Fisiología del Sistema Endocrinolíco PDF

FISIOLOGÍA DEL SISTEMA ENDÓCRINO LECTURA Fisiología humana, 5e CAPÍTULO 68: Introducción al sistema endocrino: concepto de hormona NATURALEZA DE LAS HORMONAS Todos los tejidos especializados del organismo necesitan funcionar de forma integrada. Dicha integración es posible por la acción de dos...

FISIOLOGÍA DEL SISTEMA ENDÓCRINO LECTURA Fisiología humana, 5e CAPÍTULO 68: Introducción al sistema endocrino: concepto de hormona NATURALEZA DE LAS HORMONAS Todos los tejidos especializados del organismo necesitan funcionar de forma integrada. Dicha integración es posible por la acción de dos grandes sistemas de control: el sistema nervioso, que establece una red de información electroquímica entre el cerebro y los tejidos, y el sistema endocrino, que utiliza mensajeros químicos, denominados hormonas. Así como las señales electroquímicas del sistema nervioso circulan por vías especiales, los nervios, que forman circuitos de conexión, las hormonas se vierten a la circulación sanguínea o al líquido intersticial a través de los cuales alcanzan sus órganos diana correspondientes, donde ejercerán sus acciones. De hecho, en función de la vía seguida por las hormonas para ejercer sus acciones podemos hablar de la existencia de sistemas autocrinos, paracrinos y endocrinos, según actúen sobre la propia célula que las produce, sobre células contiguas o en tejidos distantes. Las hormonas ejercen sus funciones biológicas a concentraciones pequeñísimas (10−6 a 10−12 M), actuando como catalizadores de reacciones preexistentes. Algunas hormonas actúan sólo sobre un tipo celular (tejido diana específico), mientras que otras lo hacen sobre distintos tipos celulares siempre que éstos dispongan de receptores específicos para dicha hormona (véase capítulo 69). La respuesta celular dependerá, en cualquier caso, de su programación genética previa, por lo que la misma hormona podrá generar distintas respuestas en distintos tejidos. El control de la secreción hormonal se realiza a través de sistemas cerrados mediante circuitos de retroalimentación (feedback). Cada circuito funciona encadenado a otro u otros, de manera que los cambios en uno de ellos determinan modificaciones en los demás. Se trata de un sistema cibernético en el que cada hormona, en vez de funcionar de manera independiente, lo hace en relación de interdependencia con las demás. Además, cada vez es más patente la estrecha relación con el sistema nervioso, hasta el punto en que, a la luz de las modernas definiciones de hormona, las diferencias entre los neurotransmisores nerviosos y las hormonas prácticamente han dejado de existir. Según Guillemin, hormona sería “cualquier sustancia que liberada por una célula actuase sobre otra célula, tanto cercana como lejana, e independientemente de la singularidad o ubicuidad de su origen y sin tener en cuenta la vía empleada para su transporte, sea esta circulación sanguínea, flujo axoplásmico o espacio intersticial”. Con todo esto y con el conocimiento de la existencia en las neuronas de un número elevado de péptidos con acción hormonal, van desapareciendo poco a poco las diferencias entre ambos sistemas de control, y se puede hablar cada vez con mayor propiedad de un gran sistema de control neuroendocrino (figura 68–1), con componentes autocrinos y paracrinos. Figura 68–1 Esquemas de las relaciones entre las células secretoras de hormonas y las células efectoras en los distintos sistemas de regulación. Page 1 / 9 (figura 68–1), con componentes autocrinos y paracrinos. Figura 68–1 Esquemas de las relaciones entre las células secretoras de hormonas y las células efectoras en los distintos sistemas de regulación. En función de sus características químicas, es factible distinguir tres tipos fundamentales de moléculas con acción hormonal. Las primeras en descubrirse, las aminas, son derivadas de aminoácidos, al igual que las hormonas tiroideas. El segundo grupo está compuesto por proteínas y péptidos. En algunos casos, una proteína progenitora única origina varias hormonas de tamaños y acciones diversas y, en otros, secuencias de aminoácidos comunes dan lugar a hormonas con acciones distintas, sugiriendo orígenes filogenéticos comunes. En cuanto a los péptidos con función hormonal, cada vez se conocen más, de distintos orígenes y tamaños. Desde tripéptidos hipotalámicos como hormona liberadora de tirotropina (TRH, thyrotrophin­releasing hormone), hasta otros con 70 aminoácidos (aa) como el factor de crecimiento insulinoide (IGF, insulin­like growth factor) de origen tisular. El tercer grupo lo constituyen las hormonas esteroideas, que incluyen a las hormonas suprarrenales y sexuales y a los metabolitos activos de la vitamina “D”. El precursor común de todas ellas es la molécula de colesterol, en la que modificaciones en la cadena lateral, la hidroxilación en distintos puntos y la aromatización de los anillos, les confieren actividades biológicas individuales. Esta relación no pretende ser completa, ya que constantemente se descubren moléculas nuevas con actividad hormonal, como por ejemplo las prostaglandinas, que están constituidas por ácidos grasos, o incluso el óxido nítrico (NO), que es un gas. SÍNTESIS Y SECRECIÓN HORMONAL Aunque, como ya se mencionó, el concepto de órgano endocrino como lugar único de formación de hormonas no es exacto, ya que existen numerosos tejidos capaces de sintetizarlas, las glándulas endocrinas disponen en mayor medida de la maquinaria para su biosíntesis, transformación y liberación. Como regla general, las hormonas procedentes de glándulas determinadas o de sistemas de células más o menos dispersos por el organismo se sintetizan y renuevan de manera continua, aunque existen excepciones, como las hormonas tiroideas y la vitamina D, que se almacenan. Además, es factible distinguir dos tipos principales de biosíntesis. Hormonas polipeptídicas y aminas Page 2 / 9 pasan estas hormonas una vez que han sido sintetizadas en los ribosomas unidos a su membrana. numerosos tejidos capaces de sintetizarlas, las glándulas endocrinas disponen en mayor medida de la maquinaria para su biosíntesis, transformación y liberación. Como regla general, las hormonas procedentes de glándulas determinadas o de sistemas de células más o menos dispersos por el organismo se sintetizan y renuevan de manera continua, aunque existen excepciones, como las hormonas tiroideas y la vitamina D, que se almacenan. Además, es factible distinguir dos tipos principales de biosíntesis. Hormonas polipeptídicas y aminas pasan estas hormonas una vez que han sido sintetizadas en los ribosomas unidos a su membrana. En un inicio, el ARN mensajero específico de la hormona polipeptídica se une a un ribosoma libre, y esta unión determina el comienzo de la traducción en un codón inicial adenina­uracilo­guanina (AUG). La secuencia aminoacídica inicial de la proteína naciente, denominada péptido señal, se une a una ribonucleoproteína citosólica, denominada partícula de reconocimiento de la señal (PRS) que, a su vez, se une a una proteína en la membrana del retículo endoplásmico. La proteína naciente pasa por extrusión a través de la membrana reticular a la luz, con el péptido señal por delante, constituyendo la prehormona. Su semivida es muy corta, ya que éste se separa por la acción de una enzima de tipo tripsina, presente en el propio retículo endoplásmico. En muchos casos, y antes de producirse la secreción, hay modificaciones de la hormona, como es la adición de azúcares en el caso de las glucoproteínas. Cuando, una vez separado el péptido señal, quedan todavía aminoácidos en exceso, la molécula recibe el nombre de prohormona y es preciso que se libere de la cadena peptídica adicional para dar lugar a la hormona madura. En el caso de la insulina, la molécula de proinsulina es un péptido lineal, que permite el establecimiento de puentes disulfuro antes de liberar el péptido C de conexión y dar lugar a la molécula hormonal activa definitiva. En otros casos, la prehormona puede ser precursora de toda una serie de péptidos hormonales, en cuyo caso se denomina poliproteína, como ocurre con la proopiomelanocortina (POMC), que da lugar a β­endorfina, hormona adrenocorticotrópica (ACTH, adrenocorticotropic hormone) y hormonas estimulantes de melanocitos (MSH, melanocyte­stimulating hormones) entre otros. Tras su síntesis y paso al interior de la luz del retículo endoplásmico, la hormona pasa al aparato de Golgi por medio de transporte vesicular y allí se empaqueta en gránulos o vesículas, a la vez que se producen las glucosilaciones finales y la transformación en hormonas maduras. De esta manera se produce su almacenamiento en la célula hasta su secreción. En el caso de las células productoras de catecolaminas, su estructura es parecida a la de las que secretan hormonas peptídicas y tienen también gránulos secretores. Sin embargo, el proceso de síntesis y empaquetamiento de los gránulos es distinto. Las catecolaminas, dopamina, adrenalina y noradrenalina, se sintetizan a partir del aminoácido tirosina gracias a una serie de pasos enzimáticos en el citoplasma celular hasta que la dopamina formada se almacena y concentra en los gránulos secretores gracias a la existencia de un transporte especial en la membrana de los mismos. Los gránulos secretores de hormonas peptídicas y catecolaminas contienen cantidades suficientes de hormonas como para cubrir las necesidades habituales de varias horas o días. Para ser vertidos a la sangre, la membrana que rodea al gránulo se fusiona con la membrana celular y el contenido del gránulo pasa al espacio extracelular tras la correspondiente rotura de las membranas, en un proceso controlado por los niveles de Ca2+ intracelular que, a su vez, determinan variaciones en el potencial de membrana. El movimiento de los gránulos en el interior de las células endocrinas depende, a su vez, de la existencia de proteínas contráctiles, como actina y miosina. Hormonas esteroideas La síntesis depende de un precursor común, el colesterol, procedente del plasma o de la propia biosíntesis intracelular que, a través de pasos sucesivos en el citoplasma, el retículo endoplásmico liso y la mitocondria, va sufriendo modificaciones estructurales que incluyen hidroxilaciones, pérdidas de cadenas laterales y aromatización del anillo A. A diferencia de las hormonas polipeptídicas y catecolaminas, los esteroides no se almacenan en cantidades apreciables en el interior celular, salvo la vitamina D, por lo que la secreción está directamente ligada a la síntesis que, a su vez, depende de la existencia de enzimas capaces de regular la velocidad de la misma de forma muy específica. El Ca2+ parece desempeñar también una función importante en este proceso. Teniendo en cuenta que los esteroides son capaces de atravesar de manera libre las membranas celulares, su secreción se produce por difusión a favor de un gradiente de concentración que está determinado por el proceso de síntesis. TRANSPORTE DE HORMONAS Una vez que las hormonas son secretadas a la sangre, circulan por el plasma, bien como moléculas libres o unidas a proteínas transportadoras específicas; por lo general, las hormonas peptídicas y proteicas, y las catecolaminas fácilmente solubles en agua circulan libres, aunque existen excepciones. Por el contrario, los esteroides y las hormonas tiroideas circulan unidas sobre todo a globulinas específicas que se sintetizan en el el plasma de sustancias lipoides, y por la otra, permiten la creación de una especie de reserva circulante de las correspondientes hormonas, ya que las hormonas unidas a una proteína transportadora no son biológicamente activas, pero tampoco son metabolizadas. Es preciso considerar que sólo las hormonas que