incrementándose el número de tipos celulares en los que se detectaban oscilaciones de calcio en respuesta a los estímulos que movilizan calcio. Actualmente hay descritas oscilaciones de calcio intracelular en multitud de células, desde el huevo fertilizado, hasta células endoteliales, pasando por células de la hipófisis, cromafines, mastocitos, musculares, hepáticas, precursores neuronales, neuroblastos, astrocitos ...En células excitables las oscilaciones del Ca
2+ intracelular están dirigidas por la frecuencia de los potenciales de acción que se disparan en la membrana, mientras que en células no excitables la unión de una molécula a su receptor en la membrana plasmática puede provocar oscilaciones mediante un mecanismo aún objeto de discusión. Según parece, el receptor de IP3 , que está acoplado a un canal que libera calcio del retículo, posee características moleculares que le permiten ser modulable por calcio, de este modo el receptor activado en presencia de bajos niveles de calcio incrementa la permeabilidad del canal a calcio, mientras que altos niveles de calcio disminuyen la permeabilidad del canal.Pero además, este comportamiento rítmico es regulable, de modo que la frecuencia de las oscilaciones puede modificarse al cambiar la frecuencia de los potenciales de acción o la concentración de las moléculas con receptores acoplados a la generación de IP
3. Así, una codificación por frecuencia de la señal de calcio intracelular permite una mayor rango de respuesta de la célula ante la intensidad del estímulo.Diversos experimentos realizados sobre células secretoras han permitido establecer una relación entre las oscilaciones y los pulsos secretorios. De este modo, se ha sugerido que este comportamiento rítmico podría permitir optimizar el proceso secretorio a la vez que se evitarían los efectos tóxicos de un incremento sostenido de los niveles de Ca
2+ intracelular [Tse A. et al., Science, 260:82-84 (1993)].Si pasamos del nivel de organización celular al nivel tisular, teniendo en cuenta que un tejido es un conjunto de células que actúa de forma coordinada para llevar a cabo una o varias funciones, es lógico pensar que la señal intracelular de calcio, que puede regular una determinada función, esté acoplada entre las diferentes células que componen el tejido para producir de este modo un efecto coordinado a nivel tisular. Efectivamente esto es así, y se han podido medir oscilaciones sincrónicas de calcio intracelular entre las diferentes células de muchos tejidos; por ejemplo, en el hígado se han visto estas oscilaciones sincrónicas entre las diferentes células que componen un lobulillo hepático, la unidad funcional del hígado [Robb-Gaspers L.D. y Thomas A.P., J Biol Chem, 270:8102-8107 (1995)]. Del mismo modo, en una estructura secretora la sincronización permite que todas las células liberen a la vez y en la misma cantidad la secreción, obteniéndose un funcionamiento perfectamente regulado de la glándula.
La sincronización implica la transferencia de la señal de calcio entre las diferentes células, la llegada simultánea de una señal externa a todas las células o la existencia de ambos fenómenos. Se sabe que existe una transferencia intercelular de la señal de calcio a través de uniones de tipo gap (gap junction), aunque no está claro si lo que pasa a través de estos poros es el propio calcio o algún otro mensajero como por ejemplo el IP
3 (es interesante saber que el calcio tiene una escasa capacidad de difusión en el interior celular debido principalmente al tamponamiento que ejercen las proteínas ligantes de calcio, mientras que el IP3 sí es muy difusible). También se conoce la existencia de mensajeros extracelulares capaces de actuar en un modo autocrino/paracrino disparando la señal de calcio. Así, por ejemplo, en los mastocitos, que no están acoplados entre si por uniones tipo gap, cuando se dispara la señal de calcio en uno de ellos, por la unión de la molécula de inmunoglobulina a los receptores de Fc, se colibera junto con los productos proinflamatorios (fundamentalmente histamina) un mediador extracelular soluble (ATP), que llega hasta células cercanas disparando la señal de calcio en ellas e induciendo la consiguiente liberación de estas moléculas proinflamatorias.Pero la señal oscilatoria de calcio no solo participa en procesos como la secreción y la contracción, sino también en procesos como la expresión génica. Recientemente [Dolmetsch R.E. et al., Nature, 392:933-936 (1998); Li W.H. et al., Nature 392:936-941 (1998)] se demostró que la frecuencia de las oscilaciones de calcio era capaz de regular la eficiencia y especificidad de la expresión génica. Esto pone de manifiesto la importancia de la señal de calcio en todos los procesos celulares, empezando por la regulación génica y terminando por el control de los productos de los genes, las proteínas. Por ejemplo, las células mamotropas de rata (células de la hipófisis productoras de prolactina) poseen en la región promotora del gen que codifica para la prolactina secuencias de unión a calcio capaces de modular la expresión del gen, mientras que la liberación de secreción a la sangre está controlada por oscilaciones de calcio; de este modo toda la secuencia de eventos relacionados con la actividad de estas células está regulada por la señal de calcio [Villalobos C. et al., Mol Endocrinol 12:87-95 (1998)].
Seguramente Sydney Ringer no imaginaba la importancia del calcio iónico en la biología celular, y es que el Ca
2+ como mensajero intracelular es otro ejemplo de logro evolutivo que ha permanecido congelado en el tiempo, que probablemente se desarrolló muy pronto en la evolución de la vida y sin el cual es inconcebible imaginar la vida tal y como la conocemos.Francisco Javier Bermúdez Silva es Colaborador Honorario en el Depto. de Biología Celular, Genética y Fisiología de la UMA