Biología: Regulación de la Glucosa (PDF)

neo, lo cual provoca un aumento de los niveles de glucosa. La 599 15.7 La especificidad de las respuestas hormona insulina se produce por las betacélulas del páncreas en acopladas a proteínas G respuesta a los altos nive...

neo, lo cual provoca un aumento de los niveles de glucosa. La 599 15.7 La especificidad de las respuestas hormona insulina se produce por las betacélulas del páncreas en acopladas a proteínas G respuesta a los altos niveles de glucosa y estimula la captación de glucosa y el almacenamiento como glucógeno. Finalmente, la epi- Una amplia variedad de agentes, que incluye hormonas, neuro- 15.8 Regulación de los niveles de glucosa en sangre nefrina, que a veces se denomina hormona de “lucha o huida”, se transmisores y estímulos sensoriales, actúan a través de los GPCR produce por la glándula suprarrenal en situaciones de estrés. La y proteínas G heterotriméricas para transmitir información a tra- epinefrina causa un aumento en los niveles de glucosa en la san- vés de la membrana plasmática, desencadenando una amplia va- gre para proporcionar al cuerpo los recursos energéticos adicio- riedad de respuestas celulares. Por tanto, los GPCR como grupo nales necesarios para superar la situación estresante que afronta. son capaces de unir un diverso conjunto de ligandos. Además, el La insulina actúa a través de un receptor de proteína-tirosina receptor para un ligando dado puede existir en diferentes versio- cinasa y su transducción de señal se discute en la sección 15.12. nes (isoformas). Por ejemplo, los investigadores han identificado Por el contrario, tanto el glucagón como la epinefrina actúan nueve isoformas diferentes del receptor adrenérgico, al cual se uniéndose a los GPCR. El glucagón es una proteína pequeña que une la epinefrina, y 15 isoformas diferentes del receptor para la se compone de 29 aminoácidos, mientras que la epinefrina es una serotonina, un poderoso neurotransmisor liberado por las células pequeña molécula que se deriva del aminoácido tirosina. Estruc- nerviosas en algunas partes del cerebro. Las diferentes isoformas turalmente hablando, estas dos moléculas no tienen nada en co- pueden tener distintas afinidades para el ligando o pueden inter- mún, aunque se unen a los GPCR y estimulan la descomposición actuar con diversos tipos de proteínas G. Las diferentes isoformas del glucógeno en glucosa 1-fosfato (FIGURA 15-12). Además, la de un receptor pueden coexistir en la misma membrana plasmáti- unión de cualquiera de estas hormonas conduce a la inhibición ca, o pueden aparecer en las membranas de diferentes tipos de de la enzima glucógeno sintasa, la cual cataliza la reacción opues- células blanco. Las proteínas G heterotriméricas que transmiten ta en la que se añaden unidades de glucosa a moléculas de glucó- señales desde el receptor al efector pueden existir en múltiples geno en crecimiento. Estos dos estímulos diferentes (el glucagón formas, como pueden existir muchos de los efectores. El genoma y la epinefrina), reconocidos por diferentes receptores, inducen a humano codifica al menos 16 diferentes subunidades Gα, cinco la misma respuesta en una sola célula blanco. Los dos receptores diferentes subunidades Gβ, y 11 diferentes subunidades Gγ, junto difieren uno de otro principalmente en la estructura del bolsillo con nueve isoformas del efector adenil ciclasa. Diferentes combi- de unión del ligando en la superficie extracelular de la célula, el naciones de subunidades específicas forman proteínas G que tie- cual es específico para una u otra hormona. Luego de la activa- nen diferentes capacidades de reacción con isoformas específicas ción por sus respectivos ligandos, ambos receptores activan el de receptores y de efectores. mismo tipo de proteínas G heterotriméricas que provoca un in- Como se menciona en la página 589, algunas proteínas G ac- cremento en los niveles de cAMP. túan inhibiendo sus efectores. El mismo estímulo puede activar una proteína G estimuladora (una con la subunidad Gαs) en una Glucógeno célula y una proteína G inhibitoria (uno con una subunidad Gαi) sintasa tasa en una célula diferente. Por ejemplo, cuando la epinefrina se une (Glucosa)n – 1 + UDP-glucosa a un receptor betaadrenérgico en una célula del músculo cardia- co, una proteína con una subunidad Gαs se activa, estimula la producción de cAMP, lo que conduce a un aumento en la frecuen- CH H2OH CH2OH CH2OH cia y la fuerza de contracción. Por el contrario, cuando la epinefri- H O H H O H H O H na se une a un receptor adrenérgico en una célula muscular lisa H H H en el intestino, se activa una proteína G con una subunidad Gαi, OHH H OH H OH H HO O O O PPi que inhibe la producción de cAMP, produciendo relajación mus- cular. Finalmente, algunos receptores adrenérgicos estimulan las H OH H OH H OH proteínas G con las subunidades Gαq, lo que conduce a la activa- n n–1 n–2 UTP ción del PLCβ. De manera que los mismos mensajeros extracelu- cógeno Glucógeno lares pueden activar varias vías en diferentes células. cosa)n (glucosa) CH2OH REPASO Pi H O H 1. Describa las formas en que un solo ligando de GPCR puede O (Glucosa)n – 1 + OH efectuar una variación de las respuestas en diferentes células. Glucógenono O HO O P O– sa fosforilasa H OH O– 15.8 Regulación de los niveles Glucosa 1-fosfato de glucosa en sangre Glucosa 6-fosfato La glucosa puede utilizarse como fuente de energía en casi todos los tipos de células presentes en el cuerpo. Se oxida a CO2 y H2O mediante la glucólisis y el ciclo del TCA, proporcionando a las células ATP que se puede usar para conducir reacciones energé- Fructosa 6-fosfato Glucosa + Pi