circulan de forma libre tienen la capacidad de ejercer sus acciones. TRANSPORTE DE HORMONAS Una vez que las hormonas son secretadas a la sangre, circulan por el plasma, bien como moléculas libres o unidas a proteínas transportadoras específicas; por lo general, las hormonas peptídicas y proteicas, y las catecolaminas fácilmente solubles en agua circulan libres, aunque existen excepciones. Por el contrario, los esteroides y las hormonas tiroideas circulan unidas sobre todo a globulinas específicas que se sintetizan en el el plasma de sustancias lipoides, y por la otra, permiten la creación de una especie de reserva circulante de las correspondientes hormonas, ya que las hormonas unidas a una proteína transportadora no son biológicamente activas, pero tampoco son metabolizadas. Es preciso considerar que sólo las hormonas que circulan de forma libre tienen la capacidad de ejercer sus acciones. Además, es importante señalar que las hormonas circulantes son las resultantes del proceso secretor glandular o tisular, por una parte, y de sus posibles transformaciones metabólicas o de su eliminación, por la otra, así que no debe considerarse, sin más, que los niveles plasmáticos sean sólo el resultado de la secreción y distribución en el organismo. METABOLISMO HORMONAL La desaparición irreversible de una hormona del torrente circulatorio ocurre tras su captación por la célula diana o su degradación metabólica a nivel sanguíneo, hepático o renal, así como su eliminación por heces u orina. La degradación metabólica ocurre por medio de enzimas que determinan proteólisis, procesos de oxidación­reducción o introducción de grupos funcionales adicionales. El hígado es donde tiene lugar el metabolismo de casi todas las hormonas. Allí se conjugan con el ácido glucurónico y el sulfúrico y los productos resultantes se eliminan por la bilis o la orina. Muchas hormonas peptídicas y parte de las hormonas esteroideas libres se filtran a nivel del glomérulo y se eliminan en forma directa por la orina, después de reabsorberse en parte por los túbulos y sufrir una degradación local. Así, es factible establecer un esquema general del funcionamiento del sistema endocrino, tal como lo muestra la figura 68–2. Figura 68–2 Mecanismo general de funcionamiento del sistema endocrino. REGULACIÓN DE LA SECRECIÓN HORMONAL La secreción de las distintas hormonas se encuentra regulada por varios mecanismos que aseguran en su conjunto un elevado nivel de control. Page 4 / 9 Existe, por una parte, un control nervioso, ya que ambos sistemas están en íntima relación, de forma que en respuesta a estímulos externos o propios del organismo es posible incrementar o disminuir la producción y liberación de hormonas. Tanto los estímulos sensoriales como los vegetativos son capaces de modular la secreción de hormonas por mecanismos nerviosos. REGULACIÓN DE LA SECRECIÓN HORMONAL La secreción de las distintas hormonas se encuentra regulada por varios mecanismos que aseguran en su conjunto un elevado nivel de control. Existe, por una parte, un control nervioso, ya que ambos sistemas están en íntima relación, de forma que en respuesta a estímulos externos o propios del organismo es posible incrementar o disminuir la producción y liberación de hormonas. Tanto los estímulos sensoriales como los vegetativos son capaces de modular la secreción de hormonas por mecanismos nerviosos. Sin embargo, los sistemas más comunes en el control de la secreción hormonal son los mecanismos de retroalimentación, o feedback, que son mecanismos cibernéticos universales, mediante los cuales la variable controlada influye sobre su propio control. Esto significa que si una sustancia hormonal “X”, estimula a la hormona “Y”, ésta a su vez será capaz de regular la producción de “X”. La retroalimentación puede ser positiva o negativa. En el primer caso (A), el exceso de “Y” estimulará la secreción de “X” (feedback positivo), con lo cual se obtiene un efecto de amplificación. En el segundo caso (B), que es el más común en la Naturaleza, los niveles elevados de “Y” frenarán la producción de “X” y a la inversa, la disminución de los valores de “Y” estimulará a “X”, para que esta última fuerce una producción mayor de “Y” (feedback negativo) (figura 68–3). Figura 68–3 Regulación hormonal por mecanismos de retroalimentación (feedback). A = feedback positiva. B = feedback negativa. En estos sistemas de retroalimentación llega a ocurrir que ambas variables “X” y “Y” sean hormonas o que una de ellas sea un metabolito o mineral, por ejemplo, el calcio. En este caso, los niveles elevados de calcio en sangre determinarán la secreción de calcitonina por la tiroides (retroalimentación positiva), que conseguirá disminuir los niveles calciémicos. En el momento en que, por acción de la calcitonina, el calcio alcanza niveles lo bastante bajos, se interrumpe la secreción de calcitonina, e incluso se ponen en acción sistemas reguladores con acciones opuestas, como la hormona paratiroidea (PTH, parathyroid hormone) o la vitamina D (véanse capítulos 80 y 81). Este sistema de retroalimentación puede ser más complicado si en vez de intervenir sólo dos variables hay más implicadas, como es el caso de los ejes que se establecen entre el hipotálamo, la hipófisis y el testículo. En este eje, la hormona hipotalámica liberadora de la hormona luteinizante (LHRH, luteinizing hormone releasing hormone) controla a las hormonas hipofisarias (hormona luteinizante [LH, luteinizing hormone] y hormona estimulante de los folículos [FSH, follicle stimulating hormone]) que, a su vez, estimulan y son moduladas por la testosterona y la inhibina testiculares, estableciéndose circuitos de regulación en cascada en los que se pueden diferenciar distintos tipos de sistemas de retroalimentación (figura 68–4). Figura 68–4 Circuitos de feedback en el eje endocrino hipotálamo­hipofiso­testicular. LH, hormona luteinizante; LHRH, hormona liberadora de la hormona luteinizante; SNC, sistema nervioso central. Page 5 / 9 Figura 68–4 Circuitos de feedback en el eje endocrino hipotálamo­hipofiso­testicular. LH, hormona luteinizante; LHRH, hormona liberadora de la hormona luteinizante; SNC, sistema nervioso central. Así, es posible distinguir un circuito de feedback largo entre el testículo y la hipófisis (A), o entre el testículo y el hipotálamo, ambos a través de la testosterona (A´), un circuito de feedback corto entre la hipófisis y el hipotálamo a través de la LH (B) y un circuito ultracorto, entre la LHRH secretada por el hipotálamo y la propia producción de ésta (C), quizá mediada por la modificación de los neurotransmisores que, a su vez, regulan dicha hormona hipotalámica. Además de estos sistemas de regulación, las hormonas se encuentran sometidas a patrones secretores rítmicos, relacionados en muchas ocasiones con los dos ciclos de luz­oscuridad, sueño­vigilia, o con las distintas estaciones del año. BIORRITMOS La liberación rítmica de hormonas es un rasgo común a casi todos los sistemas endocrinos. Tales ritmos en ocasiones varían de minutos a horas (secreción pulsátil de hormona del crecimiento [GH, growth hormone] y prolactina), días (variabilidad circadiana en la secreción de cortisol), semanas (ciclo menstrual con variaciones en los niveles de estradiol y progesterona) y hasta periodos más prolongados (variación estacional en la producción de tiroxina). Los patrones de secreción llegan incluso a ser distintos en etapas diferentes de la vida. La ritmicidad hormonal está causada por un gran número de factores. Algunos obedecen a estímulos neurógenos, como los cambios que se observan en la prolactina o la GH, relacionados con el sueño, o por el reflejo de succión, pero otros, como la variabilidad circadiana de la producción de glucocorticoides, son controlados por factores ambientales que actúan a través de mecanismos poco claros. El ciclo menstrual es consecuencia de una compleja interacción entre sistemas de retroalimentación positivos y negativos. Page 6 / 9 Los ritmos endocrinos más sorprendentes son los que intervienen en la secreción pulsátil de hormonas hipofisarias, lo que da lugar a la consiguiente liberación pulsátil de hormonas por las glándulas endocrinas periféricas, sobre todo si tenemos en cuenta que tales oscilaciones son fundamentales para que los sistemas de retroalimentación funcionen. En efecto, la administración de LHRH, mediante infusión continua en vez de pulsátil, hace que de tiroxina). Los patrones de secreción llegan incluso a ser distintos en etapas diferentes de la vida. La ritmicidad hormonal está causada por un gran número de factores. Algunos obedecen a estímulos neurógenos, como los cambios que se observan en la prolactina o la GH, relacionados con el sueño, o por el reflejo de succión, pero otros, como la variabilidad circadiana de la producción de glucocorticoides, son controlados por factores ambientales que actúan a través de mecanismos poco claros. El ciclo menstrual es consecuencia de una compleja interacción entre sistemas de retroalimentación positivos y negativos. Los ritmos endocrinos más sorprendentes son los que intervienen en la secreción pulsátil de hormonas hipofisarias, lo que da lugar a la consiguiente liberación pulsátil de hormonas por las glándulas endocrinas periféricas, sobre todo si tenemos en cuenta que tales oscilaciones son fundamentales para que los sistemas de retroalimentación funcionen. En efecto, la administración de LHRH, mediante infusión continua en vez de pulsátil, hace que la secreción de LH se inhiba en lugar de potenciarse. Además, la frecuencia de los estímulos pulsátiles en ocasiones altera las proporciones de las gonadotropinas liberadas por la hipófisis. Todavía no se conocen bien los mecanismos de control de estos ritmos ni su significado fisiológico. FUNCIÓN DE LAS HORMONAS La función hormonal se desarrolla en cuatro ámbitos generales: reproducción; crecimiento y desarrollo; mantenimiento del medio interno, y producción, utilización y almacenamiento de energía. Crecimiento y desarrollo El control endocrino es fundamental para el crecimiento y desarrollo del individuo y entraña la interacción de hormonas de todas clases, como las hormonas peptídicas, esteroideas y tiroideas. Las interacciones hormonales que intervienen en la regulación y control del crecimiento son múltiples. Es probable que muchas hormonas influyan sobre el crecimiento por regulación de su mediador común final, las somatomedinas (IGF) (véase capítulo 72). Reproducción Las hormonas no sólo regulan la gametogénesis, sino que también controlan el desarrollo dimórfico anatómico, funcional y de la conducta en ambos sexos, lo que resulta esencial para la reproducción. Es interesante constatar que el dimorfismo sexual es consecuencia más bien de diferencias en las cantidades de hormonas individuales y en sus patrones de secreción que de su presencia o ausencia, ya que en algunos casos se trata de los mismos compuestos. El control endocrino de la reproducción abarca todas las fases del proceso, incluyendo muchos aspectos relacionados con la conducta. Producción, utilización y almacenamiento de energía Las hormonas son los mediadores primordiales del movimiento de sustrato y de la conversión de los metabolitos procedentes de la digestión en energía o en productos energéticos almacenados. En el estado anabólico posprandial, el exceso de calorías se almacena como glucógeno y grasa por influencia de la insulina, mientras que en el estado catabólico ulterior, o tras un ayuno más prolongado, el glucagon y otras hormonas inducen la degradación del glucógeno, la gluconeogénesis y la movilización de aminoácidos y ácidos grasos para mantener los niveles plasmáticos de la glucosa dentro de límites óptimos para la función del