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Apuntes de Bioquímica. SeñalizacióApuntes de Bioquímica. Señalización. FAVE. ULPGC.n. FAVE. ULPGC.

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TEMA 12: GENERALIDADES

TIPOS Y MOLÉCULAS DE SEÑALIZACIÓN

La actividad de las células de un organismo eucariota pluricelular requiere estar coordinada.

Para cumplir este objetivo unas células envían señales a otras y estas señales ejercen una función en las

células que las reciben, produciéndose una respuesta fisiológica y por tanto un cambio en la actividad

celular.

Hay cientos de moléculas involucradas en los procesos de señalización.

Hormonas Órgano/tejido/ célula de secreción

Función o actividad

Peptídicas Insulina

Glucagón Páncreas Páncreas

Estimula la captación y utilización de la glucosa Estimula la producción de glucosa en el hígado

Con función amina Adrenalina (epinefrina)

Tiroxina Médula adrenal

Tiroides Controla las respuestas al estrés, aumenta la frecuencia cardíaca

Estimula el metabolismo en muchos tejidos Esteroides

β-Estradiol Testosterona Aldosterona

Ovario Testículo

Corteza adrenal

Regula la actividad de los tejidos y órganos sexuales femeninos Regula la actividad de los tejidos y órganos sexuales masculinos

Regula la retención de sodio y la presión sanguínea

Icosanoides (de tipo hormonal)

Prostaglandinas Leucotrienos

Mayoría de tejidos Leucocitos

Contracción de la musculatura lisa; fiebre; inflamación. Constricción bronquial; implicados en reacciones de hipersensibilidad

Como todos deben saber, existen dos grandes sistemas de señalización intercelular; el sistema

endocrino y el sistema nervioso. En el sistema endocrino, la molécula de señalización u hormona es

producida por una glándula y vertida a la sangre por donde viaja hasta alcanzar ciertas células distantes

de su lugar de origen sobre las que ejerce su acción.

En el sistema nervioso, el mediador o neurotransmisor se sintetiza en los terminales axónicos de

las células nerviosas, es secretado en la conexión sináptica y ejerce su acción sobre la célula que

Sistema endocrino

origen

destinoSistema endocrino

origen

destino


2

participe en la sinapsis (otra célula nerviosa, célula muscular …etc.).

Ambos sistemas están interconectados, tal y como veremos más adelante y el estudio detallado

de sus funciones y acciones biológicas es objeto de la Fisiología.

Desde nuestra perspectiva bioquímica nos centraremos en estudiar en el ámbito molecular los

mecanismos de acción de las moléculas de señalización. Los sistemas que hemos mencionado se

engloban en otros mecanismos más generales de comunicación celular. Empezaremos por describir los

tres grandes procesos o mecanismos de comunicación:

1. - La célula A sintetiza y secreta (libera) el señalizador S que será captado y ejercerá su acción

sobre la célula B situada a una distancia más o menos grande de A.

Como variante nos encontraríamos con:

a) Señalización endocrina: en la que el mediador se vierte a la sangre.

b) Señalización nerviosa: en la que el neurotransmisor se vierte a la hendidura sináptica.

c) Señalización paracrina: en la que el mediador difunde durante una corta distancia y ejerce

su acción sobre células vecinas.

d) Señalización autocrina: la podemos considerar como una variante de este mecanismo, ya

que el mediador ejerce su acción sobre la propia célula.

A B Efectos biológicos

Sistema nervioso


3

2. - La molécula de señalización es sintetizada por A e incorporada a la membrana plasmática

donde es expuesta al exterior y ejerce su acción por contacto con la célula B. A este tipo de

comunicación se le llama yuxtacrino.

3. - Señalización a través de uniones gap. Las uniones gap han sido comentadas anteriormente

en las clases de transporte. Entre las moléculas que circulan a través de estos poros se pueden

encontrar mediadores producidos por A que actúan sobre B.

Principalmente nuestra atención se centrará en el mecanismo de señalización tipo1.

EL RECEPTOR Y LAS CÉLULAS DIANA

Independientemente de la variante de que se trate, e independientemente de la

naturaleza del señalizador, es necesario para que se produzca este evento celular, la existencia de una

proteína especifica que reconozca y se una al mediador. Esta proteína es el receptor (R). La unión de

la molécula señal al receptor es la que va a desencadenar una serie de sucesos que culminan en una

respuesta celular. Sólo las células que poseen el receptor adecuado para un determinado mediador

responderán a éste. Estas células reciben el nombre de células dianas, e igualmente podríamos hablar

de tejidos dianas, órganos dianas…etc.

Hay una diferenciación interesante en cuanto al tipo de receptor existente en la célula diana y

que se establece según la naturaleza del mediador.

A) Si la molécula de señalización es hidrófila, la proteína receptora de la célula diana es una

proteína transmenbranal (ubicada en la membrana plasmática) y sitúa el sitio de unión al

mediador hacia el exterior celular.

A B

A BEfectos biológicos


4

B) Si la molécula de señalización es hidrófoba (esteroide), el R es intracelular, es decir se

encuentra en el citoplasma o núcleo celular. En este caso el mediador difundirá a través de

la membrana plasmática y se unirá al receptor en el interior.

CINÉTICA DE LA UNIÓN LIGANDO-RECEPTOR

Para estudiar este apartado utilizaremos el ejemplo de la unión de una hormona (H) a su

receptor (R). Del mismo modo que hemos visto como se produce la unión de la enzima al sustrato o

del transportador al soluto, podemos considerar que la unión de la hormona a su receptor sigue el

siguiente esquema;

Siendo KD = constante de disociación, una nueva constante cociente de K2 y K1.

R2º mensajero

Actividad modificada

Síntesis proteica

R

Rnúcleo

Membrana

plasmática

AB

v1= k1 [H ][R ] v2= k2 [HR ]

v1 = v2

k1 [H ][R ]= k2 [HR ]

[H] + [R] [HR ]k1

k2

[H] [R][HR ]

KD = =k2k1

Ec.1


5

Si representamos gráficamente [HR] frente a [H], obtenemos la siguiente curva:

Es decir, obtenemos una curva hiperbólica similar a la que obteníamos en la cinética

michaeliana y a la del transporte pasivo mediante proteína transportadora. Un gran número de

receptores sigue este tipo de cinética, donde la hipérbola se acerca asintoticamente a un determinado

valor de [HR]. Este valor es el valor máximo posible para unas determinadas condiciones de ensayo (o

para una determinada célula en circunstancias fisiológicas precisas). Este valor es igual a la

concentración total de receptores presentes [RT] e indica la capacidad máxima de unión en esas

condiciones. Una vez más nos encontramos en esas condiciones de saturación que estudiamos en

enzimología y transporte.

Por otra parte, ¿cuál es el significado y el valor de KD?. Si en la ecuación 1 suponemos que

[R]=[HR], siendo [R] la concentración de receptor libre y [HR] la concentración de receptor ocupado o

unido a la hormona, tenemos que;

En consecuencia, la KD es la [H] libre a la cuál la mitad de los receptores están ocupados.

Tiene pues el mismo significado que la KM y que la KT . Es por tanto un indicador de la afinidad del R

por la H. Si la KD es baja, el R tiene una mayor (gran) afinidad por H (se necesita menos H para

semisaturar al R), si la KD es alta, el R tiene una menor (poca) afinidad por H (se necesita más H para

semisaturar al R).

Además de la saturación y de la afinidad, otra característica que hay que resaltar del receptor es

su especificidad (o estereoespecificidad). Cada R se va a unir, va a reconocer a un tipo de hormona

[HR]

[H]

RT

2

RT

KD

[H] [R]

[HR ]KD = =

k2k1

KD = [H]

[RT ] = [R ]+ [HR ] Ec.2


6

determinada. Esto indica que el sitio de unión en el receptor tiene unas características determinadas, de

estructura tridimensional y de grupos funcionales. La unión H-R se produce por enlaces débiles:

iónicos, van der Waals, hidrofóbicos…etc.