ticas, las cuales requieren de energía. El cuerpo mantiene los ni- veles de glucosa en el torrente sanguíneo dentro de un rango es- trecho. Como se discutió en el capítulo 3, el exceso de glucosa se Glucólisis Sangre almacena en las células de los animales como glucógeno, un gran FIGURA 15-12 Las reacciones que conducen al almacenamiento o movi- polímero ramificado compuesto de monómeros de glucosa que lización de la glucosa. Las actividades de dos de las enzimas clave en es- tas reacciones, la glucógeno fosforilasa y la glucógeno sintasa están con- están unidos por enlaces glucosídicos. La hormona glucagón se troladas por hormonas que actúan a través de vías de transducción de produce por las alfacélulas del páncreas en respuesta a niveles señales. La glucógeno fosforilasa se activa en respuesta al glucagón y la bajos de glucosa en la sangre. El glucagón estimula la descompo- epinefrina, mientras que la glucógeno sintasa se activa en respuesta a sición del glucógeno y la liberación de glucosa al torrente sanguí- la insulina (sección 15.12).  600 Movilización de la glucosa: un ejemplo de una respuesta 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 inducida por cAMP CAPÍTULO 15 Señalización celular y transducción de señal: comunicación entre células El cAMP se sintetiza por la adenilil ciclasa, una proteína integral de membrana cuyo dominio catalítico reside en la superficie in- terna de la membrana plasmática (FIGURA 15-13). El cAMP evoca COOH una respuesta que conduce a la movilización de glucosa, lo cual inicia una cadena de reacciones, como se ilustra en la FIGURA 15-14. El primer paso en esta reacción en cascada ocurre cuando la hor- mona se une a su receptor, activando una subunidad Gαs, que Sitio activo activa un efector de adenilil ciclasa. La enzima activada cataliza la formación de cAMP (pasos 1 y 2, figura 15-14). Las moléculas de cAMP una vez formadas, se difunden en el citoplasma donde se unen a un sitio alostérico en una subunidad reguladora de un proteína cinasa dependiente de cAMP [proteína ATP cAMP cinasa A, PKA (protein kinase A)] (paso 3, figura 15-14). En su NH2 NH2 forma inactiva, la PKA es un heterotetrámero compuesto de dos C N C N subunidades reguladoras (R) y dos subunidades catalíticas (C). N C N C CH CH Las subunidades reguladoras normalmente inhiben la actividad HC C HC C O O O N N N N catalítica de la enzima. La unión del cAMP provoca la disocia- –O P O P O P O CH2 ción de las subunidades reguladoras, de este modo libera las + PPi O H O subunidades catalíticas activas de la PKA. Los sustratos blanco O– O– O– C C C C C H de PKA en las células del hígado incluye dos enzimas que cum- H H H H O O HH H H plen una función central en el metabolismo de la glucosa, la glu- C C C C P – cógeno sintasa y la fosforilasa cinasa (pasos 4 y 5). La fosforila- O O OH OH OH ción de la glucógeno sintasa inhibe su actividad catalítica y así previene la conversión de glucosa a glucógeno. Por el contrario FIGURA 15-13 La formación de AMP cíclico a partir de ATP está catali- la fosforilación de la fosforilasa cinasa activa la enzima que cata- zada por la adenilil ciclasa, una proteína integral de membrana que liza la transferencia de grupos fosfato a las moléculas de la glu- consta de dos partes, cada una contiene seis hélices transmembrana cógeno fosforilasa. Como descubrieron Krebs y Fischer (p. 173), (se muestra aquí en dos dimensiones). El sitio activo de la enzima se ubi- ca en la superficie interna de la membrana en una hendidura situada en- la adición de un grupo fosfato a un residuo específico de serina tre dos dominios citoplásmicos similares. La rotura del cAMP (no se mues- en el polipéptido de la glucógeno fosforilasa, activa esta enzima tra) se logra mediante una fosfodiesterasa que convierte el nucleótido (paso 6), estimulando la rotura del glucógeno (paso 7). La gluco- cíclico en un 5! monofosfato. sa 1-fosfato que se forma en la reacción se convierte en glucosa, la cual se difunde hacia el torrente sanguíneo y así alcanza otros tejidos del cuerpo (paso 8). Otros aspectos de las vías de transducción Como cabría esperar, debe existir un mecanismo para revertir de señal del cAMP los pasos que se discuten antes; de lo contrario, la célula perma- Aunque los efectos más rápidos y mejor estudiados del cAMP se necería en el estado activo indefinidamente. Las células del híga- producen en el citoplasma, el núcleo y sus genes también partici- do contienen fosfatasas que retiran grupos fosfato adicionados pan en la respuesta. Una fracción de las moléculas de PKA activa- por las cinasas. Un particular miembro de esta familia de enzi- das se translocan dentro del núcleo donde fosforilan proteínas mas, la proteína fosfatasa 1, puede retirar fosfatos de todas las nucleares clave (paso 9, figura 15-14), el más importante factor de enzimas fosforiladas, en la figura 15-14: cinasa fosforilasa, glucó- transcripción llamado proteína de unión a elemento de respuesta geno sintasa y glucógeno fosforilasa. La destrucción de las molé- a cAMP (CREB, cAMP response element binding protein). La versión culas de cAMP presentes en la célula se efectúa por la enzima fosforilada CREB se une como un dímero a los sitios en el DNA cAMP fosfodiesterasa, la cual ayuda a terminar la respuesta. (figura 15-14, paso 10) que contiene una secuencia de nucleótidos específica (TGACGTCA), conocido como elemento de respuesta a Amplificación de señal cAMP (CRE, cAMP response element). Se debe recordar de la sec- ción 12.13 que los elementos de respuesta son sitios en el DNA La unión de una molécula hormonal en la superficie celular pue- donde los factores de transcripción