sistema nervioso central y proporcionar, al mismo tiempo, sustrato adicional para otros tejidos. Mantenimiento del medio interno Las hormonas revisten una importancia primordial en el mantenimiento del medio interno necesario para sostener las estructuras y funciones. En consecuencia, intervienen en la regulación y estabilización de los líquidos corporales y su contenido electrolítico; de la presión sanguínea y frecuencia cardíaca; del equilibrio ácido base; de la temperatura corporal, y de la masa de hueso, músculo y grasa. MEDIDAS HORMONALES Medidas en los líquidos biológicos Debido al hecho de que las hormonas se encuentran a concentraciones muy bajas en los líquidos biológicos, su medición planteó desde el comienzo graves problemas. En un inicio fueron utilizados análisis de tipo biológico en los que se estudiaba el efecto producido en animales enteros u órganos aislados. La sensibilidad y la precisión eran bajas, por lo que sólo era posible medir las hormonas en muestras grandes y, casi siempre, en orina. Además, eran análisis muy laboriosos, era necesario realizarlos de manera repetida en un intento por compensar la escasa precisión, de modo que la información obtenida era muy limitada. Page 7 / 9 Con el tiempo aparecieron los métodos físico­químicos, como la espectrofotometría o fluorimetría, basados en las reacciones colorimétricas de algunos grupos químicos funcionales, mismos que supusieron un gran avance en cuanto a la cantidad de muestras que era posible procesar, pero que aún mostraban limitaciones en lo referente a sensibilidad y especificidad, ya que un grupo funcional puede ser común a varias hormonas. Esto Debido al hecho de que las hormonas se encuentran a concentraciones muy bajas en los líquidos biológicos, su medición planteó desde el comienzo graves problemas. En un inicio fueron utilizados análisis de tipo biológico en los que se estudiaba el efecto producido en animales enteros u órganos aislados. La sensibilidad y la precisión eran bajas, por lo que sólo era posible medir las hormonas en muestras grandes y, casi siempre, en orina. Además, eran análisis muy laboriosos, era necesario realizarlos de manera repetida en un intento por compensar la escasa precisión, de modo que la información obtenida era muy limitada. Con el tiempo aparecieron los métodos físico­químicos, como la espectrofotometría o fluorimetría, basados en las reacciones colorimétricas de algunos grupos químicos funcionales, mismos que supusieron un gran avance en cuanto a la cantidad de muestras que era posible procesar, pero que aún mostraban limitaciones en lo referente a sensibilidad y especificidad, ya que un grupo funcional puede ser común a varias hormonas. Esto obligaba a realizar preparativos complejos, como la introducción de laboriosas etapas de cromatografía. Radioinmunoanálisis (RIA) A finales del decenio de 1960­1969 se produjo un importante avance con la introducción de un método de medida que permite la determinación de cantidades muy bajas de muestra, con un alto grado de precisión y especificidad. El método se basa en la competencia entre una hormona marcada con un isótopo radiactivo (125I o 3H) y la misma hormona natural presente en la muestra, por un anticuerpo muy específico, obtenido por inmunización en el conejo u otro animal, contra la hormona correspondiente, unida a un estimulante inmunitario inespecífico. Como las cantidades de anticuerpo y de hormona marcada utilizadas en el análisis son siempre las mismas y lo que varía es la cantidad de hormona no marcada, después de un proceso en el que se separa la hormona libre de la unida al anticuerpo, el resultado es que en este último hay tanto menor cantidad de radiactividad cuanto mayor sea la cantidad de hormona no marcada. Al establecer una curva patrón con cantidades conocidas de hormona natural, es factible deducir la cantidad de hormona fría existente en una muestra en función de la radiactividad unida al anticuerpo. La gran sensibilidad del RIA se basa en las elevadas constantes de asociación de las reacciones antígeno­anticuerpo lo cual, unido al hecho de que es posible medir cantidades de radiactividad muy pequeñas, permite la detección de hormonas a niveles inferiores al picogramo (10−12 g). Además, tiene una gran precisión, es muy sencillo de manejar y se le puede someter a procesos de automatización. De manera reciente el marcador radiactivo ha sido sustituido por enzimas o sustancias fotoluminiscentes, que permiten obviar los inconvenientes de la manipulación de sustancias radiactivas, dando lugar a los denominados ELISA (análisis de inmunoabsorción ligados a enzimas) o análisis luminométricos. Medidas de la secreción hormonal Si se intenta medir la secreción de una hormona por parte de su glándula productora, sólo en contadas ocasiones será posible determinar su concentración directamente en su efluente venoso. Por otra parte, si se determina el flujo sanguíneo en dicha glándula, así como los niveles en la sangre arterial que le llega, es factible establecer la diferencia, derivada de la cual se obtiene la hormona secretada. Cuando se realizan medidas directas, es posible determinar la denominada velocidad de producción sanguínea, lo que supone la cantidad total de hormona que entra en el torrente circulatorio en cierta unidad de tiempo y que depende del volumen sanguíneo total, de la concentración plasmática y de la velocidad de depuración metabólica. En general, sólo se determinan los niveles plasmáticos, pero eso induce a error, pues la secreción hormonal suele ser episódica, de modo que la medición realizada en cualquier momento quizá obtenga valores justo en el máximo de un pico secretor o, por el contrario, en un valle pronunciado. De modo que suele ser necesario realizar medidas repetidas a lo largo del día para definir una idea más real de los valores hormonales o de sus ritmos de secreción. Una forma de obviar las limitaciones de las medidas plasmáticas es realizar medidas urinarias, en muestras de 24 h, lo cual supone de hecho la integración de la producción hormonal durante dicho periodo. Aunque la obtención de las muestras completas resulta a veces difícil y lo que se mide son metabolitos hormonales y no las hormonas de forma directa, la información obtenida es muy importante. Además, en general, las cantidades de estos metabolitos suelen ser muy superiores a los niveles plasmáticos, por lo que su determinación es muy fácil. A partir de las medidas urinarias es factible determinar también la producción hormonal, aunque en este caso surge el problema de que, en algunos casos, el metabolito urinario no procede exclusivamente de una hormona sino de varias, con lo que se complica toda la situación. REFERENCIAS Calvo JC, Torres HN, Charreau EH: Teoría de los receptores. Endocrinología molecular. Calandra R, De Nicol A, (eds.). El Ateneo, Buenos Aires, 1–19. 1985. Page 8 / 9 Federman DD. General principles of endocrinology. Textbook of Endocrinology. Williams RH. (ed.). Philadelphia, 1–14. 1981. Felig P, Baxter JD, Frohman LA: Endocrinology and Metabolism 3a. ed. McGraw­Hill, New York, 3–21. 1995. procede exclusivamente de una hormona sino de varias, con lo que se complica toda la situación. REFERENCIAS Calvo JC, Torres HN, Charreau EH: Teoría de los receptores. Endocrinología molecular. Calandra R, De Nicol A, (eds.). El Ateneo, Buenos Aires, 1–19. 1985. Federman DD. General principles of endocrinology. Textbook of Endocrinology. Williams RH. (ed.). Philadelphia, 1–14. 1981. Felig P, Baxter JD, Frohman LA: Endocrinology and Metabolism 3a. ed. McGraw­Hill, New York, 3–21. 1995. Genath SM. Principios generales sobre fisiología endocrina. Fisiología. Berne R, Levy MN (eds.). 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Page 9 / 9 Fisiología humana, 5e CAPÍTULO 69: Mecanismo de acción de las hormonas Pilar Santisteban; Ana Aranda INTRODUCCIÓN La evolución de los organismos multicelulares depende de la interacción coordinada entre las distintas células del organismo. Para ello, las células se comunican entre sí mediante señales químicas que se pueden dividir en tres clases: autocrinas, paracrinas y endocrinas. En las señales autocrinas, la propia célula sintetiza la molécula señal, que puede actuar intracelularmente o ser secretada e interaccionar después con receptores localizados en la membrana celular. En las señales paracrinas, la señal química difunde al exterior celular, donde interacciona de manera local con las células más próximas. Finalmente, la señalización endocrina tiene lugar a través de las hormonas, que son moléculas orgánicas (lípidos y proteínas) pertenecientes al grupo de los biocatalizadores junto con las enzimas y las vitaminas. Las hormonas son secretadas por ciertas células especializadas localizadas en las glándulas de secreción interna o glándulas endocrinas, son transportadas por el sistema circulatorio, solas o asociadas con ciertas proteínas, y ejercen sus efectos en determinados órganos o tejidos diana a distancia de donde se sintetizaron. Todas las moléculas de comunicación son esenciales para la supervivencia, desarrollo y reproducción de los organismos superiores, y todas tienen la capacidad de inducir y controlar una gran variedad de respuestas biológicas. La diversidad y especificidad de las acciones que controlan está relacionada con sus diferentes estructuras y propiedades fisicoquímicas, lo que les permite reconocer a muy diversos receptores celulares que desencadenan rutas de señales específicas una vez activados por su ligando. El término ligando, que en química se aplica a las moléculas que forman uniones estables mediante enlaces no covalentes, se usa actualmente para designar a los agentes que se unen a receptores celulares como paso previo a su acción biológica. Los ligandos actúan a concentraciones muy bajas de aproximadamente ≤10−8 M, y los receptores que los reconocen se unen a ellos con una elevada constante de afinidad de Ka ≥ 108 litros/mol. En este capítulo se describe el modo de acción de las hormonas y de otros ligandos, y se establece una división inicial basada en la localización de sus receptores. Así, la primera parte describe el mecanismo de acción a través de receptores localizados en la membrana plasmática, y la segunda parte describirá los receptores nucleares. RECEPTORES DE MEMBRANA Los receptores de membrana son la diana de una gran variedad de hormonas, neurotransmisores, factores de crecimiento, etc., de estructura proteica, peptídica o incluso de sólo algunos aminoácidos modificados y que se consideran los primeros mensajeros en la comunicación. Tras la unión del ligando, o molécula señalizadora, a sus receptores específicos se desencadena una serie de eventos en la membrana que inducen reacciones moleculares en el interior de las células conocidas como transducción de la señal. En primer lugar, se genera de un segundo mensajero intracelular que provoca la activación de otra serie de moléculas e induce una cascada de señales que en última instancia altera la fisiología de la célula. El resultado final depende no sólo del estímulo recibido, sino de otros muchos factores como el estado celular, la presencia de patógenos, el estado metabólico de las células, etcétera. ESTRUCTURA DE LOS RECEPTORES DE MEMBRANA Los receptores de membrana son proteínas integrales de membrana que se caracterizan por poseer tres diferentes dominios: extracelular, transmembrana y citoplasmático o intracelular. El dominio extracelular es el de interacción con el ligando; el dominio transmembrana es de naturaleza hidrofóbica, por lo que la molécula se encuentra “confortable” en la bicapa lipídica, sirviendo como anclaje del receptor en la membrana. El dominio intracelular suele formar una cola o lazo