PLOT DE SCATCHARD

Al igual que ocurría en las cinéticas anteriormente estudiadas, la utilización del análisis gráfico

mediante la curva hiperbólica para obtener parámetros cinéticos de interés, nos permitirá únicamente

obtener valores aproximados, por tanto lo conveniente será linearizar la curva. Si volvemos a la Ec.1 y

a la Ec.2 tendremos;

Esta ecuación equivale a la de una recta; y = ax + b . Si la representamos gráficamente:

Se trata pues, de una recta con una pendiente = -1/KD, y el punto de corte con abscisas (x)

será:

[RT ] = [R ]+ [HR ] Ec.2[H] [R]

[HR ]KD = Ec. 1

[R] = [RT ] - [HR ]

[H] [RT ] - [H] [HR ]

[HR ]KD =

=[HR]

[H]

[RT ]

KD

1 [HR]

KD

= 1 [HR]

KD

[RT ]

KD

[HR][H]

[HR]

RT / KD

KD o Bmáx

1

KD

=[HR]

[H]

1 [HR]

KD

[RT ]

KD

y = 0 ⇒ [HR] = RT


7

Esta representación gráfica se llama Plot de Scatchard, y es altamente utilizada.

Obviamente la respuesta fisiológica a la actuación de una hormona dependerá entre otras cosas

de; cantidad de H que es sintetizada y secretada, vida media de la hormona en el fluido biológico del

que se trata, cantidad de R presente en la célula diana, duración de la unión H-R, etc.…, todos ellos

aspectos en los que no vamos a profundizar ya que son objeto de estudio de otras asignaturas.

Volviendo a nuestro contexto, si que habría que destacar algunos aspectos:

1) La respuesta fisiológica de la célula diana puede depender del tipo de R. Es decir, un

mediador puede tener varios R diferentes, y la respuesta generada de la unión H-R puede

ser diferente.

2) La respuesta fisiológica de la célula diana puede depender del estado de

diferenciación o tipo celular de que se trate..

3) La señalización intercelular afecta a la actividad de las células dianas. A este

respecto, hay que señalar que en un organismo eucariota pluricelular, por ejemplo, un

vertebrado tendríamos:

a) Toda célula que no reciba la información trasmitida por un mediador morirá. Las células tienen la

posibilidad de elegir esta opción, mediante un mecanismo que se denomina muerte

programada o apoptosis.

b) Para sobrevivir, una célula precisa recibir información de varios mediadores.

c) Para realizar una actividad extra a la supervivencia (por ejemplo la proliferación) la célula

necesita recibir nueva información aportada por un juego adicional de transmisores (señalizadores).

Los efectos de un mediador pueden ser tan espectaculares como el que interviene en la

metamorfosis de un renacuajo. Este proceso está controlado por el tiroides a través de las hormonas

tiroideas T3 y T4. Si en la etapa de renacuajo inutilizamos el tiroides o bloqueamos de alguna manera la

acción de las hormonas, el renacuajo seguirá creciendo como tal, sin sufrir metamorfosis a animal

adulto o rana. La inyección o la administración de T3/T4 irá seguida de inmediato de la transformación

de renacuajo a rana.

AGONISTAS Y ANTAGONISTAS

Un hecho que tiene especial relevancia en Farmacología y Toxicología es la existencia (naturales

y artificiales) de análogos de mediadores que se unen a los receptores con una determinada KD, y que

se pueden encuadrar en dos categorías.

Agonistas: mimetizan las acciones de la hormona, dando lugar a una respuesta fisiológica. Su

utilización vendría indicada cuando existe un déficit de la hormona y nos interesa potenciar una

determinada respuesta celular que depende de ésta, por tanto administramos el análogo agonista.


8

Antagonistas: compiten con la hormona por el receptor, se unen al R pero no producen

respuesta celular. Se podría utilizar para combatir una respuesta celular que no nos interesa.

Las situaciones en las que nos podemos plantear el uso de estos análogos son muchas y

variadas y su estudio se realizará con mayor detenimiento en Fisiología, Farmacología y Toxicología.


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TEMA 13: RECEPTORES LIGADOS A CANALES IÓNICOS

La primera cuestión que se nos plantea es la comprensión de cómo la unión de un mediador

(H) a la porción extracelular de un receptor de membrana (R), es capaz de modificar la actividad de la

célula diana, incluso llegando a afectar a la síntesis de ADN (la señal necesaria llega al núcleo para que

se produzca la división de la célula).

Durante esta sección estudiaremos los tres grandes tipos de receptores de membrana que

existen y un cuarto grupo que constituyen los receptores intracelulares;

a) Receptores ligados a canales iónicos

b) Receptores ligados a proteínas G

c) Receptores ligados a enzimas

d) Receptores intracelulares.

En este tema empezaremos con los receptores de membrana ligados a canales iónicos y

para entender el mecanismo de funcionamiento fijémonos en el siguiente esquema;

El receptor R, es un canal iónico. En ausencia de ligando, el R está inactivo y el canal está

cerrado. En presencia de ligando, o lo que es lo mismo, cuando se le une el transmisor T, el R

experimenta un cambio conformacional, se abre y permite el paso de un tipo específico de iones.

Nos encontramos con que los receptores ligados a canales iónicos, no son mas que canales

iónicos regulados por un ligando desde el exterior de la célula. En todos los casos este ligando es un

neurotransmisor, por eso se dice que son canales regulados por transmisor.

Para conocer su funcionamiento utilizaremos el neurotransmisor acetilcolina (AcCo) y los

receptores nicotínicos. El receptor nicotínico (Rn) es un canal iónico selectivo para los iones Na+ y

K+.

ligandoIones

ligandoIones


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RECEPTOR NICOTÍNICO DE ACETILCOLINA DE LA PLACA MOTORA

Empezaremos pues suponiendo que nos encontramos en la conexión neuromuscular del

músculo esquelético, también llamada placa motora..

DATOS ADICIONALES: EL CA2+ AYUDA A LA EXOCITOSIS DE LA VESÍCULA DE SECRECIÓN QUE CONTIENE LA

ACETILCOLINA (ACCO). LA EXOCITOSIS ES EL PROCESO MEDIANTE EL CUAL UNA VESÍCULA CELULAR SE TRASLADA HACIA

LA MEMBRANA Y MEDIANTE LA FUSIÓN CON ELLA, LIBERA SU CONTENIDO. EL RETÍCULO SARCOPLASMÁTICO ES UN

ÓRGANO SECUESTRADOR DE CA2+ Y EXISTE UNA CONEXIÓN FÍSICA ENTRE SU MEMBRANA Y LA DE LA CÉLULA MUSCULAR,

DE ESTA MANERA PUEDEN TRANSMITIRSE POTENCIALES.

Cuando el impulso nervioso llegue al terminal axónico, se sucederán una serie de eventos que

darán como resultado la transmisión de "una orden". Antes de ver el fenómeno molecular que a

nosotros nos interesa, recordaremos que este impulso llega al terminal axónico de la neurona

enervadora del músculo en forma de onda o señal despolarizadora (en forma de potencial de acción).

Tenemos a continuación esta serie de sucesos:

1) La membrana del terminal axónico se despolariza y, eventualmente, invierte su polaridad.

2) Esto hace que el canal de Ca2+ (que depende del voltaje) se abra, entrando éste (el Ca2+) a la

célula a favor de un gradiente electroquímico.

3) La subida en los niveles citosólicos de Ca2+ promueven la exocitosis de la vesícula de

secreción.

4) La AcCo se libera al espacio sináptico y esto permite su unión al Rn. El Rn es un canal

iónico regulado por AcCo, y por tanto se abre permitiendo el paso de iones Na+ y K+ en la

célula muscular a favor de un gradiente electroquímico.

+ +

Na+

++Ca+2

1 2 34

5 Na+

Na+

K+

+ +

6

++R.S.

7Ca+2

+ +

Na+

++Ca+2

1 2 34

5 Na+

Na+

K+

+ +

6

++R.S.

7Ca+2


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5) Como consecuencia del incremento en las concentraciones de estos cationes, se despolariza

(a veces también invierte la polaridad) la membrana plasmática de esa región de la célula

muscular.

