Transducción de Señal y Acción Hormonal

Transducción de Señal y Acción Hormonal

• Las hormonas se agrupan en dos categorías según su mecanismo de acción.
• El primer grupo se une a receptores intracelulares y modula la expresión genética directamente.
• El segundo grupo se une a receptores en la membrana celular, desencadenando una cascada de señalización intracelular.
• El reconocimiento de un estímulo es el primer paso en la respuesta adaptativa del organismo.
• A nivel sistémico, este reconocimiento involucra el sistema nervioso y los sentidos, que detectan cambios en el entorno.
• Un estímulo identificado correctamente genera una respuesta adaptativa, la cual puede incluir la liberación de hormonas para regular procesos biológicos esenciales.
• A nivel de órganos, tejidos o células, el reconocimiento está asociado a factores fisiológicos como los niveles de oxígeno, temperatura, nutrientes, metabolitos y osmolaridad.

Generación de Señales Hormonales: Hormonas del Grupo I y Complejo Ligando-Receptor

• Las hormonas lipofílicas del grupo I atraviesan la membrana plasmática debido a su naturaleza hidrofóbica.
• Este tipo de hormonas no necesitan receptores en la membrana celular.
• Las hormonas del grupo I se unen a receptores intracelulares específicos, localizados en el citoplasma o núcleo.
• La unión del ligando induce cambios estructurales en el receptor, lo que permite su activación.
• Una vez activados, los glucocorticoides se difunden a través de la membrana plasmática y se unen a su receptor específico en el citoplasma.
• Este proceso genera un cambio conformacional en el receptor, el cual libera la proteína de choque térmico 90 (hsp90).
• La liberación de hsp90 permite que el receptor muestre su "señal de localización nuclear (NLS)" y se trasloque al núcleo de la célula.
• En el núcleo, el receptor activado se une con alta afinidad a un elemento de respuesta hormonal (HRE) en el DNA.
• Finalmente, se inicia la transcripción genética, promoviendo la síntesis de proteínas específicas.

Mecanismo de las Hormonas Tiroideas y Retinoides

• Las hormonas tiroideas y los retinoides se dirigen directamente al núcleo tras atravesar la membrana celular.
• Sus receptores ya están unidos al DNA en regiones específicas, llamadas elementos de respuesta de la hormona tiroidea (TRE).
• Sin la hormona, estos receptores permanecen unidos a correpresores, bloqueando la transcripción de genes.
• En el momento en que la hormona se une al receptor los correpresores se disocian, coactivadores se reclutan, y se activan la síntesis de mRNA y proteínas específicas.
• Cada hormona regula menos del 1% de los genes en una célula blanco.
• La activación del receptor hormonal genera producción específica de proteínas que impacta los procesos celulares.
• Las hormonas esteroides, tiroideas y retinoides tienen un papel clave en la regulación de la transcripción genética.
• La activación del receptor conlleva el reclutamiento de RNA polimerasa II, interacción con factores generales de transcripción (GTF), y aceleración de la transcripción genética.

Grupo II: Hormonas Solubles en Agua y Señales Intracelulares

• Las hormonas peptídicas y las catecolaminas tienen receptores de membrana y utilizan mensajeros intracelulares.
• Las hormonas solubles en agua tienen una vida media corta porque no tienen proteínas de transporte
• Algunos ejemplos de segundas señales incluyen: cAMP, GMP cíclico (cGMP), calcio (Ca2+), y fosfatidilinositol.

Receptores Acoplados a Proteínas G (GPCRs)

• Las hormonas del grupo II se unen a los receptores que se acoplan a los efectores mediante un intermediario de proteína de unión a guanina (proteína G).
• Los receptores que se denominan a través de proteínas G se conocen como receptores acoplados a proteínas G (GPCRs).
• Estos receptores tienen típicamente siete dominios de membrana hidrofóbica atravesada por una hélice a, ilustrados interconectados.