en la parte final del receptor, y se sitúa en el citoplasma, donde, mediante diferentes mecanismos, interacciona a través de su región efectora con otras moléculas, generando segundos mensajeros intracelulares. La activación de los receptores acoplados a proteínas G (GPCR, G protein­coupled receptors), mediada por la unión del ligando, estabiliza las conformaciones de los receptores que reclutan y finalmente activan los transductores intracelulares. Los receptores de membrana se han agrupado en diferentes familias con base en su Page estructura. A continuación se describe cada familia de receptores, sus ligandos más representativos, los segundos mensajeros generados en 1 / 34 cada caso y el mecanismo de señalización intracelular que desencadenan. transmembrana y citoplasmático o intracelular. El dominio extracelular es el de interacción con el ligando; el dominio transmembrana es de naturaleza hidrofóbica, por lo que la molécula se encuentra “confortable” en la bicapa lipídica, sirviendo como anclaje del receptor en la membrana. El dominio intracelular suele formar una cola o lazo en la parte final del receptor, y se sitúa en el citoplasma, donde, mediante diferentes mecanismos, interacciona a través de su región efectora con otras moléculas, generando segundos mensajeros intracelulares. La activación de los receptores acoplados a proteínas G (GPCR, G protein­coupled receptors), mediada por la unión del ligando, estabiliza las conformaciones de los receptores que reclutan y finalmente activan los transductores intracelulares. Los receptores de membrana se han agrupado en diferentes familias con base en su estructura. A continuación se describe cada familia de receptores, sus ligandos más representativos, los segundos mensajeros generados en cada caso y el mecanismo de señalización intracelular que desencadenan. RECEPTORES ACOPLADOS A PROTEÍNAS G (GPCR) Los GPCR forman la mayor familia de receptores de membrana, ya que se han descrito más de 800 en humanos, lo que constituye el mayor número de proteínas de membrana en el genoma humano. Si bien es más correcto denominarlos receptores con siete dominios transmembrana (7TMR), porque se han descrito casos de receptores de este tipo con capacidad de señalizar independientemente de proteínas G, en este capítulo se adopta la nomenclatura clásica de GPCR por ser la más extendida. Entre los receptores de membrana, los GPCR son los más diversos y conservados evolutivamente, y a pesar de la similitud en la estructura de su dominio transmembrana, cada receptor es activado por diferentes ligandos o agonistas (figura 69–1). Figura 69–1. Clasificación y diversidad de los receptores acoplados a proteínas G (GPCR, G protein coupled receptors). A ) Se han descrito tres familias principales (1, 2 y 3) agrupadas en función de su homología de secuencia y estructura. A la familia 1 pertenece la mayoría de los GPCR, incluidos los receptores olfativos y ópticos. A la subfamilia 1­a pertenecen los receptores para pequeños ligandos, e incluye, entre otros, a la rodopsina y a los receptores β­ adrenérgicos. El sitio de unión del ligando (L) se localiza entre los siete dominios transmembrana (TM). La subfamilia 1­b comprende receptores de péptidos cuyo sitio de unión incluye el extremo aminoterminal, el lazo extracelular y la parte superior de los TM. La subfamilia 1­c comprende los receptores para las hormonas glucoproteicas, y se caracterizan por tener un dominio extracelular muy largo. El ligando se une en este dominio contactando con los lazos extracelulares e1 y e3. La familia 2 es similar estructuralmente a la subfamilia 1c, pero no presentan ninguna homología de secuencia. Sus ligandos son hormonas como el glucagón, la secretina, la parathormona (PTH), el adenil ciclasa de hipófisis (PACAP, pituitary adenylate cyclase activating polypeptide) y el péptido intestinal vasoactivo (VIP, vasoactive intestinal peptide), entre otros. La familia 3 comprende los receptores de glutamato (mGluR), los del calcio y los del ácido γ­aminobutírico (GABA). Otros ligandos que se unen a este tipo de receptores son las feromonas o morfógenos embrionarios como Wnt y sonic hedgehog. B ) Los receptores de estos dos últimos tipos de ligando constituyen otra familia de receptores que se denominan familia 4, para los receptores VN de feromonas, y familia 5, que incluye a los receptores frizzled y smoothened. Page 2 / 34 cyclase activating polypeptide) y el péptido intestinal vasoactivo (VIP, vasoactive intestinal peptide), entre otros. La familia 3 comprende los receptores de glutamato (mGluR), los del calcio y los del ácido γ­aminobutírico (GABA). Otros ligandos que se unen a este tipo de receptores son las feromonas o morfógenos embrionarios como Wnt y sonic hedgehog. B ) Los receptores de estos dos últimos tipos de ligando constituyen otra familia de receptores que se denominan familia 4, para los receptores VN de feromonas, y familia 5, que incluye a los receptores frizzled y smoothened. Los GPCR están involucrados en la mayoría de las funciones fisiológicas del organismo. Los ligandos agonistas de los GPCR son diversos desde el punto de vista físico y químico y pueden incluir: hormonas peptídicas y no peptidérgicas, proteínas como quimioquinas, neurotransmisores, productos como la morfina, salvinorina A, fotones, iones (H+, Zn2+, Ca2+, etc.), estímulos sensoriales relacionados con la visión, el tacto y el olfato, un gran número de metabolitos intermediarios (ATP, ADP, ácidos grasos, ácidos biliares, etc.) y productos de bacterias comensales humanas. Entre las hormonas glucoproteicas cabe destacar la tirotropina u hormona estimulante de la tiroides (TSH), la hormona luteinizante (LH), la hormona estimulante del folículo (FSH), la kispeptina (KiSS), la corticotropina (ACTH), otras hormonas como el glucagón, la vasopresina, la somatostatina, la calcitonina, la parathormona (PTH), la epinefrina, la norepinefrina, y un largo etcétera. Los avances recientes sobre la estructura de los GPCR y los complejos de GPCR­transductor, representan pasos importantes hacia el descifrado de la transducción de señales de GPCR a nivel molecular. Con base en diferentes estudios estructurales, se ha descrito un modelo común para estos receptores, que consiste en un núcleo central compuesto por siete hélices transmembrana (TMI­VII) conectadas por tres lazos intracelulares (i1, i2, i3) y tres extracelulares (e1, e2, e3). La mayoría de estos receptores tiene dos residuos de cisteína altamente conservados en los lazos e1 y e2, entre los que se forma un puente disulfuro necesario para la estabilización de la estructura del receptor. La variación en cuanto a secuencia de los distintos GPCR hace que éstos difieran en la longitud de sus extremos amino y carboxiterminal, dominios extracelular e intracelular, respectivamente. Cada uno de estos dominios confiere propiedades específicas a cada receptor. El dominio central, transmembrana (TM), sufre un cambio conformacional tras la unión del ligando correspondiente, normalmente al dominio extracelular. La característica más común de la activación del receptor implica una importante reorganización del citoplasma, donde un gran movimiento hacia afuera de la hélice transmembrana 6 (TM6), combinada con reordenamientos de otras hélices, expone un bolsillo intracelular que puede activar las proteínas G, GRK (G protein­coupled receptor kinase, quinasas de receptores acoplados a proteínas G) y arrestinas para formar complejos funcionales de señalización Se pueden encontrar diversas clasificaciones de la superfamilia de GPCR atendiendo tanto criterios fisiológicos como estructurales. Page 3 / 34 Se han utilizado varios esquemas de clasificación para los GPCR, la más utilizada es la de la International Union of Basic and Clinical Pharmacology (IUPHAR, Unión Internacional de Farmacología), e incluye cinco familias principales: familia de rodopsina (clase A), familia de secretina (clase B), GPCR hace que éstos difieran en la longitud de sus extremos amino y carboxiterminal, dominios extracelular e intracelular, respectivamente. Cada uno de estos dominios confiere propiedades específicas a cada receptor. El dominio central, transmembrana (TM), sufre un cambio conformacional tras la unión del ligando correspondiente, normalmente al dominio extracelular. La característica más común de la activación del receptor implica una importante reorganización del citoplasma, donde un gran movimiento hacia afuera de la hélice transmembrana 6 (TM6), combinada con reordenamientos de otras hélices, expone un bolsillo intracelular que puede activar las proteínas G, GRK (G protein­coupled receptor kinase, quinasas de receptores acoplados a proteínas G) y arrestinas para formar complejos funcionales de señalización Se pueden encontrar diversas clasificaciones de la superfamilia de GPCR atendiendo tanto criterios fisiológicos como estructurales. Se han utilizado varios esquemas de clasificación para los GPCR, la más utilizada es la de la International Union of Basic and Clinical Pharmacology (IUPHAR, Unión Internacional de Farmacología), e incluye cinco familias principales: familia de rodopsina (clase A), familia de secretina (clase B), familia de glutamato (clase C), Frizzled/Taste2 (sabores) (clase F), y familia de adhesión. Si se consideran los receptores de todas las especies en función del sitio de unión del ligando, los GPCR se han dividido en tres familias y varias subfamilias (figura 69–1). La comprensión de la estructura de GPCR se basa en los estudios estructurales de alta resolución y de cristalización en 2D y 3D, del estado inactivo de la rodopsina. La rodopsina es más adecuada para los estudios estructurales que la mayoría de los otros GPCR porque es posible obtener grandes cantidades de esta proteína de la retina de bovinos. La familia 1 o familia de la rodopsina cuenta con el mayor número de miembros, unos 670; estos receptores se unen a una gran variedad de ligandos, como péptidos, aminas y purinas, y es también la familia que contiene el mayor número de receptores que son diana de drogas utilizadas clínicamente. La subfamilia 1­a comprende receptores cuyos ligandos se unen en una cavidad formada por los dominios TM­III a TM­VI. Entre estos receptores se incluyen la rodopsina y los receptores β­adrenérgicos. La subfamilia 1­b está activada por pequeños péptidos que interaccionan con el lazo extracelular en el extremo aminoterminal. Finalmente, la subfamilia 1­c es activada por moléculas mayores de naturaleza proteica. Los receptores de esta subfamilia presentan un gran dominio extracelular, encargado del reconocimiento y unión del ligando, que en este caso son hormonas glucoproteicas como la TSH, la LH y la FSH, que se unen a los lazos extracelulares e1 y e3. Al respecto, el dominio de unión del ligando amino terminal del receptor de FSH fue el primero que se cristalizó en complejo con su ligando. Esto ha proporcionado importantes conocimientos estructurales sobre la unión de esta hormona glucoproteica a su receptor. Aunque la estructura cristalizada no incluía los dominios transmembrana. Otros receptores se han resuelto estructuralmente, lo que brinda importante información en estudios fisiológicos y farmacológicos. La familia 2 de receptores, activada por grandes péptidos como el glucagón, el péptido intestinal vasoactivo (VIP), el polipéptido activador de la adenil ciclasa de hipófisis (PACAP), la secretina, la PTH, etc., posee un gran extremo aminoterminal, importante en la unión del ligando. La familia 3 de los GPCR presenta numerosas peculiaridades. Algunos de sus integrantes son los receptores metabotrópicos del glutamato (mGluR), el receptor sensible a calcio (CaR), receptores de feromonas y el receptor