6) El potencial de acción se transmite a lo largo de la membrana por la apertura de canales

Na+ dependientes de voltaje.

7) La despolarización (el potencial de acción) alcanza la membrana del retículo sarcoplasmico,

dónde se abren los canales de Ca2+ dependientes de voltaje y éste sale del orgánulo hacia el

citosol de la célula a favor de un gradiente electroquímico.

Al final, la respuesta celular será la contracción del músculo dependiente del aumento de Ca2+

en el citosol.

EFECTO DE LA ACTIVACIÓN DEL RECEPTOR NICOTÍNICO EN LA

CONEXIÓN SINÁPTICA.

Si trasladamos el anterior esquema al sistema nerviosos central (conexión entre dos neuronas),

el proceso es algo más simple. El efecto de la activación del Rn es la despolarización de la neurona

postsináptica, es decir, la apertura de los canales de Na+ dependientes de voltaje, trasladarán la onda a

lo largo de la neurona postsináptica.

MECANISMO DE ACCIÓN DE ALGUNAS NEUROTOXINAS

Estos procesos celulares que vamos conociendo son la base de los mecanismos de acción de

algunas toxinas. La saxitoxina y neosaxitoxina son neurotoxinas producidas por dinoflagelados

marinos responsables de las "mareas rojas". Estas sustancias bloquean canales de Na+-voltaje

dependientes, y en consecuencia impiden la propagación del impulso nervioso por tanto las células

musculares quedan paralizadas. Bloquearían a nivel de 1, en la figura anterior.

También son producidas por las cianobacterias la anatoxina-a y anatoxina-a(s). Estas

neurotoxinas ejercen su acción alterando el mecanismo de comunicación de la acetilcolina-receptor

nicotínico. La anatoxina a compite con la AcCo por el receptor nicotínico (Rn), se une a él y lo activa,

es decir lo abre. A diferencia de la AcCo la anatoxina a no es degradada por la acetilcolinesterasa, por

lo cual esta permanece activa y el receptor se encuentra estimulado o activado de forma permanente y

los canales Na+ dependientes de AcCo permanecen abiertos durante largos periodos de tiempo y por

tanto existe una contracción permanente del músculo (recordar que el músculo no trabaja si no hay una

alternancia contracción-relajación).


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NOTA ADICIONAL: LA ACETILCOLINESTERASA ES EL ENZIMA QUE DEGRADA Y ELIMINA LA ACETILCOLINA UNA VEZ

ESTA HAYA ACTUADO.

La anatoxina a (s) no se une al Rn, se une al centro activo de la acetilcolinesterasa,

compitiendo con la AcCo. Esta unión bloquea al enzima e impide que la AcCo sea degradada. El

resultado que se produce es semejante al anterior, la AcCo estimulará de forma permanente al receptor

nicotínico.

CONEXIONES ACTIVADORAS E INHIBIDORAS

Los neurotransmisores químicos pueden ser excitadores e inhibidores. Algunos excitadores

son compuestos tales como la acetilcolina (que hemos estudiado) y las catecolaminas, otros, sin embargo,

son neurotrasmisores inhibidores como el GABA (ácido γ-aminobutírico), la glicina y la taurina.

Algunos venenos como la estricnina (en el caso de la glicina) y fármacos como las benzodiazepinas y

barbituratos (caso de GABA) pueden unirse a los receptores de estos neurotrasmisores en el SNC.

Cuando un neurotransmisor lleva a cabo una conexión inhibidora, lo hace mediante un

receptor del tipo que estamos estudiando en este tema, es decir, ligado a canales iónicos, y, mas

concretamente, a canales cloro.

Acetilcolinesterasa

Anatoxina-a

Anatoxina-a(s)

Acetilcolinesterasa

Anatoxina-a

Anatoxina-a(s)


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RECEPTORES LIGADOS A CANALES DE CLORO

Los receptores de algunos neurotransmisores son canales de Cl-. Veamos un esquema de estos

receptores:

La unión neurotransmisor-receptor provoca la apertura del canal de Cl-. El cloro entra en la

célula a favor de un gradiente electroquímico (∆Gconc >∆Gvolt) y hace que la distribución asimétrica de

cargas entorno a la membrana de la célula postsináptica sea más profunda (más cargas netas positivas

fuera y más cargas netas negativas dentro). Como consecuencia, el potencial de membrana sube (pasa

de -60mV-reposo- a -90mV-por ejemplo-). Estamos pues, ante una situación de hiperpolarización.

Una membrana hiperpolarizada ofrece más dificultades a la despolarización, es decir, a generar un

potencial de acción, que una membrana en reposo, y por tanto, este tipo de conexión es inhibidora.

+ + +

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _

[Cl-]=110mM

_ _ _ _ _

-90mV

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

+ + + + + + + + + + + + + + + +

+ + + +

[Cl-]=10mM

-60mV

+ + +

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _

[Cl-]=110mM

_ _ _ _ _

-90mV

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

+ + + + + + + + + + + + + + + +

+ + + +

[Cl-]=10mM

-60mV


14

TEMA 14: RUTA DEL AMPc

PROTEÍNAS G

Las proteínas G son sumamente importantes en las rutas de señalización celular. Actúan como

transductores de receptores en la membrana celular y reciben este nombre debido a que son proteínas

fijadoras de moléculas de guanina.

Son proteínas triméricas constituidas por tres subunidades (αα, ββ , y γγ ). Se encuentran ancladas

en el lado citosólico (interno) de la membrana plasmática y pueden presentar dos estados; el activo y el

inactivo. En el estado inactivo las tres subunidades están en contacto físico mediante uniones débiles.

La subunidad α tiene un sitio de unión al GDP ocupado por una molécula de este nucleótido.

Recordemos como es la estructura de un nucleótido:

En el estado activo la subunidad α está separada físicamente de las otras dos y tiene un sitio

de unión a nucleótidos de guanina ocupado por una molécula de GTP a la vez que presenta una

conformación distinta que en el estado inactivo.

αα αα

N

N

N

N

NH2

CH2PPPO

γγ ββ αα

GTP GDP

γγ ββ Pi

αα


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Veamos como se relaciona una proteína G con el receptor. Tenemos el receptor inactivo, y la

proteína G inactiva. Cuando el transmisor T se une al receptor lo activa, con lo que se produce un

cambio conformacional en el lado citosólico del receptor.

a) El receptor activo contacta con la proteína G inactiva. La afinidad de la subunidad α por el

GDP disminuye y lo libera, al mismo tiempo que la afinidad por el GTP aumenta y lo capta

(1 molécula). Esto es posible gracias a que la membrana celular se estructura en forma de

mosaico fluido que permite el desplazamiento lateral de las proteínas.

b) Con el GTP la subunidad α experimenta un cambio conformacional, se separa de las otras

dos y pasa a su estado activo.

La proteína G activa va a ser ahora la que desencadena los procesos moleculares en el interior

de la célula que conducirán a la respuesta fisiológica. Ya hemos visto como una señal proveniente del

exterior ha pasado al interior de la célula, y como en este proceso interviene de modo decisivo la

proteína G. Por eso a estas proteínas se les llama proteínas transductoras que equivale a decir que

intervienen en el proceso de transferencia de información desde fuera a dentro de la célula, desde lo

que podríamos llamar primeros mensajeros (neurotransmisores, hormonas y mediadores locales)

hasta otro tipo de moléculas que estudiaremos en los próximos temas y que reciben el nombre de

segundos mensajeros.

Se conocen más de 100 tipos de proteína G aunque la mayoría de ellas responden al esquema

que hemos visto. Además podemos encontrar algunas variantes en cuanto a papel y función en la

transducción de señales, de estas, nosotros estudiaremos algunos ejemplos.