se unen e incrementan la tasa de activar un número de proteínas G, cada una de las cuales de iniciación de la transcripción. Los CRE están situados en las puede activar un efector adenilil ciclasa, cada uno de ellos pue- regiones reguladoras de genes que cumplen una función en la res- de producir una gran cantidad de cAMP mensajeros en un corto puesta al cAMP. En las células del hígado, por ejemplo, varias en- periodo. Por tanto, la producción de un segundo mensajero pro- zimas involucradas en la gluconeogénesis, una vía por la cual se porciona un mecanismo para amplificar bastante la señal que se forma glucosa a partir de los intermediarios de la glucólisis (véase genera del mensaje original. Muchos de los pasos en la reacción figura 3-31), se codifican por genes que contienen CRE cercanos. en cascada ilustrados en la figura 15-14 resultan en la amplifica- Por tanto, la epinefrina y el glucagón no sólo activan enzimas ca- ción de la señal (estos pasos se indican por las flechas azules). Las tabólicas involucradas en la rotura del glucógeno, también pro- moléculas de cAMP activan la PKA. Cada subunidad catalítica de mueven la síntesis de las enzimas anabólicas necesarias para sin- la PKA fosforila un gran número de moléculas de fosforilasa cina- tetizar glucosa a partir de precursores menores. sa, que a su vez fosforila un número incluso más grande de mo- El cAMP se produce en muchas células diferentes en respues- léculas de glucógeno fosforilasa, y al mismo tiempo puede catali- ta a una amplia variedad de ligandos. Muchas de las respuestas zar la formación de un mayor número de glucosa fosfatos. Por hormonales mediadas por cAMP en las células de los mamíferos tanto, lo que comienza como apenas un estímulo perceptible en se enumeran en la tabla 15-3. Las vías del AMP cíclico se han la superficie celular, se transforma rápidamente en la principal implicado en procesos que ocurren en el sistema nervioso, que movilización de glucosa dentro de la célula. incluye el aprendizaje, la memoria y la adicción a las drogas. El  1 Glucagón, 601 epinefrina, otros Receptor 15.8 Regulación de los niveles de glucosa en sangre GTP Gαs Proteína G Adenilil ciclasa 2 Inactivo Activo Citoplasma Núcleo CREB PKA AMP cAMP P Fosfodiesterasa Glucógeno 9 sintasa CREB Proteína Activo cinasa A 3 4 Fosfatasa 10 P P Inactivo P Activo CREB CREB Cinasa DNA P 5 fosforilasa CRE Inactivo Activo Fosfatasa Inactivo mRNA Glucógeno fosforilasa 6 P Inactivo Fosfatasa 2– Activo CH2OPO 3 O O O FIGURA 15-14 La respuesta de una célula hepática al glucagón o a la epinefrina. Los pasos en la respuesta a la estimulación hormonal que PO2– 3 7 conducen a la movilización de glucosa se describen en el texto. Muchos Glucosa Glucosa 6- Glucosa 1- Glucógeno de los pasos en la reacción en cascada se acompañan de una amplifica- fosfato fosfato ción dramática de la señal. Los pasos que llevan a la amplificación se in- 8 Membrana dican por los grupos de flechas azules. La activación de la transcripción plasmática por CREB ocurre junto con la serie usual de coactivadores (p. ej., p300 y CBP) y los complejos modificadores de cromatina (no se muestran). Torrente sanguíneo uso crónico de opiáceos, por ejemplo, conduce a niveles elevados nencia a la droga. Otro nucleótido cíclico, GMP cíclico, también de adenilil ciclasa y PKA, que pueden ser responsables de forma actúa como un segundo mensajero en ciertas células como se ilus- parcial de la respuesta fisiológica que aparece durante la absti- tró en la relajación inducida de las células del músculo liso discu- tida en la sección 15.16. Como se analiza en la siguiente sección, el GMP cíclico también cumple una función clave en la vía de TABLA 15-3 Ejemplos de respuestas inducidas por hormonas señalización involucrada en la visión. mediadas por cAMP Debido a que el cAMP ejerce la mayoría de sus efectos acti- vando a la PKA, la respuesta de una célula dada al cAMP está Tejido Hormona Respuesta determinada típicamente por las proteínas específicas fosforila- Hígado Epinefrina y gluca- Rotura del glucógeno, das por esta cinasa (FIGURA 15-15). Aunque la activación de la gón síntesis de glucosa PKA en una célula hepática en respuesta a la epinefrina conduce (gluconeogénesis), in- a la rotura del glucógeno, la activación de la misma enzima en hibición de la síntesis una célula del túbulo renal en respuesta a la vasopresina causa un de glucógeno aumento en la permeabilidad de la membrana al agua, y la acti- Músculo esquelé- Epinefrina Rotura del glucógeno, in- vación de la enzima en una célula tiroidea en respuesta a la TSH tico hibición de la síntesis conduce a la secreción de la hormona tiroidea. Es evidente que la de glucógeno PKA debe fosforilar diferentes sustratos en cada uno de estos ti- Músculo cardia- Epinefrina Aumento de la contracti- co lidad pos celulares, vinculando así el aumento de los niveles de cAMP Tejido adiposo Epinefrina, ACTH, Catabolismo de triacilgli- inducidos por la epinefrina, la vasopresina y la TSH a diferentes y glucagón cerol respuestas fisiológicas. Riñón Vasopresina Aumenta la permeabili- Se han descrito más de cien sustratos de PKA. La mayoría de (ADH) dad de las células epi- estos lleva a cabo diferentes funciones, lo cual plantea la cuestión teliales para el agua de cómo la PKA fosforila los sustratos apropiados en respuesta a Tiroides TSH Secreción de hormonas un estímulo específico, en un tipo de célula particular. Esta pre- tiroideas gunta se respondió en parte por la observación de que las diferen- Hueso Hormona parati- Aumento de la reabsor- tes células expresan distintos sustratos de la PKA y por el descu- roidea ción