de ácido γ­aminobutírico (GABA). Estos receptores poseen un dominio extracelular muy largo, con una secuencia similar a la de las proteínas periplasmáticas de las bacterias, en las que están implicadas en el transporte de aminoácidos, iones, azúcares o péptidos. El final de este largo dominio extracelular está constituido por dos lóbulos separados por una región bisagra que se cierra cuando se une el ligando. Otros receptores que pertenecen a esta familia son los receptores frizzled y smoothened cuyos ligandos son morfógenos, como Wnt y Shh (sonic hedgehog), que participan en las señales que controlan el desarrollo embrionario manteniendo la polaridad celular y la segmentación. Proteínas G La diferencia fundamental entre los GPCR y el resto de receptores de membrana, consiste en la presencia de un complejo de proteínas que transmiten la señal desde el receptor hasta sus enzimas efectoras. Estas proteínas intermediarias se denominan proteínas G, debido a su capacidad de asociarse a los nucleótidos de guanina GDP (guanosina difosfato) y GTP (guanosina trifosfato) (figura 69–2). En su estado inactivo, las proteínas G presentan una composición heterotrimérica, formada por una subunidad α de 39–52 kD, una subunidad β de 35 kD, y una subunidad γ de 7–9 kD, de las que se han identificado 21, 6 y 12 isoformas, respectivamente. Aunque no todas las isoformas son capaces de formar parte del mismo complejo, el número de combinaciones posibles es muy elevado, en consonancia con el gran número de receptores distintos a los que se asocian. Estas proteínas actúan como interruptores moleculares alternando entre dos conformaciones: asociadas con GDP en su estado inactivo, o con GTP en su estado activo. Figura 69–2 Mecanismo de acción de los receptores acoplados a proteínas G (GPCR, G protein coupled receptors). 1 ) El receptor localizado en la membrana y sin unir hormona, está separado de las proteínas G heterotriméricas (αβγ) y de la adenilato ciclasa (AC). 2 ) La unión de la hormona al receptor induce su interacción con el heterotrímero αβγ, activándolo. 3 ) La subunidad G αs intercambia la GDP (guanosina difosfato) por GTP (guanosina trifosfato), lo que induce su separación del complejo βγ que, a su vez, se separa del receptor. 4 ) La Gα disociada y activa, unida a GTP, se desplaza hacia la AC, interaccionando con ella, lo que provoca un aumento de su actividad, que es convertir adenosina trifosfato (ATP) en adenosín monofosfato cíclico (AMPc) y pirofosfato (PPi, pyrophosphat). El AMPc es el segundo mensajero más importante en el mecanismo de acción de los GPCR. Page 4 / 34 interacción con el heterotrímero αβγ, activándolo. 3 ) La subunidad G αs intercambia la GDP (guanosina difosfato) por GTP (guanosina trifosfato), lo que induce su separación del complejo βγ que, a su vez, se separa del receptor. 4 ) La Gα disociada y activa, unida a GTP, se desplaza hacia la AC, interaccionando con ella, lo que provoca un aumento de su actividad, que es convertir adenosina trifosfato (ATP) en adenosín monofosfato cíclico (AMPc) y pirofosfato (PPi, pyrophosphat). El AMPc es el segundo mensajero más importante en el mecanismo de acción de los GPCR. La transmisión de la señal a través de estos complejos tiene lugar de la siguiente manera: sin estímulo, las tres subunidades de proteínas G permanecen asociadas, con la subunidad α unida a un nucleótido de GDP. La unión del ligando a la región externa del receptor promueve un cambio conformacional que permite al receptor reconocer y asociarse al complejo de proteínas G. Dicha unión induce la separación del GDP y la entrada de un nucleótido de GTP, debido a la elevada relación GTP/GDP existente en las cercanías del receptor. En estas condiciones, la subunidad Gα pierde afinidad por el dímero Gβγ, y se separa del complejo, lo que permite que ambos interaccionen con sus efectores. La señal termina gracias a la capacidad GTPasa intrínseca de la subunidad Gα, que hidroliza el GTP asociado, dando lugar a GDP. En este estado, la subunidad Gα recupera la afinidad por el complejo Gβγ y se une a éste a la espera de un nuevo estímulo (figura 69–2). Las subunidades β y γ están asociadas covalentemente, formando un dímero estable que no se disocia salvo en condiciones desnaturalizantes. Por el contrario, la subunidad α está unida a la β tan sólo por contactos discretos, y se disocia reversiblemente durante el ciclo funcional de la proteína G. Las cadenas α y γ sufren modificaciones post­ traduccionales para permitir su anclaje a la membrana. En concreto, un grupo acilo (miristoilo, C12, o palmitoilo, C16) se une de forma covalente al grupo ­SH de una Cys en el extremo N­terminal de Gα (en un motivo CAAX). Por otra parte, el extremo C­terminal de G­γ tiene unido un grupo isoprenoide (farnesilo o geranil­geranilo). Las proteínas G se dividen en cuatro familias, dependiendo de la similitud funcional y de secuencia de la proteína Gα que forma parte del complejo. Así se distinguen entre proteínas Gs, Gi/G0, Gq/G11 y G12/13. Llama la atención que en contraste con el gran repertorio de genes que codifican por los diferentes GPCR encontrados en el genoma humano, sólo haya cuatro familias principales de proteínas que se han clasificado según su homología de secuencia entre las más de 21 Gα humanas identificadas, que están codificadas por 16 genes individuales. La capacidad de este número limitado de proteínas G para acoplarse a un conjunto diverso de receptores sugiere un mecanismo conservado, para la activación de la proteína G catalizada por receptor, que implica cambios en el estado de los nucleótidos unidos a la subunidad Gα. De las familias de proteínas G la mejor conocida es la Gs, cuya subunidad α es capaz de activar a la enzima adenilato ciclasa, que actuaría sobre su sustrato, el ATP (adenosina trifosfato), generando el segundo mensajero 3’­5’ AMPc (3’­5’ adenosín monofosfato cíclico) (figura 69–2). Por esta enorme variedad de ligandos, receptores y proteínas G, se acepta que los GPCR representan la forma más diversa de los sistemas de transducción de señales, y quizá de todas las familias de proteínas, de las células eucariotas. Las consecuencias bioquímicas y biológicas que desencadenan albergan además otra gran complejidad, como se verá a continuación. Vías de señalización que conectan los GPCR con el núcleo a) AMPc y PKA. El AMPc descubierto por Sutherland en 1950, es un nucleótido cíclico generado a partir de ATP por la acción de la adenilato­ciclasa, y se ha considerado el segundo mensajero más importante en la respuesta de los GPCR. La concentración intracelular de AMPc aumenta o disminuye por una gran variedad de hormonas, y estas fluctuaciones afectan a una gran variedad de procesos. Uno de los efectos más destacados de las concentraciones elevadas de AMPc es la activación de la proteína quinasa dependiente de AMPc o PKA. La holoenzima inactiva es un heterotetrámero compuesto por dos subunidades reguladoras “R” y dos catalíticas “C”. La activación se produce cuando el AMPc se une a la subunidad R, provocando la separación de la subunidad C. En mamíferos existen al menos dos tipos de enzimas, PKAI y PKAII, que se distinguen por las isoformas de subunidades R que forman parte del complejo. Cada una de ellas posee una localización celular y una distribución específica de especie y de tejido, así como diferentes afinidades por el AMPc. Estas observaciones sugieren que la PKAI y PKAII descifran las señales del segundo mensajero AMPc con5 / 34 Page diferente duración, y actúan sobre diferentes dianas. Para el correcto funcionamiento de la PKA se requieren además otras proteínas, como las fosfodiesterasas (PDE), que permiten la terminación de la señal del AMPc mediante su degradación, y las proteínas de anclaje AKAP (A­kinase anchoring protein), que localizan a la PKA en sitios específicos y crean así microambientes que permiten la señalización (figura 69–3A). se ha considerado el segundo mensajero más importante en la respuesta de los GPCR. La concentración intracelular de AMPc aumenta o disminuye por una gran variedad de hormonas, y estas fluctuaciones afectan a una gran variedad de procesos. Uno de los efectos más destacados de las concentraciones elevadas de AMPc es la activación de la proteína quinasa dependiente de AMPc o PKA. La holoenzima inactiva es un heterotetrámero compuesto por dos subunidades reguladoras “R” y dos catalíticas “C”. La activación se produce cuando el AMPc se une a la subunidad R, provocando la separación de la subunidad C. En mamíferos existen al menos dos tipos de enzimas, PKAI y PKAII, que se distinguen por las isoformas de subunidades R que forman parte del complejo. Cada una de ellas posee una localización celular y una distribución específica de especie y de tejido, así como diferentes afinidades por el AMPc. Estas observaciones sugieren que la PKAI y PKAII descifran las señales del segundo mensajero AMPc con diferente duración, y actúan sobre diferentes dianas. Para el correcto funcionamiento de la PKA se requieren además otras proteínas, como las fosfodiesterasas (PDE), que permiten la terminación de la señal del AMPc mediante su degradación, y las proteínas de anclaje AKAP (A­kinase anchoring protein), que localizan a la PKA en sitios específicos y crean así microambientes que permiten la señalización (figura 69–3A). Figura 69–3. Cascada de señales clásica y expandida del mecanismo de los receptores acoplados a proteínas G (GPCR, G protein coupled receptors) en células endocrinas. A ) En este panel se resume la vía clásica descrita para las hormonas glucoproteicas. Esta cascada lineal implica que, tras la unión de la hormona al receptor, se induce la activación de las proteínas Gs, el aumento del adenosín monofosfato cíclico (AMPc) intracelular, la activación de la proteína quinasa A (PKA) y a continuación la del factor de transcripción CREB (cAMP­response element binding protein). B ) En este esquema se representa la extensión de la ruta clásica, ya que los complejos Gβγ no sólo regulan a la subunidad Gα, sino que también desencadenan una cascada de señales a través de las MAPK (mitogen­activated protein kinases), quinasas que junto con otras como PKC, PKB, CamK pueden ser activadas por la PKA. Además, el AMPc fosforila a otros factores de transcripción como Sp1, el receptor de estrógenos (ER), Erg­1 y CBP, entre otros. CBP/p300 es un coactivador transcripcional que se une a multitud de factores de transcripción e interviene, por tanto, en la regulación de una pléyade de genes. La activación por la PKA promueve la fosforilación de sustratos específicos como la familia de factores de transcripción CREB (cAMP­response element binding protein) o la molécula coactivadora CBP/p300 (CREB­binding protein). Las proteínas CREB son factores de transcripción que se unen a secuencias específicas denominadas CRE (cAMP­response element), presentes en los promotores de los genes regulados por AMPc. Estos genes controlan mecanismos de crecimiento y diferenciación celular, entre otros; sin embargo, a pesar de la linealidad de esta vía y su aparente simplicidad, datos recientes han complicado este modelo, ya que CREB no es el único factor de transcripción que se activa en respuesta al AMPc. En el ovario, por ejemplo, es capaz de estimular al factor de transcripción Sp1 y al receptor de estrógenos α/β (ERα/β). También se ha demostrado que CREB puede ser regulado por otras quinasas aparte de la PKA, como la calmodulina quinasa o RSK (ribosomal S6 kinase). A su vez, CBP/p300 no se asocia sólo a CREB, sino a una cantidad considerable de otros factores de transcripción, entre otros con NFκB, con miembros de la superfamilia de receptores nucleares (véase más adelante) y con otros factores. Por otra