γγββ αα αα ATP

cAMP

R

Proteína G estimuladora

ADENILATO

CICLASA

RECEPTOR

ACTIVOT


cAMP

R


ADENILATO

CICLASA

RECEPTOR

ACTIVOT


cAMP

R


ADENILATO

CICLASA

RECEPTOR

ACTIVOT


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ADENILATO CICLASA

Proteína G acoplada a la adenilato ciclasa

La adenilato ciclasa (AC) (o adenilil ciclasa) es una enzima transmembranal (atraviesa la

membrana) que presenta su centro activo en el interior de la célula (citosólico). Cataliza la reacción de

ATP (adenosin trifosfato) a AMPc (adenosin monofosfato cíclico).

En estado basal- o no estimulado por la proteína G-, la AC tiene una cierta actividad. El AMPc

es degradado por el enzima fosfodiesterasa de AMPc, que rompe el enlace éster entre el fosfórico y el

C-3' de la ribosa hasta AMP.

AMPc 5'-AMP

La concentración celular de AMPc es en todo momento el resultado de las actividades

relativas de las reacciones de formación y degradación (el balance entre ambas reacciones).

ATP AMPc 5'-AMP

La subunidad α "activa" de la proteína G contacta con la AC y la activa, con lo que la síntesis

de AMPc aumenta y su concentración intracelular también. La respuesta celular va a depender de este

aumento en la concentración de AMPc (suele ser unas 5 veces). En la comunicación intercelular a este

tipo de moléculas como el AMPc se les denomina "segundos mensajeros".

Instantes después de que la proteína G contacte con la AC, la actividad intrínseca GTPasa

de la subunidad α empieza a funcionar con lo que, el GTP se hidroliza hasta GDP. Al suceder esto, la

subunidad α experimenta un cambio conformacional y vuelve a su estado inactivo restableciéndose el

trímero (αβγ), de tal forma que si llegase una nueva señal desde el exterior se repetiría el proceso.

ADENILATO

CICLASA

RECEPTOR

ACTIVO

γγ ββ αα αα ATP

cAMP

R


5´-AMP

PK-A inactiva

PK-A activa

Fosfodiesterasa

cc

r c

cr

r r

ADENILATO

CICLASA

RECEPTOR

ACTIVO

γγ ββ αα αα ATP

cAMP

R


5´-AMP

PK-A inactiva

PK-A activa

Fosfodiesterasa

cc

r c

cr

r rcc

r c

cr

r r


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TIPOS DE PROTEÍNAS G TRIMÉRICAS

Las proteínas G se engloban en dos grandes grupos:

1. - Las proteínas G activadoras, tal como la que hemos visto, y que poseen unas subunidades

ααs activadoras (síntesis, activación de la AC…etc.)

2. - Las proteínas G inhibidoras, que poseen subunidades αα i inhibidoras, que cuando están

en estado activo inhiben la actividad de la AC.

Entre estas proteínas G activadoras e inhibidoras existen otras diferencias a considerar. Por un

lado la región o dominio de la proteína que contacta con el receptor es diferente, de modo que las

proteínas Gαs contactan con un tipo de receptores, mientras que las Gα i contactan con otro. También

es distinto el lugar de contacto de estos dos tipos de proteína G con la AC.

Como hemos dicho antes la actuación de la proteína G sobre la AC es instantánea, es decir,

ocurre en un breve periodo de tiempo. ¿ Que ocurrirá si la actuación de estas proteínas se prolonga en

el tiempo?. Si la proteína G es activadora, la [AMPc] se mantendrá alta durante un largo periodo de

tiempo, mientras que si la proteína G es inhibidora ocurrirá lo contrario, lo que quiere decir, en última

instancia, que la respuesta biológica será duradera. Este efecto, en la vida celular, normalmente, no es

deseable, ya que siempre se persigue una respuesta puntual de la célula y su vuelta al estado basal.

Cuando una situación perdura se puede considerar que se ha perdido el control sobre la actividad

celular y esto evidentemente resulta dañino.

Mecanismo de acción de algunas toxinas

Las proteínas G son moléculas diana de algunas toxinas bacterianas. Estas toxinas son

enzimas que penetran en la célula huésped y alteran de alguna manera el funcionamiento de la proteína

G. Veamos como esta modificación puede afectar de distinta forma a las proteínas G:

cAMP

Rs

Gαα s

Hormonaestimuladora

βα

γ

AC βα

γ

Gαα i

Ri

Hormonainhibidora

cAMP

Rs

Gαα s

Hormonaestimuladora

βα

γ

AC βα

γ

Gαα i

Ri

Hormonainhibidora


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1. - Si es una Gαs y pierde su capacidad de hidrolizar el GTP, es decir, su actividad GTPasa se

ve modificada, tendremos como consecuencia que la actividad de la Gαs y de la AC son permanentes,

produciéndose grandes cantidades de AMPc, lo que se traduce en distintas consecuencias fisiológicas

según del tejido en el que nos encontremos, por ejemplo, en el epitelio gastrointestinal, provoca la

salida permanente de Na+ y H2O a la luz del tubo digestivo (diarrea). Así actúa la toxina colérica,

producida por Vibrio cholerae, que se encuentra en el agua contaminada y que es la causante del cólera.

2. - Si es una Gα i, la proteína G modificada no puede contactar e inhibir a la AC, por lo que la

respuesta fisiológica, que se debía dar y que depende de la disminución de la concentración de AMPc,

no se dará por lo que se produce un trastorno celular. En este caso el ejemplo sería la toxina de

pertussis, producida por Bordetella pertussis, que es la causante de la tos ferina.

Papel adicional de las Gi en los receptores muscarínicos de AcCo

Los receptores muscarínicos de AcCo se asocian a proteínas G. Dentro de este grupo de

receptores podremos encontrar respuestas excitadoras o inhibidoras dependiendo del tipo celular en el

que se encuentren los receptores, en el músculo liso del intestino causa contracción y perístalsis

mientras en el corazón se produce bradicardia (disminución del ritmo cardiaco).

En el subtipo de receptor muscarínico de acetilcolina que se encuentra en el músculo cardiaco,

encontramos la unión de AcCo, a una proteína Gα i, que inhibe la actividad de la AC. La Gα i activa,

actúa también como ligando regulador de la apertura de un canal iónico selectivo de K+.

La apertura del canal de K+ origina la salida de este ion de la célula a favor de un gradiente

electroquímico, lo que se traduce en una hiperpolarización de la membrana (efecto inhibidor). En

consecuencia la célula muscular ofrecerá una resistencia extra a la despolarización que conduce a la

contracción de la fibra.

Por tanto, la acción de la AcCo sobre el músculo cardiaco es consecuencia de estas dos

acciones de la Gα i: baja los niveles de AMPc y apertura de los canales de K+ que provocan

hiperpolarización.

EL AMPc COMO SEGUNDO MENSAJERO

El AMPc actúa uniéndose y regulando la actividad de una proteína quinasa dependiente de

AMPc que recibe el nombre de PK-A (Protein Kinase, y AMPc).

La PK-A es un enzima tetramérica formada por dos subunidades catalíticas iguales que

llamaremos (c) y dos subunidades reguladoras iguales que llamaremos (r). En su estado inactivo se halla

en forma de tetramero, sin embargo, la unión de 2 moléculas de AMPc, a cada una de las subunidades


19

reguladoras, provoca un cambio conformacional en el enzima, del que resulta la separación de las 4

subunidades y la activación de las subunidades catalíticas.

La PK-A fosforila sustratos proteicos específicos en residuos de Ser/Thr, se trata pues de una

serina-treonina –protein-quinasa. La fosforilación del sustrato hace que este cambie de estado, es decir de

activo a inactivo o viceversa.

El estado de fosforilación (y de actividad)

de las proteínas fosforiladas es contrarrestado

por las serina-treonina –protein-fosfatasas que

hidrolizan el enlace éster del fosfato.

Una vez más, vemos que existe un balance

marcado por dos tipos de enzima y que

determinarán los niveles de proteínas fosforiladas.

La respuesta celular dependerá de los sustratos

proteicos que son reconocidos por la PK-A y que

se expresarán en las correspondientes células

dianas. Veamos un ejemplo sencillo de lo que

ocurre en el hígado y en el músculo, como

consecuencia de la llegada de una molécula de

señalización que aumenta los niveles de AMPc

intracelulares y activa la PK-A.