Adenil Ciclasa

• El AMP cíclico fue la primera señal de segundos mensajeros intracelular identificada en células de mamíferos.
• Varios componentes comprenden un sistema para la generación de degradción y acción de cAMP.
• Tanto Gs como Gi son proteínas G hemterométricas compuestas de subunidades a, B y Y.
• El complejo proteínico funciona como un heterodímero
• La activación de la proteína G implica el intercambio de GDP por GTP en a y la disociación concomitante de By de a.
• La forma activa, as-GTP se inactiva en la hidrólisis de GTP a GDP y el complejo trimérico Gs (aBy) se reforma y está listo para otro ciclo de activación
• En el caso de (as), esta modificación interrumpe la actividad de GTPasa intrínseca y por tanto as no puede reasociarse con By y por tanto se activa irreversiblemente
• La ADP ribosilación de ai-2 evita la disociación de ai-2 de By y ai-2 libre por tanto no se puede formar
• Hay 21 genes de la subunidad a, 5B y 8y.
• Las diversas combinaciones proporcionan una gran cantidad de complejos aBy posibles.
• Las subunidades a y el complejo By tienen acciones independientes de adenil ciclasa.
• Algunas formas de (ai) estimulan los canales de K+ e inhiben los canales de Ca2 y algunas moléculas de as tienen los efectos opuestos
• Los complejos By se asocian con la estimulación del canal K+ y con la ctivación de la fosfolipasa C
• Las proteínas G están involucradas en muchos procesos biológicos importantes además de la acción hormonal, como la olfacción (aOLF) y la visión (at).
• Los GPCR están implicados en varias enfermedades y son objetivos principales para los agentes farmacéuticos

Proteína Quinasa

• En las células procariotas, el cAMP se une a una proteína activadora específica que se une directamente al DNA e influye en la expresión genética.
• En las células eucariotas, el cAMP se une a una proteína quinasa llamada proteína quinasa A (PKA) y a una molécula heterotetramica.
• La molécula heterotetramica consta de dos subunidades reguladoras (R) que inhiben la actividad de dos subunidades catalíticas (C) cuando se unen como un complejo tetramérico
• La union del cAMP al tetramero R2C2 da como resultado la siguiente reacción: 4cAMP + R2C2 <=> R2-4cAMP + 2C
• El complejo R2C2 no tiene actividad enzimática pero la unión de cAMP a la subunidad R induce la disociación del complejo R-C activando así el último
• La subunidad C activa cataliza la transferencia del fosfato y de ATP a un residuo de serina o treonina en una variedad de proteínas.
• Cada quinasa es una molécula única con considerable variabilidad con respecto de la composición de la subunidad, peso molecular, autofosforilación, Km para el ATP y especificidad del sustrato
• Las actividades tanto de la quiansa como de la proteína fosfatasa pueden ser dirigidas por la interacción con proteínas específicas de union quinasa
• En el caso de la PKA tales proteínas blanco se denominan proteínas de anclaje de la quinasa o AKAP

Fosfoproteínas

• Se cree que los efectos del cAMP en las células eucariotas están mediados por fosforilación-desfosforilación de las proteínas en los residuos de serina y treonina.
• Estos efectos incluyen esteroidogénesis, secreción, transporte de iones, metabolismo de carbohidratos, inducción enzimática, regulación genética, transmisión sináptica, replicación célular y crecimiento.
• Estos procesos pueden ser conferidos por una proteína quinasa específica para la fosforilación
• La matriz de sustratos específicos contribuye de forma crítica a definir un tejido blanco y en la definición del alcance de una respuesta particular dentro de una célula determinada.
• Los efectos de cAMP sobre la transcripción genetica estan mediados por la proteina de unión al elemento de respuesta de AMP cíclico (CREB).
• En un estado, el CREB se une a un elemento potenciador de ADN que responde a cAMP (CRE) en su estado no fosforilado y es un activador debil de la transcripción.
• Al fosforilar los aminoácidos clave, el CREB se une al coactivador de la proteína de union a CREB CBP/p300 resultando en un activador transcripcional.
• El CBP y el p300 relacionado contienen actividades de histona acetiltransferasa (HATs) y sirven como correguladoras transcripcionales activo de cromatina.