parte, se ha demostrado que la PKA es capaz no sólo de activar, sino también de inhibir otras cascadas de señalización, como la de las MAPK (mitogen­activated protein kinases) o la de la PI3K (phosphoinositide 3­kinase), de manera específica del tipo celular. Esta información recoge sólo algunos ejemplos de la multiplicidad de señales originadas por los GPCR, el AMPc y la PKA (figura 69–3B). Recientemente se han descrito mecanismos inducidos por AMPc de manera independiente de la PKA, lo que indica que el AMPc es capaz de interaccionar con otras proteínas. Esa vía alternativa está formada por una nueva clase de proteínas de unión a AMPc denominadas AMPc­GEF (cAMP­ guanine­nucleotide exchage factor) o Epac (exchanged protein activated by cAMP) (figura 69–4). Entre los distintos efectores descritos para estas proteínas destacan las GTPasas Ras, Rap y Rho, o las fosfolipasas C­ε y D. A través de estas proteínas, Epac activa importantes vías de señalización, Page 6 / 34 como la de las MAPK o de la PI3K, y modular los canales iónicos, el citoesqueleto de actina, la adhesión celular o procesos de exocitosis. Figura 69–4. cascadas de señalización, como la de las MAPK (mitogen­activated protein kinases) o la de la PI3K (phosphoinositide 3­kinase), de manera específica del tipo celular. Esta información recoge sólo algunos ejemplos de la multiplicidad de señales originadas por los GPCR, el AMPc y la PKA (figura 69–3B). Recientemente se han descrito mecanismos inducidos por AMPc de manera independiente de la PKA, lo que indica que el AMPc es capaz de interaccionar con otras proteínas. Esa vía alternativa está formada por una nueva clase de proteínas de unión a AMPc denominadas AMPc­GEF (cAMP­ guanine­nucleotide exchage factor) o Epac (exchanged protein activated by cAMP) (figura 69–4). Entre los distintos efectores descritos para estas proteínas destacan las GTPasas Ras, Rap y Rho, o las fosfolipasas C­ε y D. A través de estas proteínas, Epac activa importantes vías de señalización, como la de las MAPK o de la PI3K, y modular los canales iónicos, el citoesqueleto de actina, la adhesión celular o procesos de exocitosis. Figura 69–4. Modelo actual más aceptado que explica la diversidad y complejidad de la acción del adenosín monofosfato cíclico (AMPc) en células endocrinas. Este modelo se ha desarrollado para integrar la inducción y la activación de la SGK­1 (serum and glucocorticoids­induced kinase) y la activación de la PKB/Akt en las células endocrinas en respuesta a la hormona estimulante de la tiroides (TSH), la hormona estimuladora del folículo (FSH), las hormonas estimulantes de melanocitos (MSH) y otras hormonas glucoproteicas. El AMPc puede activar una cascada de señales alternativa a la de la proteína quinasa A (PKA), que conduce a la fosforilación de PKB/Akt y, por tanto, a la fosforilación y regulación de las moléculas diana de esta vía. Esta ruta alternativa implica la activación de intercambiadores de nucleótidos de guanina (GEF) y la vía de Rap1 (para más detalle véase el texto). Además, la quinasa inducible SGK­1 es diana de PKB/Akt, lo que sugiere que alguna de las funciones de PKB/Akt se deben a SGK1. En última instancia, la vía PKB/Akt, que además es estimulada por el IGF­1, induce la fosforilación del factor forkhead Foxo1, que es traslocado del núcleo al citoplasma, impidiéndose así la transcripción de genes implicados en la supervivencia celular. Este modelo se considera una hipótesis de trabajo actual que refleja la diversidad de acciones del AMPc. b) MAPK y Ras. Los mecanismos que controlan la proliferación se han atribuido principalmente a receptores con actividad tirosina quinasa, y los GPCR a la ejecución de funciones especializadas, en células diferenciadas y en tejidos específicos. Sin embargo, los GPCR se expresan también en células que proliferan y se han implicado en la embriogénesis, la reparación de tejidos y la inducción del crecimiento. En los últimos años se ha descrito que los GPCR son capaces de activar la vía de las MAPK para controlar la proliferación celular. Este mecanismo tiene lugar a través de las subunidades βγ de las proteínas G asociadas con el receptor, y de manera dependiente de la GTPasa Ras. Para que esta activación tenga lugar, en células de mamíferos, es necesaria una serie de moléculas que conectan la activación del GPCR con la de las MAPK, incluyendo tirosina quinasas, quinasas lipídicas, moléculas adaptadoras, la PKC (fosfoquinasa C), y ciertos factores de intercambio de nucleótidos para Ras (ver más detalles en la sección Receptores con actividad tirosina quinasa (RTK). Desensibilización de los GPCR Todos los sistemas de GPCR varían su actividad dependiendo del contexto; es decir, la sensibilidad del receptor es modulada por la cantidad de señales que generan en una célula dada, ajustando su sensibilidad al grado de concentración del agonista a la que están expuestos. De este modo, los receptores se desensibilizan frente a una exposición prolongada o repetida a altas concentraciones de agonista, y se resensibilizan cuando no están Pageregulan expuestos al agonista durante cierto tiempo. La desensibilización de estos receptores es una respuesta adaptativa, mediante la cual las células 7 / 34 la señalización de las proteínas G para prevenir los efectos perjudiciales que resultarían de la estimulación permanente del receptor en caso de concentraciones elevadas y continuadas del agonista. El mecanismo de desensibilización parece ser universal y conservado entre todos los GPCR; este mecanismo es responsable de más de 80% de la disminución de la señal inducida por el receptor. detalles en la sección Receptores con actividad tirosina quinasa (RTK). Desensibilización de los GPCR Todos los sistemas de GPCR varían su actividad dependiendo del contexto; es decir, la sensibilidad del receptor es modulada por la cantidad de señales que generan en una célula dada, ajustando su sensibilidad al grado de concentración del agonista a la que están expuestos. De este modo, los receptores se desensibilizan frente a una exposición prolongada o repetida a altas concentraciones de agonista, y se resensibilizan cuando no están expuestos al agonista durante cierto tiempo. La desensibilización de estos receptores es una respuesta adaptativa, mediante la cual las células regulan la señalización de las proteínas G para prevenir los efectos perjudiciales que resultarían de la estimulación permanente del receptor en caso de concentraciones elevadas y continuadas del agonista. El mecanismo de desensibilización parece ser universal y conservado entre todos los GPCR; este mecanismo es responsable de más de 80% de la disminución de la señal inducida por el receptor. En este proceso de control de la respuesta del receptor hay dos proteínas que presentan un papel central: GRK y las arrestinas. Las GRK reconocen y se unen al receptor activado lo que promueve, a su vez, su activación y la fosforilación del receptor en residuos específicos de los lazos intracelulares y del extremo carboxiterminal. Una vez fosforilados, los receptores actúan como sustratos de las arrestinas, que se unen a ellos e impiden la activación de otros complejos de proteínas G por el receptor. La fosforilación por GRK y la unión de la arrestina provoca, por tanto, la finalización de la señalización a través de proteínas G, incluso con la presencia continuada del estímulo activador del receptor. La pareja GRK­arrestina también realiza otras funciones, como facilitar la internalización del receptor en zonas de la membrana recubiertas con clatrina. Mediante su unión a proteínas señalizadoras adicionales, las GRK­arrestinas pueden funcionar a su vez como interruptores que redirigen la función del receptor de inducir la señalización a través de proteínas G heterotriméricas a la activación de vías independientes de proteínas G. La GRK puede también inhibir la señalización del receptor al secuestrar a la subunidad Gα, lo que impide su acoplamiento a los siguientes efectores. La fosforilación de los GPCR puede realizarse por otras quinasas como las proteínas quinasas A y C (PKA y PKC) o la quinasa c­Src. En la figura 69–5 se esquematizan y detallan los distintos mecanismos que conducen a la desensibilización de los GPCR. Figura 69–5. Desensibilización de receptores acoplados a proteínas G. A ) Tras la activación del receptor, los dímeros G βγ secuestran a la quinasa GRK2, anclándola en la membrana y posicionándola para fosforilar el extremo carboxilo del receptor. La actividad GRK2 puede aumentarse por su fosforilación por proteína quinasa A (PKA), proteína quinasa C (PKC) y Src, e inhibirse por las quinasas ERL y CaM (calcio calmodulina). B ) GRK2 también puede inhibir las señales del receptor secuestrando a la subunidad Gαq y prevenir la asociación con sus efectores, por ejemplo la PLCβ. C ) Los receptores asociados con proteínas Gs estimulan la actividad de la AC, lo que provoca la generación de AMPc. En este caso, la GRK secuestra a una proteína denominada β­ arrestina y la transloca, junto con la fosfodiesterasa (PDE4), a la membrana, cerca del receptor. Allí, la PDE4 degrada el AMPc, propiciando la finalización de la señal. Los GPCR como dianas terapéuticas Desde 2017, entre 20%–30% de los medicamentos aprobados por la FDA tienen como diana farmacológica a los GPCR por la relevancia fisiológica de estos receptores, ya que se expresan en la mayor parte de los tejidos del organismo, están involucrados en la comunicación celular y participan en casi Page todos los aspectos de la fisiología humana debido a su mediación en la transducción de señales y a la estructura de los GPCR, que poseen un 8 / 34 bolsillo intracelular con propiedades fisicoquímicas beneficiosas al diseño de pequeñas moléculas farmacológicas. Entre las aplicaciones terapéuticas más interesantes de los GPCR están los analgésicos opioides (receptor opioide µ; agonistas del receptor OPRM1), antihistamínicos (antagonistas de HRH1­ Los GPCR como dianas terapéuticas Desde 2017, entre 20%–30% de los medicamentos aprobados por la FDA tienen como diana farmacológica a los GPCR por la relevancia fisiológica de estos receptores, ya que se expresan en la mayor parte de los tejidos del organismo, están involucrados en la comunicación celular y participan en casi todos los aspectos de la fisiología humana debido a su mediación en la transducción de señales y a la estructura de los GPCR, que poseen un bolsillo intracelular con propiedades fisicoquímicas beneficiosas al diseño de pequeñas moléculas farmacológicas. Entre las aplicaciones terapéuticas más interesantes de los GPCR están los analgésicos opioides (receptor opioide µ; agonistas del receptor OPRM1), antihistamínicos (antagonistas de HRH1­ histamina), anticolinérgicos (antagonistas de CHRM), antipsicóticos típicos y atípicos (receptor de dopamina D2 antagonistas; DRD2), medicamentos antimigrañosos (5­HT1D serotonérgico agonistas; HTR1D), agonistas β2 para el asma (ADBAR2) y antihipertensivos (dirigidos a receptores α1 adrenérgicos y angiotensina II; ADAR1, ATGR1). Además de ser dianas terapéuticas para el descubrimiento de fármacos, variantes de los GPCR están frecuentemente implicadas en la enfermedad. De hecho, docenas de enfermedades monogénicas han sido vinculadas a mutaciones activadoras constitutivas que aumentan la actividad de los GPCR. Éstos incluyen, por ejemplo, la ceguera nocturna estacionaria congénita causada por mutaciones en la rodopsina; el melanoma uveal causado por mutaciones en el receptor cisteinil leucotrieno 2, y muchas otras patologías. Además, mutaciones con pérdida de función de los GPCR también se relacionan con enfermedades humanas. Las mutaciones del receptor V2­vasopresina, por ejemplo, se asocian