Es decir, el aumento de los niveles de AMPc en el músculo y en el hígado conducen a un

aumento en la degradación de glucógeno a glucosa-1-fosfato (G-1-P), es decir, a un aumento de la

glucogenolisis. Dos de los primeros mensajeros implicados son dos hormonas; la adrenalina y el

glucagón.

Aumento en la degradación delglucógeno (glu-1-P)

cAMP

PK-A inactiva PK-A activa

Músculo: adrenalinaHígado: glucagón

ATP ADPPi

Fosforilasa b quinasainactiva

Fosforilasa b quinasaactiva

2ATP 2ADP

Fosforilasa b menos activa

Pi Pi

Fosforilasa aactiva

Músculo: vía glucolíticaHígado: sangre


20

EL SISTEMA OLFATORIO

El funcionamiento del sistema olfatorio nos ofrece la posibilidad de conocer una variante del

mecanismo estudiado. En este caso el AMPc no actúa a través de la PK-A, sino que es el ligando

regulador de un canal iónico de membrana. Destaquemos que las células neuronales receptoras de las

moléculas odorantes (olor) están provistas de cilios y de un axón que envía señales eléctricas al SNC.

Este ejemplo nos va a mostrar que los mecanismos de comunicación intercelular no sólo

coordinan el funcionamiento celular sino que, además, interviene en los procesos de comunicación del

animal con el exterior.

Se supone que existen más de 10000 tipos de proteínas receptoras de moléculas odorantes. Los

receptores están localizados en la membrana plasmática (porción externa ciliada) de la neurona

receptora del olor. Aunque no en todos los casos, si en bastantes, el mecanismo desencadenado por la

unión del odorante a su receptor específico, activa a una proteína Gαs, que a su vez activa a la AC, lo

que origina un aumento transitorio del AMPc intracelular. El AMPc actúa en este caso como ligando

intracelular, que abre canales iónicos selectivos para el Na+, localizados en la membrana de la célula. A

raíz de esto, se produce la entrada de Na+ en la célula a favor de un gradiente electroquímico, lo que

origina una despolarización de la membrana, que se traduce en un potencial de acción (por aperturas

sucesivas de canales de Na+ dependientes de voltaje) que se propaga por toda la neurona y se dirige a

través del axón al Sistema Nervioso Central (SNC), donde se procesa la información.


21

TEMA 15: RUTA DE LOS FOSFATIDIL INOSITOLES

LOS FOSFOLÍPIDOS DE INOSITOL Y LA PLC-ββ

Los fosfolípidos de inositol son compuestos minoritarios de las membranas biológicas.

El inositol tiene 6 carbonos quirales o asimétricos, de modo que puede tener 26 = 64 isómeros.

El que aparece en las células animales recibe el nombre de mio-inositol.

Quinasas específicas fosforilan el PI hasta PIP y éste hasta PIP2. El PIP2 es el que va a

participar en estas rutas que empezamos a estudiar, más en concreto, el PIP2 que se localiza en la cara

interna de las membranas plasmáticas.

DATO ADICIONAL: LA SUBUNIDAD ALFA QUE PARTICIPA EN ESTA RUTA VAMOS A LLAMARLA αP PARA DIFERENCIARLAS

DE LAS QUE CONTACTAN CON LA AC.

El receptor se activa con la unión del primer mensajero, con lo que puede contactar con la

proteína G inactiva y activarla. La Gαp activa tiene capacidad para contactar y activar una proteína

anclada a la cara interna de la membrana plasmática; la fosfolipasa C (PLC). Existen tres tipos de

PLC; la PLC-β , la PLC-γ y la PLC-δ. La PLC-β es la que se activa en este caso que nos ocupa.

El sustrato de la PLC-β es el PIP2. El enzima hidroliza este fosfolípido justo en el enlace éster

que conecta el fosfato con el glicerol, de esta acción resultan dos productos; el Diacilglicerol (DAG) y

el Inositol 1,4,5 Trifosfato (IP3). El DAG permanece en la capa interna de la membrana, mientras el

IP3 que es una molécula hidrófila difunde al citosol celular. La respuesta celular va a depender de lo que

hagan cada una de estas moléculas (el DAG y el IP3) ya que la ruta se ha bifurcado.

P

OHOH OH

OH

OH

P

OHOH OH

OHOH OH

O

O2ATP 2ADP

P

P

O

OP =

O

O

OP =

O

O

OP =

O

O

R

O=CLÑ

O

R’

O=C=O

O

H2 C - CH - CH2OH

Fosfatidilinositol

(IP)

Fosfatidilinositol4,5-bifosfato

(PIP2)

H2O

PLC IP3

DAG

P

OHOH OH

OH

OH

P

OHOH OH

OHOH OH

O

O2ATP 2ADP

P

P

O

OP =

OO

O

OP =

OO

O

OP =

OO

O

R

O=CLÑ

O

R’

O=C=O

O

H2 C - CH - CH2OH

Fosfatidilinositol

(IP)

Fosfatidilinositol4,5-bifosfato

(PIP2)

H2O

PLC IP3

DAG


22

EL INOSITOL TRIFOSFATO (IP3) Y EL DIACILGLICEROL (DAG) COMO SEGUNDOS

MENSAJEROS. PROTEÍNA QUINASA DEPENDIENTE DE Ca+2 (PK-C).

El IP3 va a actuar como ligando regulador de un canal de Ca2+, se une a este canal abriéndolo y

el Ca2+ sale del orgánulo hasta el citosol, a favor de un gradiente electroquímico.

DATO ADICIONAL: EL OGÁNULO AL QUE NOS REFERIMOS PUEDE SER CUALQUIRA DE ÁQUELLOS EN LOS QUE ESTE ION

SE CONCENTRA; RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO, RETÍCULO SARCOPLASMÁTICO...ETC. ES CONVENIENTE RECORDAR QUE LA

CONCENTRACIÓN DE CA2+ EN EL CITOSOL DE UNA CÉLULA EN REPOSO (NO ESTIMULADA) ES APROXIMADAMENTE 10-7

M, MIENTRAS EN EL ESPACIO EXTRACELULAR Y EN EL INTERIOR DE LOS ORGÁNULOS DONDE SE CONCENTRA, LLEGA A

ALCANZAR UNA 10-3 M. TAMBIÉN RECORDARÁN DE TEMAS ANTERIORES QUE ES IMPORTANTE PARA LA CÉLULA MANTENER

BAJA LA [CA2+] EN EL CITOPLASMA Y QUE INCLUSO LA CÉLULA UTILIZA DISTINTOS MECANISMOS DE TRANSPORTE ACTIVO

PARA QUE ASÍ SEA.

La subida momentánea del Ca2+ citosólico va a promover la incrustación de un enzima, la

PKC (Protein Kinase dependiente de Calcio), a la cara citosólica de la membrana plasmática. En esta

situación, la PKC puede ser activada por el DAG y de esta manera fosforilar a sustratos proteicos

específicos en residuos de serina o treonina.

CALMODULINA. IMPORTANCIA DE LA CONCENTRACIÓN CITOSÓLICO DE Ca+2.

El calcio no sólo actúa sobre la PKC, también ejerce sus propias acciones sobre las células

dianas, y esto lo hace principalmente a través de la unión y regulación de la calmodulina (CaM). La

calmodulina es una proteína (no un enzima) citosólica, ubicua y que muestra una actividad, como su

propio nombre indica, regulada por calcio. Se encuentra constituida por una sola cadena polipeptídica y

H

R

Prot. G

Prot. G

PLC

PIP

2

IP3

D A G

PKC

Ca2 +

Ca2 +

P

Calmodulina

?

H

R

Prot. G

Prot. G

PLC

PIP

2

IP3

D A G

PKC

Ca2 +

Ca2 +

P

Calmodulina

?

H

R

Prot. G

Prot. G

PLC

PIP

2

IP3

D A G

PKC

Ca2 +

Ca2 +

P

Calmodulina

?