de calcio brimiento de las proteínas de anclaje a PKA o AKAP (PKAanchoring Ovario LH Aumento de la secreción de hormonas esteroi- proteins), las cuales funcionan como centros de señalización. Las deas primeras AKAP se descubrieron como proteínas que se purifica- Corteza supra- ACTH Aumento de la secreción ron con PKA. Se han descubierto al menos 50 AKAP diferentes, rrenal de glucocorticoides varias de las cuales se muestran en la FIGURA 15-16. Como se indica en esta figura, las AKAP proporcionan un marco estructu-  602 Membrana plasmática ral o andamio para coordinar las interacciones proteína-proteína (transporte) secuestrando PKA a ubicaciones específicas dentro de la célula. Microtúbulos Como consecuencia, la PKA se acumula muy cerca de uno o más (ensamblaje/ sustratos. Cuando los niveles de cAMP se elevan y la PKA se acti- sa desensamblaje) CAPÍTULO 15 Señalización celular y transducción de señal: comunicación entre células na va, los sustratos relevantes se acercan y son los primeros en fosfo- Ci cAMP Cinasa rilarse. En parte, la selección del sustrato es una consecuencia de Lipasa triglicérido la localización subcelular de PKA en presencia de sustratos espe- (formación de Retículo cíficos. Diferentes células expresan distintas AKAP, lo que resulta ácido graso) endoplásmico en la localización de PKA en presencia de diferentes sustratos, y Cinasa (síntesis de proteína) como consecuencia la fosforilación de distintos sustratos después Cinasa del incremento de los niveles de cAMP. Es interesante considerar que, a diferencia de muchas proteínas con similar función, las Glucógeno Cinasa AKAP tienen una estructura diversa, lo que sugiere que la evolu- sintasa fosforilasa Cinasa ción se ha apropiado de una variedad de diferentes tipos de pro- (formación de glucógeno) teínas al realizar una función similar en la señalización celular. REPASO Fosforilasa (rotura del glucógeno) 1. ¿Qué significa el término amplificación con respecto a la trans- ducción de señal? ¿Cómo funciona la reacción en cascada re- Núcleo (síntesis de DNA, sultado de la amplificación de una señal? ¿Cómo aumenta las diferenciación, posibilidades de la regulación metabólica? síntesis de RNA) 2. ¿Cómo es posible que el mismo primer mensajero, como la epinefrina, pueda evocar diferentes respuestas en diversas células blanco?, ¿cómo el mismo segundo mensajero, como el FIGURA 15-15 Ilustración esquemática de la variedad de procesos que cAMP, también puede evocar diferentes respuestas en pueden verse afectados por los cambios en la concentración de cAMP. Se distintas células blanco?, ¿cómo la misma respuesta, como la cree que todos estos efectos están mediados por la activación de la misma rotura del glucógeno, puede ser iniciada por diferentes enzima, la proteína cinasa A. De hecho, la misma hormona puede provocar estímulos? respuestas muy diferentes en distintas células, incluso cuando se une al mis- 3. Describa los pasos que conducen desde la síntesis de cAMP mo receptor. La epinefrina, por ejemplo, se une a un receptor adrenérgico en la superficie interna de la membrana plasmática de una similar en las células hepáticas, grasas y musculares lisas del intestino, lo cual origina la producción de cAMP en los tres tipos celulares. Las respues- célula del hígado a la liberación de glucosa en la sangre. tas, sin embargo, son bastante diferentes: el glucógeno se rompe en la célu- ¿Cómo se controla este proceso por GRK y las arrestinas; por la hepática, los triacilgliceroles se descomponen en la célula adiposa y las las proteínas fosfatasas y las arrestinas; por las proteínas células del músculo liso se relajan. Además de PKA, se sabe que cAMP fosfatasas, y por cAMP fosfodiesterasa? interactúa con los canales iónicos, las fosfodiesterasas y GEF (p. 608). Canal del Ca2+ Receptor tipo L AMPA Receptor NMDA Membrana AKAP18 plasmática AKAP79/150 PKA Microtúbulos PKC PKA PKA MAP2 PP2B Proteína PP1 Centrosoma PKA PP1 PKN PP2A PDE PKA Mitocondria PDE AKAP350 PKC mAKAP PKA Gluco- GSK3 cinasa PKA PP1 Pericentrina AKAP220 BAD D-AKAP1 PKC PKA Núcleo PP1 PKA WAVE1 PKA PP1 Rab32 Vesículas Abl PKA PKA PKC PKA PKA Gravin WAVE1 AKAP-Lbc Actina Rac Rho PKC PKD Citoesqueleto FIGURA 15-16 Representación esquemática de los complejos de señalización AKAP que operan en compartimientos subcelulares diferentes. La AKAP en cada uno de estos complejos de proteínas está representada por la barra de color púrpura. En cada caso, la AKAP forma un andamio que reúne una molécula de PKA con sustratos potenciales y otras proteínas implicadas en la vía de señalización, incluidas las fosfatasas (triángulos verdes) que pue- den eliminar los grupos de fosfato añadidos y fosfodiesterasas que pueden interrumpir la señalización continua. Las AKAP que se muestran se dirigen a la PKA y a varios compartimientos diferentes, que incluyen la membrana plasmática, la mitocondria, el citoesqueleto, el centrosoma y el núcleo. FUENTE: Reproducido con permiso de W Wong y JD Scott. Nature Reviews Mol Cell Biol 2004;5:961; copyright 2004. Nature Reviews Molecular Cell Biology por Nature Publishing Group. Reproducido con permiso de Nature Publishing Group en el formato de reutilización en un libro/libro de texto a tra- vés de Copyright Clearance Center  conduce a la generación de potenciales de acción que se transmi- 603 15.9 La función de los GPCR ten al cerebro. en la percepción sensorial Nuestra percepción del gusto es mucho menos discriminativa que la percepción del olfato. Cada célula receptora del sabor en la Nuestra capacidad de ver, degustar y oler depende en gran medi- 15.9 La función de los GPCR en la percepción sensorial lengua transmite