Fosfodiesterasas

• Las acciones causadas por las hormonas que aumentan la concentración de cAMP pueden terminarse por hidrólisis de cAMP a 5'-AMP por fosfodiesterasa
• Los miembros de la familia de enzimas fosfodiesterasas se encuentran sujetos a la regulación por sustratos como cAMP y cGMP, por hormonas, y por mensajeros intracelulares, como el calcio a través de la calmodulina
• La presencia de estas enzimas hidrolíticas asegura un rápido cambio de la señal del cAMP y, por tanto, una terminación rápida del proceso biológico una vez que se elimina el estímulo hormonal.
• Los inhibidores de la fosfodiesterasa (ej. derivados de xantina metilados como la cafeína) aumentan el cAMP intracelular e imitan o prolongan las acciones de las hormonas a través de esta señal

Fosfoproteínas fosfatasas

• Las fosfoproteínas fosfatasas están sujetas a regulación por reacciones de fosforilación-desfosforilación y por una variedad de otros mecanismos tales como las interacciones proteína-proteína.
• La especificidad de sustrato de la fosfoserina-fosfotreonina fosfatasa puede estar dictada por distintas subunidades reguladoras cuya unión está regulada hormonalmente.
• El primer tipo desfosforila preferentemente la subunidad B de las fosforilasa quinasa
• Y está implicada en la regulación de la glucógeno sintasa la fosforilasa y la fosforilasa quinasa
• En el segundo tipo se desfosforila la subunidad a.
• Ademas dos inhibidores de proteínas termoestables regulan la actividad de fosfatasa de tipo 1
  • El Primer tipo está fosforilado y activado por lsaproteínas quinasas dependientes de cAMP
  • El Segundo tipo puede ser una subunidad de la fosfatasa inactiva y también está fosforilado por la glucógeno sintasa quinasa -3

GMP Ciclico

• El GMP cíclico se produce a partir de GTP por la enzima guanilil ciclasa.
• Cada una de estas formas de enzimas tiene propiedades fisiológicas únicas
• La atriopeptina es una familia de péptidos producidos en tejidos blancos auriculares cardíacos y causan natriuresis y diuresis
• La vasodilatación está vinculada también con GMP cíclico como efecto de varios compuestos, incluidos el nitroprusiato, nitroglicerina, y azida sódica.

Hormonas que actúan a Través del Calcio o Fosfatidilinositol

• El calcio ionizado, Ca2+, es un regulador importante de variedad de procesos celulares que incluyen la contracción muscular, acoplamiento estímulo-secreción, cascada de coagulación de la sangre, y la excitabilidad de la membrana
• La concentración extracelular del calcio es -5mmol/L y esta muy rigidamente controlada.
• La concentración intracelular de calcio libre o ionizado (Ca2+) es muy baja: de 0,05 a 10umol.
• Algunas hormonas se unen a receptores que son canales de Ca+2, mejorando la permeabilidad de la membrana al Ca2+ y aumentando la afluencia del Ca
• Las hormonas también promueven indirectamente el influjo de Ca2+ al modular el potencial de membrana en la membrana plasmática
• El Ca2+ puede movilizarse desde el reticulo endoplasmatico y posiblemente desde grupos mitocondriales
• También hay una bomba dependiente de Ca2+/proton ATPasa que extruye Ca2+ a cambio de H+
• El Ca2+-ATPasas bombean Ca2+ del citosol al lumen del retículo endoplasmático
• La calmodulina tiene cuatro sitios de unión a Ca2+, lo que conduce a un cambio conformacional y permite la activación de enzimas y canales iónicos.
• El calcio es un mediador de la acción hormonal.
  • Es anulado por los medios libres de Ca2+ o cuando se agota el calcio intracelular
  • Puede mimetizarse con agentes que aumentan el Ca2+ citosólico como el ionóforo Ca2+ A23187
• Algunas enzimas metabólicas reguladas por Ca2+ incluyen el glucógeno sintetasa, piruvato carboxilasa, piruvato carboxilasa, glicerol-3-fosfato deshidrogenasa, y piruvato deshidrogenasa.