23

fija Ca 2+ con una alta afinidad (4 iones de Ca2+ por molécula). Se puede encontrar en dos estados

conformacionales:

Su forma de actuación es uniéndose y activando/desactivando a proteínas, de ellas algunas son

enzimas específicas, que contienen un dominio adecuado para contactar con la calmodulina.

Al fijarse a la proteína específica le induce un cambio conformacional que altera su estado de

actividad. Gran parte de las acciones de la calmodulina se ejercen por medio de serin-treonin-quinasas

específicas (PK-CaM o CAM-PK) que fosforilan sustratos en estos residuos. Los dominios de los

sustratos de la PK-A, de la PKC y de las CAM-PK son diferentes y cada célula contendrá un juego

característico de estos sustratos de quinasas que intervendrán en la ruta según sean o no necesarios

para la respuesta celular que se espera.

Los efectos del calcio pueden ser tan interesantes y curiosos como lo señala el hecho de que

participe en los procesos de memoria relacionados con la colocación espacial de los objetos. A este

respecto conviene señalar que hay una CaM-PK en el cerebro que no solo fosforila sustratos

específicos sino que además se autofosforila. Esta quinasa presenta tres estados conformacionales que

están relacionados con tres estados de actividad:

1) inactiva; no une CaM y no fosforila.

2) Activa al 100 % ; si une CaM y puede fosforilar

3) Activa al 50 %; no une CaM y puede fosforilar

Imaginemos ahora que se hace pasar una rata por un laberinto, y que en este hay un objeto que

le produce daño si le toca, la rata debe desviarse para evitarlo. La primera y segunda vez que pasa lo

toca y recibe daño, sin embargo a la tercera lo evita, por tanto ha aprendido que ese objeto es dañino.

Por técnicas de ingeniería genética se crean ratas con la CaM-PK cerebral alterada en el sentido de que

no puede autofosforilarse. Una rata de este tipo cruzará el laberinto 6/7 veces y no será capaz de

aprender a evitar el objeto. Así, aunque el proceso del que estamos hablando (memoria y aprendizaje

Enzima inactivo

Enzima activo

4 Ca+2

Calm

odulina

Inactiva Activa

Enzima inactivo

Enzima activo

4 Ca+2

Calm

odulina

Inactiva Activa


24

para la localización de objetos) parece un tanto complicado, su base molecular puede resultar

ciertamente bastante sencilla.

También puede darse en estas rutas que estamos estudiando una actuación conjunta, para

potenciarse o contraponerse. Vamos a ver un ejemplo de esto; recordemos que la PKA activa la

fosforilasa quinasa que actúa en la glucogenolísis (una activación de esa enzima supone un aumento en

la degradación del glucógeno). La fosforilasa quinasa es un enzima tetramérico, las subunidades α, y

β son reguladoras y susceptibles de fosforilación por la PKA (estarán fosforiladas cuando la enzima

está activa), la subunidad catalítica es la γ y la δ es la CaM activa. Las rutas del AMPc y del Ca 2+

convergen en esta enzima, potenciándose sus efectos. En ausencia de fosforilación por la PKA o de

CaM activa, la actividad del enzima disminuye (está sólo parcialmente activa). En otras situaciones la

convergencia es antagónica.

VISIÓN MONOCROMÁTICA

En la retina de los ojos de vertebrados se encuentran las células que se ocupan de detectar la

luz; los conos y bastones. Los conos son las células que se ocupan de la visión en color y los bastones

de la monocromática. Nosotros vamos a centrarnos en los bastones, que son células nerviosas

modificadas con la siguiente estructura.

Destaca en ellas:

1. El segmento externo, caracterizado por la existencia de una gran cantidad de discos de

membrana.

2. El segmento interno con el núcleo, mitocondrias, aparato de Golgi...

3. Una terminación sináptica con vesículas conteniendo neurotransmisores.

Los discos membranales del segmento externo son ricos en una proteína fotoreceptora: la

rodopsina. La rodopsina está constituída por un componente proteico: la opsina; y un componente no

proteico que es el cromógeno (sensible a la luz): el 11 cis-retinal, al que se halla unido covalentemente.

Quinasa sin Ca+2

InactivaCa+2- Quinasa

Parcialmente activa

Aumento de Ca+2

Impulso nerviosoHormonas

Cascada del AMPc

Contracción muscular

Quinasa fosforiladaTotalmente activa


25

La rodopsina es una proteína

transmembranal que se comporta como un

receptor de la luz (de los cuantos o fotones

luminosos). En ausencia de luz la rodopsina

está inactiva, la llegada de un fotón la activa. En

la absorción de la luz el cis-retinal se convierte

en trans-retinal, y esto provoca un cambio

conformacional en la proteína, activándola.

Una vez activa, puede contactar y activar a una

proteína G trimérica, llamada transducina

(Gαα t) que se activa y entra en contacto con un

enzima membranal, una fosfodiesterasa (PDE)

específica de GMPc.

La PDE es un enzima

heterotetramérica (dos subunidades γ

reguladoras, una α y una β catalíticas). La

proteína G la activa separando la subunidad γ

de las otras dos. En ausencia de γ, la PDE se

activa e hidroliza el GMPc a 5’-GMP, con lo

que los niveles de GMPc citosólico disminuyen

y esta disminución es la responsable de la señal

que genera la célula fotoreceptora, y que se

trasmitirá vía la conexión sináptica al SNC,

donde se interpretará.

La situación en la membrana del bastón

es un tanto particular. El “potencial de

membrana” está condicionado por la presencia

de canales de Na+ dependientes de GMPc. En

ausencia de luz, los niveles intracelulares de

GMPc mantienen abiertos estos canales y el

sodio entra en la célula a favor de un gradiente

electroquímico manteniéndose un cierto grado

de despolarización que hace que se produzca la

liberación de neurotransmisores en la sinapsis.

Cuando el fotón de luz pone en

funcionamiento la cascada que acabamos de

estudiar, los niveles de GMPc celulares

disminuyen, se cierran los canales de Na+ y

aumenta la polaridad de la membrana

produciéndose la hiperpolarización y la

disminución en la liberación de

neurotransmisores.

Terminación sináptica

citoplasma

discos

Espacio

intradiscal

Cilios de conexión

Aparato de Golgi

Núcleo

Segmento interno

Segmento externo

Terminación sináptica

citoplasma

discos

Espacio

intradiscal

Cilios de conexión

Aparato de Golgi

Núcleo

Segmento interno

Segmento externo

citoplasma

discos

Espacio

intradiscal

Cilios de conexión

Aparato de Golgi

Núcleo

Segmento interno

Segmento externo

Retículo Endoplásmico

Mitocondria


26

La liberación de neurotransmisor (ácido glutámico) tiene un efecto inhibitorio sobre las células

que hacen la sinapsis con los bastones (células bipolares) y esto se mantiene en condiciones de

oscuridad. Cuando los bastones reciben luz, cuanto mayor es su intensidad, la hiperpolarización de la

membrana es más duradera y por tanto, las células bipolares pueden excitarse. En estas condiciones

tendrá más importancia la señalización por parte de los conos.

OXIDO NITRÍCO Y GMPc

Hacia finales de los 80, el óxido nítrico (NO) fue descrito como una molécula de señalización.

Esta vía discurre a través de una guanilato ciclasa citosólica que podemos encontrar, por ejemplo,

en las células del músculo liso.

El aumento de calcio que se produce por acción de la AcCo en tejidos adyacentes, lleva a la

activación de la calmodulina, que a su vez estimula la actividad de la NO sintasa produciéndose NO. El

NO difunde hasta las células del músculo uniéndose y activando a la guanilato ciclasa. Como

consecuencia, se incrementan los niveles de GMPc en la célula, produciéndose relajación y

vasodilatación. El GMPc actúa sobre una proteína quinasa específica de GMPc (PKG).