una de las cinco cualidades básicas del sabor, es da de los GPCR. Se mencionó anteriormente que la rodopsina, decir: salado, agrio, dulce, amargo, o umami (de la palabra japo- cuya estructura y activación se representa en la figura 15-5b, es un nesa que significa “sabroso”). Las células receptoras del sabor que GPCR. La rodopsina es una proteína sensible a la luz presente en producen el sabor del umami responden a los aminoácidos aspar- los bastones de nuestra retina, que son las células fotorreceptoras, tato y glutamato y a los nucleótidos de purina, generando una las cuales responden a la luz de baja intensidad y nos proporcio- percepción de que el alimento es “sabroso”. Esta es la razón por la nan una imagen en blanco y negro de nuestro entorno por la cual se le agrega glutamato monosódico y guanilato disódico a los noche o en una habitación oscura. Varios GPCR estrechamente alimentos procesados para realzar su sabor. El sabor placentero relacionados están presentes en los conos de la retina, que nos del umami se piensa que haya evolucionado como un mecanismo proporcionan visión de color bajo condiciones de luz más brillan- para conducir a los mamíferos a obtener alimentos ricos en proteí- te. La absorción de un fotón de luz induce un cambio de confor- nas. La percepción de que un alimento o bebida es salado o agrio mación en la molécula de rodopsina, que transmite una señal a se atribuye directamente a los iones de sodio o protones en los una proteína G heterotrimérica (llamada transducina), la cual acti- alimentos. Estos iones pasan a través de la membrana plasmática va un efector de acoplado. El efector en este caso es la enzima + + de las células receptoras por los canales de Na o H respectiva- cGMP fosfodiesterasa, que hidroliza el nucleótido cíclico cGMP, mente, y de manera eventual conducen a la despolarización de las un segundo mensajero similar en estructura a cAMP (figura 15- membranas plasmáticas de las células (sección 4.16). En contraste, 13). El cGMP cumple una importante función en la excitación la percepción de que el alimento es amargo, dulce o sabroso, de- visual de las células bastones en la retina. En la oscuridad, los pende de la interacción del compuesto con un GPCR en la super- niveles de cGMP permanecen altos y así son capaces de unirse a ficie de la célula receptora. Los humanos codifican una familia de los canales de sodio activados por cGMP en la membrana plasmá- alrededor de 30 receptores del sabor amargo llamados T2R, que se tica, manteniendo los canales en una configuración abierta, lo acoplan a la misma proteína G heterotrimérica. Como grupo, es- cual provoca la entrada de una corriente iónica continua (“co- tos receptores del gusto unen diversos compuestos, incluso plan- rriente oscura”). La activación de cGMP fosfodiesterasa resulta en tas alcaloides o cianuros, que evocan un gusto amargo en nuestras bajos niveles de cGMP, lo que conduce al cierre de los canales del bocas. Casi siempre las sustancias que evocan esta percepción son sodio. Esta respuesta, que es raro que se dispare por una dismi- compuestos tóxicos que emiten una respuesta protectora desagra- nución en la concentración de un segundo mensajero, ocasiona la dable, que lleva a expulsar la comida de la boca. A diferencia de generación de potenciales de acción a lo largo del nervio óptico. las células olfativas que contienen una sola proteína receptora, Nuestro sentido del olfato depende de los impulsos nerviosos una sola célula de las papilas gustativas que evoca una sensación transmitidos a lo largo de neuronas olfativas, las cuales se extien- amarga contiene una variedad de diferentes receptores T2R que den desde el epitelio que recubre nuestra cavidad nasal superior responden a sustancias nocivas no relacionadas. Como resultado, al bulbo olfatorio ubicado en nuestro tallo cerebral. El extremo muchas sustancias evocan el mismo gusto básico, lo cual responde distal de estas neuronas, que se encuentran en el epitelio nasal, a que la comida que hemos comido es amarga y desagradable. En contienen receptores olfativos, que son GPCR capaces de fijar va- contraste, una comida que provoca un gusto dulce es probable que rios químicos que entran en nuestra nariz. Los receptores odo- contenga carbohidratos ricos en energía. Los humanos poseen so- rantes de los mamíferos se identificaron por primera vez en 1991 lamente un receptor del sabor dulce de alta afinidad (un heterodí- por Linda Buck y Richard Axel de la Universidad de Columbia. mero T1R2-T1R3) que responde a los azúcares, ciertos péptidos de Se estima que los humanos expresan aproximadamente 400 dife- sabor dulce y proteínas (p. ej., monelina), y edulcorantes artificia- rentes receptores odorantes que, en conjunto, son capaces de les. Los receptores de umami consisten en un heterodímero TR1- combinar una gran variedad de diferentes estructuras químicas TR3. Por suerte, la comida que se mastica libera odorantes que van 1 (odorantes). Cada neurona receptora olfativa expresa sólo un ale- desde la garganta a las neuronas olfativas en la mucosa nasal, lo lo de uno de los cientos de diferentes genes de receptores odoran- que permite al cerebro aprender más acerca del alimento que he- tes. En consecuencia, cada una de estas neuronas sensoriales mos comido que sólo a través de los mensajes relativamente sen- contiene sólo un receptor odorante específico, y sólo es capaz de cillos que ofrecen los receptores del gusto. Es esta combinación de responder a uno o algunos químicos relacionados. Como resulta- los receptores olfativos y del gusto (gustativo) la que proporciona do, la activación de diferentes neuronas