Metabolismo de la Fosfatidil inosida

• En los tejidos blancos, un incremento en la cantidad de ácido fosfatídico, fosfatidilinositol, o polifosfoinosítidos resulta de la administración de agentes esteroidogénicos, incluyendo el ATCH y cAMP en la corteza suprarrenal, anigotensina II, K+, serotonina.
• La acetilcolina, hormona antidiurética, y las catecolaminas de tipo a1 son señales que se logran por produtos del metabolismo de fosfatidilinositol,
• Durante su ocupación por ligandos, los receptores en la superficie celular que están acoplados a la isoforma Gq de la proteína G se hacen potentes activadores de la fosofolipasa C.
• La fosfolipasa C cataliza la hidrólisis del fosfatidilinositol 4,5-bifosfato a inositol trifosfato (IP3) y 1-2-diacilglicero
• La hidrólisis de fosfatidilinositol 4,5-bisfosfato conduce a la activación de PKC y promueve un aumento de Ca2+ citoplasmático.
• El diacilglicerol (DAG) en si mismo es capaz de activar la proteína quinasa C (PKC), cuya actividad también depende del Ca2+
• El IP3 al interactuar con un receptor intracelular específico es un liberador eficaz de Ca2+ a partir de sitios de almacenamiento intracelular en el retículo endoplasmático

Hormonas que Actúan a Través de una Cascada de Proteína Quinasa

• Hormonas varias activan proteínas quinasas para transmitir señales intracelulares.
• Ejemplos de quinasas importantes incluyen PKA (dependiente de cAMP), PKC (dependiente de Ca²+) y MAPK (activada por mitógenos).
• La fosforilación en residuos de serina, treonina o tirosina regula la actividad de proteínas blanco.
• Estas vías afectan la proliferación celular, el metabolismo y la respuesta inflamatoria.
• La insulina se une a su receptor, activando su actividad tirosina quinasa
• Se fosforilan los sustratos del receptor de insulina (IRS 1-4).
• IRS activa la fosfatidilinositol 3-quinasa (PI3K), que fosforila PDK1.
• PDK1 activa PKB (AKT), que regula la captación de glucosa y la síntesis de glucógeno.
• También activa la vía MAPK, involucrada en el crecimiento celular.

JAK y STAT

• Hormonas, tales como eritropoyetina, hormona de crecimiento y citocinas, utilizan la vía Jak-Stat.
• La hormona se une a su receptor, activando las quinasas JAK
• Las proteínas STAT, fosforiladas por medio de JAK se dimerizan y entran dentro del núcleo, donde regulan los genes involucrados en la proliferación celular y la respuesta inmune.
• La vía NF-KB está regulada por glucocorticoides
• NF-kB, un factor de transcripción, está encargado de regular la inflamación y la respuesta inmune
• En el estado inactivo, IKb está unido a NF-kB, y mantiene localizada a esta última forma el citoplasma
• NF-kB entra al núcleo y actúa contra los genes inflamatorios
• Los gluocorticoides tienen la capacidad de inhibir a NF-kB, de manera que reduce la inflamación.
• Hormonas pueden influir en efectos biológicos específicos mediante la transcripción moduladora
• Hormonas pueden regular la transcripción génica por medio de activar factores de transcripción específicos
• Un ejemplo incluye los receptores de hormonas esteroides que se unen a elementos de respuesta hormonal (HRE) en el ADN
• La insulina, así como NF-kB, poseen la capacidad de modular la expresión génica por medio de cascadas de señalización
• La síntesis de proteínas a si como el metabolismo y respuesta celular a estímulos se ve afectada por la transcripción modulada