27

TEMA 16: RECEPTORES DE MEMBRANA LIGADOS A ENZIMAS

TIPOS DE RECEPTORES LIGADOS A ENZIMAS

Los receptores de membrana ligados a enzimas tienen la particularidad de tener actividad de

receptor en el dominio extracelular de su molécula, y actividad enzimática en el dominio intracelular o

citosólico. Generalmente, están constituidos por una sola cadena peptídica y presentan dos estados

conformacionales; en ausencia de molécula de señalización, el enzima está inactivo, en el otro estado, la

unión al mediador produce un cambio conformacional en el receptor que activa a la enzima.

Hay cuatro tipos de receptores, que se diferencian entre sí, por el tipo de actividad enzimática;

1) Receptores con actividad tirosin-quinasa

2) Receptores con actividad tirosin-fosfatasa

3) Receptores con actividad Ser/Thr-quinasa

4) Receptores con actividad guanato-ciclasa

De estas, el grupo más importante, con diferencia, es el primero. Decenas de moléculas de

señalización funcionan con este tipo de receptores, y sólo algunos pocos utilizan los tipos 2, 3 y 4, por

ello en este tema nos centraremos en el estudio de los receptores con actividad tirosin-quinasa.

MECANISMO GENERAL DE ACTUACIÓN DE LOS RECEPTORES CON

ACTIVIDAD TIROSINA QUINASA

Los receptores tirosina quinasa tienen una gran importancia fisiológica. Numerosos mediadores

que actúan por vía paracrina y/o autocrina los utilizan. Estos mediadores reciben el nombre de factores

de crecimiento y citoquinas. También algunas hormonas importantes utilizan esta vía de señalización (p.ej.

eritropoietina, insulina, hormona de crecimiento, prolactina…etc.)

L

R

Dominio tirosina quinasa


28

El mecanismo general de activación del receptor (existen algunas excepciones), es el siguiente:

En ausencia del primer mensajero, el receptor R se halla en estado de monómero y sin

actividad enzimática. La llegada del ligando, o mediador, promueve la dimerización del receptor, lo

que provoca un cambio conformacional que activa al enzima. El primer sustrato de la enzima es el

propio receptor, que resulta fosforilado en determinados residuos de TYR (autofosforilación). En

este estado, el receptor es capaz de fosforilar en TYR a otros sustratos específicos.

Como ocurría con las anteriores quinasas estudiadas, la fosforilación en TYR que lleva a cabo el

receptor, provoca un cambio en el estado de actividad de la proteína sustrato. El proceso se invierte

por proteínas como la Tyr-fosfatasa

PROTEÍNAS CON DOMINIO SH2

La respuesta celular dependerá de los sustratos que son fosforilados por el receptor, y que serán

distintos según la célula diana de que se trate, sin embargo, todos ellos tienen una característica en

común, y es que deben poseer, para ser fosforilados, una región o dominio que se denomina SH2.

Entre estos sustratos habría que destacar:

1) Fosfolipasa Cγγ (PLCγγ)

2) Grb 2

3) PI3- kinasa

4) GAP

1) La PLC-γ es igual a la PLC-β que vimos en la ruta de los fosfatil-inositoles, solo que, a

diferencia de aquélla (que se activa por la Gα ), ésta es activada por fosforilación en Tyr por

el receptor. La PLC-γ hace exactamente lo mismo que la PLC-β y por tanto no vamos a

insistir.

Dominiotrasmembranal

Dominiocitosólico

Dominioextracelular

Sitio catalítico

ATP ATP

ADPADP

PP

Ligando


Dominiocitosólico

Dominioextracelular

Sitio catalítico

ATP ATP

ADPADP

PP


Dominiocitosólico

Dominioextracelular

Sitio catalítico

ATP ATP

ADPADP

PP

LigandoLigando


29

2) La Grb2 es una proteína que al ser activada por el receptor, contacta con otra proteína

llamada SOS y la activa. El complejo Grb2-SOS, que se encuentra anclado en la membrana,

va a su vez a activar a otra proteína denominada ras.

3) La PI3-Kinasa fosforila inositoles en el carbono 3 (C3). En consecuencia, esta enzima,

provoca la formación de IP4. A partir de este punto los conocimientos de cómo se

desarrolla esta ruta, están siendo investigados y por tanto, quedan fuera de lo que son los

objetivos de este curso.

4) La GAP es reguladora de ras.

PROTEÍNA RAS

Ras es una proteína G monomérica (equivale a la subunidad α de las proteínas G). Ras tiene

por sí misma una cierta capacidad de intercambiar GDP por GTP, y también posee una cierta

capacidad GTPasa, es decir, capacidad de hidrolizar GTP hasta GDP. Cuando el complejo Grb2-SOS

contacta con ras, le activa su capacidad intercambiadora de nucleótidos de guanina, es decir, favorece la

unión de GTP y la liberación de GDP.

rasGEF

GDP

rasinactiva

rasactiva

ras

GTP

ras

GEF

GAP

rasGAP

P


30

Cuando ras está unida a GTP, está en su estado activo y es en este momento cuando puede

activar a otras proteínas. En este caso, lo hace a un enzima denominada raf-1 (también recibe el

nombre de MAPKKK, de Mitosis Activator Protein Kinase). Raf-1 es una proteína que tiene actividad

Ser/Thr quinasa y la respuesta celular que se produzca, a partir de su activación dependerá, de los

sustratos que ella fosforile.

Volviendo a ras, también podemos encontrar en la célula otra proteína llamada GAP, que

contacta con ras y aumenta su capacidad GTPasa. Así pues, la activación/inactivación de ras depende

del balance o resultante de las actuaciones de Grb2-SOS y GAP.

El grupo de mediadores y mecanismo de señalización que estamos estudiando es de gran

importancia. Un efecto o respuesta celular que los engloba, es el de regular la proliferación o división

celular y la diferenciación, procesos imprescindibles en la vida celular. La acción de estos mediadores

viene indicado por su propio nombre; factores de crecimiento, citoquinas...etc.

En el caso del esquema anterior, tenemos que raf activa fosforila en Ser/Thr a la MEK, y la

activa, ésta hace lo mismo con la MAPK, que en su estado activo difunde al núcleo (esto es posible

porque la membrana nuclear presenta poros que permiten el paso de proteínas de un tamaño

relativamente pequeño- hasta 60-70 KDa-), y en el núcleo fosforila a uno o varios factores de

transcripción necesarios para la síntesis, entre otras proteínas, de la MAP, proteína indispensable para

la duplicación del ADN y la división celular.

Hagamos una breve aproximación al proceso que tiene lugar, cuando llega al núcleo de la célula

una señal de proliferación. Para que una célula se divida, un requisito indispensable es que duplique su

contenido en ADN. El ADN forma parte de los cromosomas, está localizado en el núcleo de las

ras

EGF

GDP

ras inactiva

ras

EGF

GDP

ras inactiva

Grb2SOS

ras activaP

PP

PP

ras

raf

MEK

MAPKMAPK

núcleo

PGrb2SOS

ras activaP

PP

PP

ras

raf

MEK

MAPKMAPK

núcleo

P


31

células y es el portador de los caracteres hereditarios, o lo que es lo mismo, contiene la información

que ha de ser usada para la fabricación de las proteínas. Esta información se encuentra en unas

regiones específicas del ADN que llamamos gen. La síntesis de una proteína consiste en utilizar la

información contenida en un gen, para fabricar una molécula de ARNm (el proceso recibe el nombre

de transcripción), la información que contiene este ARNm se utiliza para fabricar la proteína en los

ribosomas (traducción).

Para que el ADN se duplique, es necesario, por tanto, la existencia de una serie de proteínas

que intervienen en estos procesos antes mencionados. Si bien existen distintos puntos o niveles desde

donde se puede controlar la síntesis de proteínas, el nivel de control más importante es el

transcripcional. La transcripción es un proceso que se produce en el núcleo, por ello tendremos que

aclarar como llegan, señales generadas en un receptor de membrana plasmática, al núcleo celular.