que contienen diferentes el rico sentido del gusto. La importancia de las neuronas olfativas odorantes receptores nos proporciona la percepción de distintos en la percepción del gusto se hace más evidente cuando tenemos aromas. Eso no significa que un solo producto químico no puede un resfriado, lo que provoca que se pierda algo de nuestra aprecia- interactuar con más de un receptor olfativo, sino que la combina- ción del gusto de la comida. ción específica de los receptores que se activan por ese compues- to puede desempeñar una función clave al producir un olor par- ticular. Las mutaciones en un gen específico que codifica un receptor odorante particular puede dejar a una persona con la REPASO incapacidad de detectar un químico particular en su entorno que 1. Describa la función de los GPCR en la visión, la detección de la mayoría de los otros miembros de la población puede percibir. olores y el sentido del gusto. Cuando los receptores odorantes se activan por la unión de ligan- dos, la señal va a través de las proteínas G heterotriméricas hasta la adenilil ciclasa, lo que resulta en la síntesis de cAMP y la aber- tura de un canal de catión activado por cAMP. Esta respuesta 15.10 Fosforilación de proteína-tirosina como un mecanismo para la transducción 1 El genoma humano contiene aproximadamente 1 000 genes que codifican de señal receptores odorantes pero la mayoría está presentes como pseudogenes no funcionales (p. 391). Los ratones, que dependen más que los humanos de su Las proteína-tirosina cinasas son enzimas que fosforilan resi- sentido del olfato, tienen más de 1 000 de estos genes en su genoma, y 95% duos específicos de tirosina en sustratos proteicos. La fosforilación de ellos codifican receptores funcionales. proteína-tirosina es un mecanismo para la transducción de señal  604 que apareció con la evolución de los organismos multicelulares. la los residuos de tirosina en el dominio citoplásmico de otro re- Alrededor de 90 diferentes proteína-tirosina cinasas son codifica- ceptor del dímero y viceversa (figura 15-17a,b). das por el genoma humano. Estas cinasas están involucradas en la regulación del crecimiento, la división, la diferenciación, la super- Activación de la proteína cinasa CAPÍTULO 15 Señalización celular y transducción de señal: comunicación entre células vivencia, la fijación a la matriz extracelular y la migración celular. La expresión de proteína-tirosina cinasas mutantes que no se re- Los sitios de autofosforilación en los RTK pueden desempeñar gulan y están activas de manera continua pueden conducir a una dos funciones diferentes: pueden regular la actividad cinasa del división celular descontrolada y el desarrollo de cáncer. Un tipo de receptor o servir como sitios de unión para moléculas de señali- leucemia, por ejemplo, se produce en células que contienen una zación citoplásmica. Por lo general, la actividad cinasa se controla versión no regulada de la proteína-tirosina cinasa ABL. por la autofosforilación de los residuos de tirosina, los cuales es- Las proteína-tirosina cinasas se pueden dividir en dos grupos: tán presentes en el asa de activación del dominio cinasa. El asa de receptor proteína-tirosina cinasas (RTK, receptor protein-tyrosi- activación, cuando no está fosforilada, obstruye el sitio de unión ne kinases), son proteínas integrales de membrana que contienen del sustrato, de este modo previene la entrada de ATP. Luego de una sola hélice transmembrana y un dominio de unión a ligando su fosforilación, el asa de activación se estabiliza en una posición extracelular, y un no receptor (o citoplasmático) proteína-tirosina lejos del sitio de unión del sustrato, resultando en la activación cinasas. El genoma humano codifica casi 60 RTK y 32 no recep- del dominio cinasa. Una vez que su dominio cinasa ha sido acti- tores TK. Los primeros RTK que se estudiaron, EGFR, se identifi- vado, las subunidades del receptor proceden a fosforilar cada uno caron en 1978 por Stanley Cohen de la Universidad Vanderbilt. El de los residuos de tirosina que están presentes en regiones adya- descubrimiento del primer no receptor TK se debate en la sección centes al dominio cinasa. Son estos sitios de autofosforilación los 16.3. Los RTK se activan directamente por los factores de creci- que funcionan como sitios de unión para las proteínas de señali- miento y diferenciación extracelular como el factor de crecimiento zación celular. epidérmico (EGF, epidermal growth factor) y el factor de crecimien- to derivado de plaqueta (PDGF, platelet-derived growth factor) o por Interacciones proteína-proteína reguladores metabólicos como la insulina. Los no receptores pro- dependiente de fosfotirosina teína-tirosina cinasas se regulan indirectamente por señales extra- celulares, y controlan procesos diversos como la respuesta inmu- Las vías de señalización consisten en una cadena de proteínas de nitaria, la adhesión celular y la migración neuronal. Esta sección señalización que interactúan unas con otras de una forma secuen- del capítulo se centra en la transducción de señal por los RTK. cial (véase figura 15-3). Las proteínas de señalización son capaces de asociarse con los receptores proteína-tirosina cinasa activados, debido a que algunas proteínas contienen dominios que enlazan Dimerización del receptor específicamente residuos de tirosina fosforilados (como en la fi- Una pregunta obvia viene a la mente cuando se considera la me- gura 15-17). Los dominios de unión pTir mejor estudiados son el cánica de la transducción de señal: ¿cómo es que la presencia de dominio Src-homología 2 (SH2, Src-homology 2) y el dominio de unión un factor de