con diabetes insípida nefrogénica, y se han diseñado fármacos que rescaten el fenotipo de mal plegamiento de estos mutantes del receptor V2 de vasopresina. RECEPTORES CON ACTIVIDAD TIROSINA QUINASA (RTK) Los receptores con actividad tirosina quinasa (RTK) constituyen un amplio grupo de receptores de membrana que pueden clasificarse en diferentes familias, dependiendo de: a) su reconocimiento por distintos ligandos, b) las respuestas biológicas que desencadenan, y c) su estructura primaria. Los RTK están anclados a la membrana, y envían señales al núcleo celular a través de vías citoplásmicas, involucrando una serie de moléculas que con el tiempo culminan con la traslocación de proteínas específicas del citoplasma al núcleo activando o actuando como factores de transcripción que finalmente regulan la expresión de genes implicados en procesos biológicos fundamentales, como la proliferación, la diferenciación, la apoptosis o la migración celular. Los RTK son glucoproteínas de membrana con un dominio aminoterminal rico en cisteínas, que corresponde al dominio extracelular de unión al ligando (hormonas o factores de crecimiento); éste conecta con el dominio citoplasmático mediante una única hélice transmembrana con un elevado carácter hidrofóbico. El dominio citoplasmático contiene una región conservada con actividad tirosina quinasa intrínseca, que fosforila proteínas en residuos de tirosina y un dominio carboxiterminal con capacidad de autofosforilación. Los dos mediadores más estudiados de la activación de RTK son la MAPK y la PI3K (figura 69–5). La MAPK es una vía de señalización conservada que utiliza una serie de proteínas quinasas para transmitir señales desde la membrana celular al núcleo. Su hiperactivación está implicada en diversas patologías, incluidas las neurodegenerativas y enfermedades del desarrollo, diabetes y cáncer. La activación de MAPK está regulada por un núcleo central de tres niveles de quinasas que comprende una MAPK quinasa quinasa, que activa una MAPK quinasa que, a su vez, activa una MAPK (como JNK, Janus kinase), ERK y p38). La unión del ligando a estos receptores induce dimerización del receptor y autofosforilación de residuos que son reconocidos por proteínas adaptadoras como SHC1 (src homology 2 que contiene el dominio de transformación proteína 1) y GRB2 (factor de crecimiento ligado al receptor proteína 2). A su vez, las proteínas adaptadoras reclutan GTP hidrolizando a factores intercambiadores de nucleótido de guanina, o como GEF o SOS. El contacto con un GEF unido a la membrana cataliza la exclusión del GDP y lo reemplaza por GTP, activando a RAS. Una vez activado, RAS recluta proteínas RAF a la membrana plasmática, tras lo cual se induce la activación secuencial de MEK y ERK. Hasta 200 diferentes efectores son activados por ERK en varios compartimientos, como citoplasma, mitocondrias, Golgi, retículo endoplásmico y particularmente el núcleo donde activa, como se ha dicho antes, a factores de transcripción que regulan procesos vitales en la célula, como c­FOS, c­JUN, c­MYC o ELK1. La activación de la vía MAPK se controla en múltiples niveles por una regulación de retroalimentación positiva y negativa que modula la duración y la amplitud de las señales, y también por diferentes proteínas adaptadoras que determinan la localización subcelular del núcleo central de tres niveles de quinasas. Es interesante destacar que se han descrito mutaciones en diferentes componentes de la vía MAPK en más de la mitad de todos los tipos de cáncer humano. La familia PI3K constituye una gran familia de proteínas que, al igual que la MAPK, controlan una miríada de procesos celulares como crecimiento celular, proliferación, supervivencia y motilidad. La activación canónica de la vía es la siguiente: en ausencia de ligandos activadores, la unión de la subunidad reguladora mantiene a la subunidad catalítica en un estado basal. Tras la unión del ligando a su receptor RTK se activa el receptor que promueve la autofosforilación de los residuos de tirosina, que son reconocidos por proteínas adaptadoras como IRS (sustrato receptor de insulina) 1 y 2, que reclutan heterodímeros PI3K cerca de sus sustratos lipídicos en la membrana plasmática. Page 9 / 34 La PI3K transmite su señal fosforilando fosfatidilinositol­4,5­bisfosfato para generar fosfatidilinositol­3,4,5­trisfosfato (PIP3), un segundo mensajero lipídico de la membrana que promueve la activación de proteínas con dominios de homología pleckstrina (PH) como PDK1 (quinasa 1 dependiente de fosfoinosítido) o AKT. Diferentes fosfatasas ejercen un control negativo de la vía, en especial PTEN (phosphatase and tensin homolog) cuya función se La familia PI3K constituye una gran familia de proteínas que, al igual que la MAPK, controlan una miríada de procesos celulares como crecimiento celular, proliferación, supervivencia y motilidad. La activación canónica de la vía es la siguiente: en ausencia de ligandos activadores, la unión de la subunidad reguladora mantiene a la subunidad catalítica en un estado basal. Tras la unión del ligando a su receptor RTK se activa el receptor que promueve la autofosforilación de los residuos de tirosina, que son reconocidos por proteínas adaptadoras como IRS (sustrato receptor de insulina) 1 y 2, que reclutan heterodímeros PI3K cerca de sus sustratos lipídicos en la membrana plasmática. La PI3K transmite su señal fosforilando fosfatidilinositol­4,5­bisfosfato para generar fosfatidilinositol­3,4,5­trisfosfato (PIP3), un segundo mensajero lipídico de la membrana que promueve la activación de proteínas con dominios de homología pleckstrina (PH) como PDK1 (quinasa 1 dependiente de fosfoinosítido) o AKT. Diferentes fosfatasas ejercen un control negativo de la vía, en especial PTEN (phosphatase and tensin homolog) cuya función se opone a la función de la PI3K mediante la desfosforilación de la PIP3, la cual a su vez promueve la activación de AKT a través de la fosforilación por PDK1 y mTORC2. AKT activa efectores posteriores como mTORC1 y FOXO1. La desregulación de la vía se ha asociado con varias enfermedades, incluido el cáncer. Moléculas como las linfoquinas y el interferón transmiten su señal al interior de la célula a través de receptores TK; sin embargo, éstos no poseen actividad tirosina quinasa intrínseca, sino que transmiten su señal reclutando proteínas que sí poseen la capacidad de fosforilar residuos de tirosina. Con excepción de los receptores de insulina (figura 69–6) e IGF, que son dímeros, todos los RTK (EGFR para el epidermal growth factor, FGFR para el fibroblast growth factor, PDGFR para el platelet­derived growth factor, VEGFR para el vascular endothelium growth factor, etc.) se encuentran como monómeros en la membrana celular y, tras la unión del ligando, tiene lugar su dimerización, lo que promueve su activación y la subsiguiente autofosforilación de sus dominios citoplasmáticos. En su forma activa, por tanto, todos los receptores RTK presentan una estructura homodimérica. Figura 69–6. Mecanismo de acción de la insulina. La unión de la insulina a su receptor dimérico con actividad tirosina quinasa, supone la activación del mismo y la fosforilación de las proteínas IRS (sustratos de insulina) y otras moléculas adaptadoras, como Shc. Estos sustratos activan dos vías principales, la de Ras y la de la PI3K, por medio de ellas la insulina regula tanto la síntesis de proteínas como la de glucógeno, el transporte de glucosa y mecanismos de supervivencia. Aunque los RTK se activan por dimerización, los diferentes ligandos usan estrategias distintas para inducir la asociación de los monómeros. Así, se ha demostrado que en el caso del receptor de la hormona del crecimiento (GH), esta citoquina es bivalente, y un ligando se une simultáneamente a dos moléculas de receptor, permitiendo su acercamiento. La dimerización del receptor se estabiliza posteriormente mediante interacciones adicionales receptor­receptor. Los TKR como dianas terapeúticas Page 10 / 34 Dado que la hiperactivación de las vías de señalización anteriores está implicada en diversas patologías, se ha considerado que los componentes de dichas vías pueden ser dianas farmacológicas, generándose inhibidores del receptor o de las quinasas (TKI, tyrosine kinase inhibitors), así como Aunque los RTK se activan por dimerización, los diferentes ligandos usan estrategias distintas para inducir la asociación de los monómeros. Así, se ha demostrado que en el caso del receptor de la hormona del crecimiento (GH), esta citoquina es bivalente, y un ligando se une simultáneamente a dos moléculas de receptor, permitiendo su acercamiento. La dimerización del receptor se estabiliza posteriormente mediante interacciones adicionales receptor­receptor. Los TKR como dianas terapeúticas Dado que la hiperactivación de las vías de señalización anteriores está implicada en diversas patologías, se ha considerado que los componentes de dichas vías pueden ser dianas farmacológicas, generándose inhibidores del receptor o de las quinasas (TKI, tyrosine kinase inhibitors), así como anticuerpos monoclonales. Uno de los receptores más importantes por tener un papel en la proliferación de células cancerosas es el EGFR. La expresión de EGFR alterada o sus mutaciones se han descrito en varios tipos de cáncer, incluyendo pulmón, mama, cabeza y cuello, y tumores gastrointestinales. Estos cánceres son sensibles a los inhibidores de tirosina quinasa (TKI) específicos, como Gefitinib y Erlotinib, conocidos como TKI de primera generación para la inhibición de EGFR. Algunos de estos inhibidores generan resistencia, y se ha desarrollado una segunda generación de dichos inhibidores, como Afatinib, habiéndose obtenido una mayor supervivencia de los pacientes. En la lista de inhibidores de EGFR específicos están dos anticuerpos monoclonales, Cetuximab y Panitumumab, aprobados por la FDA, que se están utilizando principalmente en cáncer colorrectal, de células no pequeñas de pulmón (NSCLC) y de cabeza y cuello metastásicos. Otra familia de receptores TK y que regula la división celular es el PDGFR. La incidencia de defectos activadores en PDGFR en cáncer es de aproximadamente 30%, y eso incluye mutaciones, eliminaciones y amplificación, según los estudios encontrados en The Cancer Genome Atlas (TCGA). Se han desarrollado moléculas dirigidas a este receptor como el Imatinib, que revolucionó el tratamiento de leucemia mieloide crónica. Un importante receptor con actividad TK es el VEGFR, implicado en la angiogénesis, que es un importante fenómeno en todos los tipos tumorales. Es por eso que el desarrollo de terapias contra este receptor ha sido muy estudiado. Se han elaborado enfoques diferentes para inhibir la señalización de VEGF, incluyendo anticuerpos monoclonales contra el ligando circulante, como Bevacizumab; anticuerpos bloqueadores de VEGFR­2, como Ramucirumab; señuelos similares a los anticuerpos que unen VEGF ―como Aflibercept, y varios TKI que actúan como inhibidores específicos o inhibidores de panquinasas que también se dirigen a VEGFR, como Sunitinib, Sorafenib, Pazopanib, Axitinib, Regorafenib, etcétera. Aún hay otros receptores TK importantes involucrados en la fisiología celular y que tienen un papel en el desarrollo del cáncer. Algunos ejemplos son el FGFR y el IGF1R; sin embargo, aunque se han generado inhibidores específicos contra ellos, innumerables ensayos clínicos no han podido demostrar los beneficios de su uso. Las otras dianas farmacológicas más estudiadas son las propias quinasas activadas tras la unión del ligando al receptor TK. En este aspecto hay una larga lista de inhibidores que se usan actualmente en cáncer, y pueden revisarse en diferentes trabajos. A continuación se resumen algunos