Antes de profundizar en este aspecto, hagamos un breve repaso de lo que ocurre en la

transcripción. Para la fabricación del ARNm es necesaria la unión de la ARN polimerasa a la región del

ADN que hemos llamado gen. Esta unión esta regulada en una zona próxima y anterior a la zona

codificadora del propio gen, denominadas zonas promotoras. Es en estas zonas, donde otras

proteínas intervienen en el proceso, uniéndose tanto al ADN como a otras proteínas para,

conjuntamente regular la actividad de la ARN polimerasa, o lo que es lo mismo, el proceso. Estas

proteínas reciben el nombre de Factores de Transcripción (FT) y son indispensables en la síntesis

de ARNm. La unión de un FT al ADN no se produce al azar, sino en una zona concreta para cada FT.

Esta unión puede realizarse debido a que el FT reconoce una secuencia de bases precisa para este

factor, esta secuencia reciben el nombre de secuencia consenso.

En relación a los factores de transcripción y como estos regulan el proceso, existen dos

posibilidades:

1) Que un factor de transcripción no esté o esté, es decir que sea necesaria su presencia para

que la ARN polimerasa pueda unirse al ADN.

2) Que esté activo o no lo esté. Hay factores de transcripción que presentan ambos estados de

actividad. Esto puede depender de varias posibilidades, una de ellas es, una vez más, la

fosforilación del FT. En este caso, sólo cuando el FT este fosforilado y por tanto activo,

podrá unirse a la zona promotora o bien, contactar con otro factor de transcripción.

Fijémonos ahora que lo anteriormente expuesto no es solo válido para comprender una

respuesta proliferativa o de diferenciación celular, sino que la respuesta a la acción del mediador

que utiliza receptores tirosin-quinasa también es de tipo metabólico, modificación de enzimas y

proteínas que participan en las rutas metabólicas, dicho de otra manera, la respuesta metabólica va a ser

una consecuencia de:

1) Modificación de la actividad de enzimas concretos por fosforilación de las mismas.


32

2) Síntesis o alteración de la concentración de un enzima determinado.

Desde el punto de vista del conocimiento general que ustedes deben tener sobre los fenómenos

biológicos, otro gran campo donde es sumamente importante estas rutas que estamos estudiando, es en

el de la transformación de una célula normal a una célula tumoral, o, dicho de otra forma, en el

mecanismo molecular que interviene en la carcinogénesis.

Toda señal que llega a una célula desencadena un mecanismo (una respuesta) que es

rápidamente revertido. Esto se debe, a que estos mecanismos responden a una necesidad instantánea

de la célula y todo lo que acontece dentro de él, está diseñado para que así ocurra (el mediador tiene

una vida media determinada, las moléculas que se activan tienen procesos que rápidamente invierten

esta activación…etc.)

Si ponemos el ejemplo de ras, nos podríamos preguntar ¿qué ocurriría con una célula con esta

proteína continuamente activa?. La respuesta, después de todo lo visto es bastante obvia, estaría

continuamente dividiéndose. Esta es una característica de las células cancerosas, proliferan

continuamente y no existe posibilidad de controlar fisiológicamente este proceso, las células se

encuentran fuera del control normal que el organismo ejerce sobre ellas. En las células cancerosas ras

está constitutivamente activo, por distintas causas la proteína se encuentra mutada o alterada de tal

forma que no responde a los mecanismos de control que hemos estudiado.

Otra posibilidad de que ocurra esta desregulación de la proliferación celular puede ser a nivel

del receptor. En algunos casos se ha observado que el receptor del factor de crecimiento está alterado y

es funcionalmente activo incluso en ausencia de ligando. Las causas de este hecho son variables, desde

factores genéticos hasta factores externos al organismo.

EL RECEPTOR DE INSULINA Y RECEPTORES SIN ACTIVIDAD TIROSINQUINASA

INTRÍNSECA

Del modelo estudiado para el funcionamiento de los receptores tirosin-quinasa existen dos

variaciones:

A) El receptor de insulina. Cuando está inactivo es un tetrámero formado por 2 subunidades

α y 2 subunidades β. Las α son completamente extracelulares y están unidas a las β por

puentes disulfuro. Las subunidades β atraviesan la membrana y tienen un dominio

intracelular con actividad tirosin-quinasa, cuando la insulina se une a su receptor le produce

un cambio conformacional que activa este dominio, y se autofosforila. La mayor diferencia

con lo anteriormente descrito, estriba en que este receptor utiliza un sustrato intermedio

llamado IRS-1, recientemente descubierto, que no tiene regiones SH2. Este sustrato una

vez activado, si es capaz de unirse a otros sustratos típicos de estos receptores, (es decir


33

sustratos que tienen SH2) y de los que dependerá la respuesta celular que se produzca.

Entre estos sustratos se encuentra la Grb2 y PI3K, entre otros.

B) Receptores sin actividad tirosinquinasa intrínseca. Hay receptores que utilizan esta vía

de señalización pero que carecen de dominio citosólico con actividad tirosinquinasa, entre

estos, se encuentran dos hormonas muy importantes, la Hormona de Crecimiento (GH)

y la prolactina. En estos casos, la llegada del ligando produce la dimerización y cambio

conformacional del receptor. En estas condiciones el receptor es capaz de contactar con

una proteína que tiene actividad tirosinquinasa y que se llama JAK. La formación del

complejo receptor-JAK hace que esta se active y fosforile al receptor en residuos de Tyr.

Cuando el receptor se encuentra fosforilado, ya puede ser reconocido por sustratos con

regiones SH2 y por tanto unirse a estos y producir su fosforilación. La proteína que se

encarga de fosforilar es siempre la JAK, que además puede tener sus propios sustratos.

RECEPTORES INTRACELULARES

Con anterioridad hemos mencionado que las moléculas hidrofóbicas tienen receptores

intracelulares localizados en el citosol o en el núcleo. El grupo más importante de estas moléculas son

aquéllas que tienen estructura esteroidea y que incluyen a las hormonas sexuales masculinas y

femeninas, producidas en testículo y ovario respectivamente, testosterona, estradiol y progesterona

y las producidas por las glándulas suprarrenales, como el cortisol. También se encuentran en este

grupo la vitamina D3, el ácido retinoico y las hormonas tiroideas (la T3).

El mecanismo molecular de este tipo de señalización es el siguiente: la molécula difunde con

cierta libertad a través de la membrana plasmática, y se une a su receptor produciéndole un cambio

conformacional activador. Si el receptor es citosólico, el complejo (H-R) difunde al núcleo y ejerce allí

su acción. El receptor es un factor de transcripción, que se activa por ligando, por tanto el complejo H-

R se va a unir al ADN y va a regular la transcripción de ciertas proteínas específicas. Estas proteínas

constituyen la respuesta celular.

Glucosa

ββββ

ααααGlucosa

ββββ

αααα


34

Todos los R de las hormonas esteroideas o similares, tienen un diseño muy parecido y forman

una gran familia de receptores. Estos receptores presentan un lugar de unión a la hormona, un lugar de

unión al ADN y una región de transactivación que modula la efectividad con que puede unirse al ADN

y, por tanto, potenciar la transcripción.

Fijémonos que existe una diferencia importante en cuanto a los efectos moleculares que

producen los distintos mediadores sobre sus células dianas.

1) Receptores ligados a proteínas G: modifican la actividad de sustratos proteicos.

2) Receptores con actividad tirosinquinasa: modifican la actividad de sustratos proteicos y

modifican la concentración de determinadas proteínas (inducen su síntesis).

3) Receptores intracelulares: modifican sólo la concentración de determinadas proteínas.

También en este tipo de señalización es frecuente la existencia de una respuesta temprana y

una respuesta tardía. La respuesta temprana sería la síntesis de proteínas debida a la unión del

HormonaPaso 1

Paso 2

Paso 3

Paso 3

Paso 4

Paso 6

Paso 4

Paso 5

PROTEINA

Paso 7

RESPUESTABIOLÓGICA

Paso 8

DNA

mRNA


35

complejo R-H al ADN. En la respuesta tardía algunas de las proteínas sintetizadas por la respuesta

temprana, que son factores de transcripción, actúan en la síntesis de nuevas proteínas.

tema 12: generalidades - ulpgc.es · acción de las hormonas, el renacuajo seguirá creciendo como...

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