crecimiento fuera de la célula traduce cambios bio- a fosfotirosina (PTB, phosphotyrosinebinding). Los dominios SH2 químicos dentro de la célula? Numerosos estudios estructurales y fueron identificados inicialmente como parte de proteínas codifi- bioquímicos han demostrado que la unión del ligando resulta en cadas por el genoma de los virus que causan tumores (oncogéni- la dimerización de los dominios extracelulares de unión del ligan- co). Ellos están compuestos de aproximadamente 100 aminoáci- do de un par de receptores. Se han reconocido dos mecanismos dos y contienen un bolsillo de unión conservado que acomoda un para la dimerización del receptor: la dimerización mediada por residuo de tirosina fosforilado (FIGURA 15-18). Más de 110 domi- ligando y la dimerización mediada por receptor (FIGURA 15-17). nios SH2 están codificados por el genoma humano. Median una Los primeros trabajos sugirieron que los ligandos de RTK contie- gran cantidad de interacciones proteína-proteína dependiente de nen dos sitios de unión al receptor. Esto hizo posible que una la fosforilación. Estas interacciones ocurren después de la fosfori- sola molécula de factor de diferenciación o crecimiento se uniera lación de residuos específicos de tirosina. La especificidad de las a dos receptores al mismo tiempo, causando la dimerización del interacciones está determinada por la secuencia de aminoácidos receptor mediado por ligando (figura 15-17a). Este modelo fue adyacentes inmediatamente a los residuos de tirosina fosforila- respaldado por la observación de que los factores de crecimiento dos. Por ejemplo, el dominio SH2 de la proteína-tirosina cinasa y diferenciación como el factor de crecimiento derivado de pla- Src reconoce pTir-Glu-Glu-Ile, mientras que los dominios SH2 de quetas (PDGF) o el factor estimulante de colonias-1 (CSF-1, colony- PI 3-cinasa se unen a pTir-Met-X-Met (en el que X puede ser cual- stimulating factor-1) están compuestos de dos subunidades de en- quier residuo). Es interesante destacar que el genoma de la leva- lace disulfuro similares o idénticas, en el cual cada subunidad dura de panadería codifica sólo una proteína que contiene un contiene un sitio de enlace al receptor. Sin embargo, no todos los dominio SH2, que se correlaciona con la pérdida general de la factores de crecimiento que se encontraron se ajustaron a este actividad de señalización de la tirosina cinasa en aquellos euca- modelo. Algunos factores de crecimiento (p. ej., EGF o TGF) con- riotas unicelulares inferiores. tienen sólo un único sitio de enlace al receptor. El trabajo estruc- Los dominios PTB se descubrieron recientemente. Pueden tural ahora admite un segundo mecanismo (figura 15-17b), en el unirse a residuos de tirosina fosforilada que generalmente están que la unión del ligando induce un cambio conformacional del presentes como parte de un motivo asparagina-prolina-X-tirosina dominio extracelular de un receptor, lo que conduce a la forma- (Asn-Pro-X-Tir). Sin embargo, la historia es más complicada, de- ción o exposición de una interfaz de dimerización del receptor. bido a que algunos dominios PTB parecen unirse específicamente Con este mecanismo, los ligandos funcionan como reguladores a un motivo Asn-Pro-X-Tir no fosforilado, mientras que otros se alostéricos que cambian la capacidad de sus receptores para for- unen específicamente al motivo fosforilado. Los dominios PTB mar dímeros. Un pequeño número de los RTK, incluidos los re- están mal conservados y diferentes dominios PTB poseen distin- ceptores de insulina y de IGF-1, están presentes como dímeros tos residuos que interactúan con sus ligandos. inactivos en ausencia de ligando (véase figura 15-24). Para la ma- yoría de los RTK la dimerización resulta en la yuxtaposición de Activación de las vías de señalización dos dominios proteína-tirosina cinasas en el lado citoplásmico corriente abajo de la membrana plasmática. La puesta de dos dominios cinasas en contacto estrecho permite la transautofosforilación, en la que la Se ha observado que los receptores proteína-tirosina cinasas actividad de la proteína cinasa de un receptor del dímero fosfori- (RTK) están autofosforilados en uno o más residuos de tirosina.  Ligando Ligando 605 15.10 Fosforilación de proteína-tirosina como un mecanismo para la transducción de señal Monómeros Monómeros inactivos inactivos Interfaz de dimerización inducida por ligando Monómeros inactivos Dimerización mediada por ligando Dimerización mediada por el receptor Dímeros activos Dímeros activos Transautofos- Transautofos- forilación forilación P P P P Transmisión Transmisión de señal de señal Dominio Dominio SH2 o PTB SH2 o PTB P P P P a) b) FIGURA 15-17 Pasos en la activación de un receptor proteína-tirosina cinasa (RTK). a) Dimerización mediada por ligando. En el estado no activado, los receptores están presentes en la membrana como monómeros. La unión de un ligando bivalente conduce directamente a la dimerización del receptor y la activación de su actividad cinasa, lo cual provoca la adición de grupos fosfato al dominio citoplasmático de la otra subunidad del receptor. Los residuos de fosfotirosina recién formados del receptor sirven como sitios de unión para proteínas blanco que contienen dominios SH2 o PTB. Las proteínas blanco se activan como resultado de su interacción con el receptor. b) Dimerización mediada por receptor. La secuencia de eventos es similar a los de la parte a, excepto que el ligando es monovalente y, en consecuencia, una molécula de ligando separada se une a cada uno de los monómeros inactivos. La unión de cada ligando induce un cambio conformacional en el receptor que crea una interfaz de dimerización (flechas rojas). Los monómeros unidos a ligando interactúan a través de esta interfaz para convertirse en un dímero activo. FUENTE: a-b) Basado en un dibujo de J Schlessinger y A Ullrich. Neuron 1992;9:384; con permiso de Cell Press Neuron por Cell Press. Reproducido con permiso de Cell Press en el formato de reutilización en un libro/libro de texto vía Copyright Clearance Center.  