de los más usados en los últimos años. Dada la alta prevalencia de las mutaciones en BRAF en tumores humanos, se han realizado grandes esfuerzos para desarrollar medicamentos que se dirigen a BRAF. Uno de ellos es Sorafenib, inicialmente descrito como un inhibidor de BRAF, resultó ser capaz de inhibir muchas otras TK como CRAF, receptores de VEGF1­3, de PDGF y RET quinasa. Sorafenib ha sido una de las primeras multiquinasas inhibidora aprobada por la FDA para tratamiento de tumores como melanoma y tiroides; se ha observado que este fármaco aumenta la supervivencia, pero los pacientes desarrollan resistencia. El Lenvatinib es otro inhibidor que tiene como dianas varias quinasas como los receptores VEGF1­3 y otros receptores pro­oncogénicos como el FGF1­4, PDGFα y receptores RET y KIT. La efectividad de los medicamentos dirigidos a diferentes componentes de la vía MAPK depende en gran medida de su capacidad para inhibir la fosforilación de ERK de manera sostenida. Uno de ellos es el Selumetinib, que inhibe a MEK, y más reciente nuevas moléculas como CKI (CH5126766), un inhibidor alostérico de MEK ha demostrado tener una prolongada inhibición de esta quinasa. Respecto a inhibidores de la vía PI3K, se han desarrollado varios fármacos y han sido probados en diferentes estudios. El Everolimus, un inhibidor de mTORC1, se ha usado en diferentes tipos tumorales, y de nuevo el problema es el desarrollo de resistencias porque se ha demostrado que este inhibidor regula negativamente la señalización por IGF1R y, por tanto, su inhibición aumenta la activación de la vía PI3K. Otros inhibidores como GDC­ 0941 se han desarrollado como inhibidores competitivos de ATP con actividad contra PI3K clase 1 y MK2206 que inhibe AKT. La mayoría de los inhibidores de las quinasas aprobados por la FDA, están dirigidos al sitio de unión al ATP de las enzimas quinasas, por tanto, tienen indicaciones terapéuticas contra la tumorigénesis. Esta terapia con inhibidores TKI representa una transformación de la quimioterapia convencional en el tratamiento del cáncer, y han superado el inconveniente de la terapia tradicional, ya que distinguen entre células normales no malignas de las células cancerígenas que proliferan con rapidez. Este tratamiento a menudo se usa combinado con citostáticos y con radiación para aumentar la efectividad. OTROS RECEPTORES TRANSMEMBRANA: TGF­β­R Y LA VÍA DE LAS SMADS La superfamilia de TGF­β (transforming growth factor beta) está formada por proteínas señalizadoras que constituyen una superfamilia de miembros, identificada en la década de 1980–1989, y cuyos estudios más recientes han determinado su importancia en la fisiología, ya que regulan muchos Page 11 / 34 procesos durante el desarrollo y en la homeostasis celular. Recientemente se ha descrito que esta vía de señalización regula la salida de las células madre embrionarias del estado pluripotente y la posterior diferenciación de progenitores a destinos celulares más restringidos para el establecimiento de tejidos maduros y órganos completos. Además, el mal funcionamiento de esta vía de señalización es la causa de diversas células cancerígenas que proliferan con rapidez. Este tratamiento a menudo se usa combinado con citostáticos y con radiación para aumentar la efectividad. OTROS RECEPTORES TRANSMEMBRANA: TGF­β­R Y LA VÍA DE LAS SMADS La superfamilia de TGF­β (transforming growth factor beta) está formada por proteínas señalizadoras que constituyen una superfamilia de miembros, identificada en la década de 1980–1989, y cuyos estudios más recientes han determinado su importancia en la fisiología, ya que regulan muchos procesos durante el desarrollo y en la homeostasis celular. Recientemente se ha descrito que esta vía de señalización regula la salida de las células madre embrionarias del estado pluripotente y la posterior diferenciación de progenitores a destinos celulares más restringidos para el establecimiento de tejidos maduros y órganos completos. Además, el mal funcionamiento de esta vía de señalización es la causa de diversas enfermedades. Esta familia se divide en varios subgrupos: los propios TGF­β, las BMP (bone morphogeneic proteins) y las activinas (péptidos que entre otras funciones activan la función ovárica) e inhibinas (inhiben la síntesis y secreción de la FSH hipofisaria). De todos los miembros de esta familia, el más estudiado es el TGF­β, ya que desempeña un papel central en el desarrollo y mantenimiento de los organismos. En la mayoría de los tipos de células, la señalización de TGF­β controla adicionalmente la expresión de una plétora de genes homeostáticos cuya actividad determina la proliferación celular, producción de matriz extracelular, secreción de factores paracrinos, contactos celulares, función inmunitaria y reparación de tejidos. En última instancia, estos factores regulan la expresión génica a nivel transcripcional. Todos los miembros de esta superfamilia utilizan una misma clase de receptores de membrana, con actividad serina/treonina quinasa en su dominio intracelular, que se divide a su vez en dos subclases: receptores tipo I y tipo II. La unión del ligando promueve la asociación de los receptores en un complejo heterotetramérico, en el que el receptor tipo II fosforila y activa al receptor tipo I. En este estado, el receptor tipo I es capaz de reconocer a unas proteínas denominadas Smad, que son la clave en la transducción de la señal de la familia TGF­β (figura 69–7). Figura 69–7 Mecanismo de acción de TGF­β (transformin growth factor beta) y las proteínas Smad. Tras la unión de TGF­β a su receptor de membrana se produce el ensamblaje de los dos tipos de receptores I y II, lo que lleva a su activación y la fosforilación de las proteínas reguladoras conocidas como Smad (R­ SMAD). Dichas proteínas, formando complejos con las Co­SMAD, se traslocan al núcleo, donde se pueden unir directamente a los promotores de genes o bien a otros factores de transcripción, modulando su actividad. Estos complejos, además, pueden reclutar otros activadores o represores transcripcionales. La proteína de anclaje SARA puede facilitar la activación de las R­Smad, conduciéndolas a la membrana, cerca del receptor. La regulación de las proteínas Smad también tiene lugar modulando su degradación a través de la vía del proteasoma. Las Smad componen una clase única de moléculas de señalización. Se han descrito ocho proteínas Smad en el genoma de mamíferos, que se subdividen en tres clases diferentes: a) las Smad reguladas por el receptor (R­Smad 1,2, 3, 5 y 8); b) el mediador común Smad4, y c) las Smad inhibidoras (I­Smad 6 y 7). Todas están estructuralmente relacionadas, y poseen un dominio aminoterminal denominado MH1 (MAD homology Page 12 / 34 domain 1) seguido de una región de unión y un extremo carboxiterminal o región MH2. Cada uno de estos dominios es crítico para la funcionalidad de estas proteínas, que modulan a sus efectores principalmente a través de interacciones proteína­proteína y proteína­ADN. Las interacciones entre el receptor tipo I y las R­Smad son importantes en la respuesta a los diferentes ligandos. Así, los receptores de BMP tipo I Las Smad componen una clase única de moléculas de señalización. Se han descrito ocho proteínas Smad en el genoma de mamíferos, que se subdividen en tres clases diferentes: a) las Smad reguladas por el receptor (R­Smad 1,2, 3, 5 y 8); b) el mediador común Smad4, y c) las Smad inhibidoras (I­Smad 6 y 7). Todas están estructuralmente relacionadas, y poseen un dominio aminoterminal denominado MH1 (MAD homology domain 1) seguido de una región de unión y un extremo carboxiterminal o región MH2. Cada uno de estos dominios es crítico para la funcionalidad de estas proteínas, que modulan a sus efectores principalmente a través de interacciones proteína­proteína y proteína­ADN. Las interacciones entre el receptor tipo I y las R­Smad son importantes en la respuesta a los diferentes ligandos. Así, los receptores de BMP tipo I fosforilan a las R­Smad1, 5 y 8; mientras que los de TGF­β y activina sólo fosforilan a las R­ Smad2 y 3. Además, diversas proteínas de anclaje como SARA (smad anchor for receptor activation), pueden facilitar la activación de las R­Smad de la vía TGF­β/activina, uniéndose directamente a la R­Smad2 no fosforilada y reclutándola a la membrana. La fosforilación de las R­Smad induce su disociación de la proteína SARA y del receptor, quedándose en forma monomérica o heterodimérica tras su unión a Smad4. La fosforilación también es la responsable de la translocación de los anteriores dímeros al núcleo, donde regulan la transcripción por interacción directa con el ADN o con proteínas de unión al ADN, regulando de este modo la expresión de sus genes diana. Cabe también destacar que las proteínas Smad están reguladas por un mecanismo de degradación, que incluye su ubiquitinación y posterior degradación por la vía del proteosoma. En el estado basal, las Smad ciclan constantemente entre el citoplasma y el núcleo, pero una vez activado por la acción del receptor, los complejos RSmad­Smad4 resultantes se acumulan en el núcleo y se unen a elementos promotores específicos en todo el genoma. El dominio globular N­terminal de las proteínas Smad contiene un dominio de unión al ADN que reconoce preferentemente la secuencia CAGAC, conocido como smad binding element (SBE). Para lograr una alta afinidad y especificidad, los complejos Smad4­RSmad que se unen a sus secuencias diana en el ADN, suelen reclutar proteínas adicionales formando complejos mutiproteicos. Así, por ejemplo, el primer cofactor de este tipo que se identificó fue FoxH1, un miembro de la familia de genes forkhead­box. El complejo FoxH1­Smad2/3­Smad4 se une a su sitio en el ADN denominado ARE (activin response element) en los genes diana implicados en la diferenciación de las células embrionarias. Desde que se describió este primer factor se han identificado otros muchos que pertenecen a diferentes familias de proteínas de unión a ADN que, de manera similar, cooperan con los complejos Smad en la unión a secuencias promotoras específicas. Este mecanismo se conoce como “Sinespression” o expresión sinérgica, y regula coordinadamente las actividades de respuesta a los factores de la familia TGF­β. Una vez unidos al ADN, estos complejos reclutan histonas acetiltransferasas como p300, CBP, P/CAF y GCN5. Posteriormente, el mediador, que es un complejo coactivador de múltiples subunidades, se une con el dominio C­terminal de la ARN polimerasa (Pol) II y el complejo de remodelación de la cromatina SWI/SNF, que reposiciona los nucleosomas para facilitar la transcripción. Estas interacciones estimulan la activación transcripcional de los genes diana. De manera alternativa, dependiendo del contexto del promotor, el complejo Smad puede reclutar histona deacetilasas como HDAC4 para la inhibición transcripcional. El resultado final de estos hallazgos es un modelo para la regulación impulsada por señales de la expresión génica que reconcilia la simplicidad bioquímica del proceso de transducción de señal de receptor TGF­β/Smad con la amplia diversidad y dependencia del contexto de sus objetivos transcripcionales y respuestas celulares. TGF­β COMO DIANA TERAPÉUTICA Una de las funciones más conocidas del TGF­β es su función en la regulación del ciclo celular y en procesos implicados en migración celular. En muchas células epiteliales, endoteliales y hematopoyéticas, actúa inhibiendo la progresión de la fase G1 del ciclo mitótico, ya que estimula la producción de p15, un inhibidor de quinasas dependientes de ciclinas (CDC). Estos cambios resultan en un decremento en la fosforilación de la proteína de retinoblastoma Rb, la cual se une y secuestra miembros de la familia de fact