606 contiene un dominio SH2 y dos SH3 (Src homología 3) (figu- –1 ASN +1 GLU +2 GLU ra 15-20). Como se muestra en la figura 2-42, los dominios –2 PRO +3 ILE SH3 se unen a motivos de secuencia ricos en prolina. Los dominios SH3 de Grb2 se unen constitutivamente a otras pro- CAPÍTULO 15 Señalización celular y transducción de señal: comunicación entre células teínas, incluyendo Sos y Gab. El dominio SH2 se une a restos +4 PRO de tirosina fosforilados dentro de un motivo Tir-X-Asn. En P–TYR consecuencia, la fosforilación de la tirosina del motivo Tir-X- Asn en un RTK da como resultado la translocación de Grb2- Sos o Grb2-Gab del citosol a un receptor, que está presente en la membrana plasmática (figura 15-19a). Ligando Ras activo Dominio SH2 Ras GTP P P P Sos FIGURA 15-18 La interacción entre un dominio SH2 de una proteína y un péptido que contiene un residuo de fosfotirosina. El dominio SH2 de la Grb2 proteína se muestra en una vista seccionada con el área de superficie ac- a) cesible representada por puntos rojos y el esqueleto del polipéptido co- mo una cinta púrpura. El heptapéptido que contiene fosfotirosina (Pro- Asn-pTir-Glu-Glu-Ile-Pro) se muestra como un modelo de relleno de espacio cuyas cadenas laterales son de color verde y el esqueleto es de color amarillo. El grupo fosfato se muestra en azul claro. El residuo fosfori- lado de tirosina y el residuo de isoleucina (+3) se proyectan hacia los bol- sillos en la superficie del dominio SH2, creando una interacción estrecha- Dominio mente adecuada, pero sólo cuando el residuo clave de tirosina se PTB IRS fosforila. P P FUENTE: De Gabriel Waksman, et al. Cortesía de John Kuriyan. Cell P P P 1993;72:783. Reproducido con permiso de Elsevier. P P PI3K Shp2 Una variedad de proteínas de señalización con dominios SH2 o PTB están presentes en el citoplasma. Por tanto, la activación del receptor resulta en la formación de complejos de señalización, en b) los cuales las proteínas que contienen SH2 o PTB se unen a sitios específicos de autofosforilación presentes en el receptor (como en la figura 15-17). Se pueden distinguir varios grupos de proteína de señalización, los cuales pueden interactuar con RTK activados, incluyendo proteínas adaptadoras y de andamiaje, factores de transcripción y enzimas (FIGURA 15-19). Actividad cinasa Las proteínas adaptadoras y de andamiaje funcionan como Factor de enlazadores que permiten que dos o más proteínas de señali- P P transcripción P de la familia zación se unan como parte de un complejo de señalización STAT (figura 15-19a). Las proteínas adaptadoras contienen un do- minio SH2 y uno o más dominios de interacción proteína-pro- P teína adicionales. Por ejemplo, la proteína adaptadora Grb2 P Dímero STAT FIGURA 15-19 Una diversidad de proteínas de señalización. Las células activo contienen numerosas proteínas con dominios SH2 o PTB que se unen a residuos de tirosina fosforilados. a) Las proteínas adaptadoras, como Grb2, funcionan como un enlace entre otras proteínas. Como se muestra Núcleo aquí, Grb2 puede servir como un enlace entre el factor de crecimiento c) RTK activado y Sos, un activador de una proteína corriente abajo llamada Ras. La función de Ras se analiza más adelante. b) La proteína de acopla- miento IRS contiene un dominio PTB que le permite unirse al receptor ac- tivado. Una vez unidos, los residuos de tirosina en la proteína de acopla- miento son fosforilados por el receptor. Estos residuos fosforilados funcionan como sitios de unión para otras proteínas de señalización. c) Ciertos factores de transcripción se unen a RTK activados, un evento que conduce a la fosforilación y activación del factor de transcripción y su PI-PLCγ translocación al núcleo. Los miembros de la familia STAT de factores de transcripción se activan de esta manera. d) Se activa una amplia gama de P P P enzimas de señalización después de unirse a RTK desactivado. En el caso Shp2 que se representa aquí, una fosfolipasa (PLC-γ), una cinasa lipídica (PI3K) y PI3K una proteína-tirosina fosfatasa (Shp2) se han unido a sitios de fosfotirosina en el receptor. d)  se simplemente como resultado de la translocación a la mem- 607 brana, lo que los coloca muy cerca de sus sustratos. Las enzi- mas también se pueden activar a través de un mecanismo alostérico (p. 110), en el que la unión a fosfotirosina da como 15.11 La vía de la cinasa Ras-MAP resultado un cambio conformacional en el dominio SH2 que provoca un cambio conformacional en el dominio catalítico, lo que resulta en una variación en la actividad catalítica. Por últi- mo, las enzimas pueden ser reguladas directamente por fosfo- rilación. Como se describirá a continuación, las proteínas de señalización se asocian con los RTK activados e inician casca- das de eventos que conducen a los cambios bioquímicos que se requieren para responder a la presencia de moléculas men- sajeras extracelulares. Terminación de la respuesta De modo general la transducción de señales por RTK termina con la internalización del receptor, principalmente a través de endo- citosis mediada por clatrina (sección 8.17). Algunos RTK poseen un motivo de secuencia corta en su dominio citoplasmático que se une a la proteína adaptadora clatrina AP-2, la cual se piensa