Tema 3. Vías de Transducción de Señales PDF

Grado de Medicina (UIB) – Comisión de Apuntes Asignatura: Bioquímica y Biología molecular II TEMA 3. VÍAS DE TRANSDUCCIÓN DE SEÑALES Profesor: Bárbara Comisionista: Mar Larrauri Revisor: Judith Sánchez, Alejandro Garrido Fecha: 27/02/2023 - 06/03/2023 Índice: TEMA 3. VÍAS DE TRANSDUCCIÓN DE SEÑALES 0 1. Tipos de receptores: receptores de membrana y nucleares 1 1. Receptores acoplados a proteína G (ej. adrenalina, glucagón) 1 2. Receptores ligados a tirosina quinasa (ej. citoquinas, interferones, factor de crecimiento) 1 3. Receptores con actividad enzimática intrínseca (ej. receptor de insulina) 2 4. Receptores que son canales iónicos (ej. acetilcolina) 2 2. Señalización mediada por receptores extracelulares 2 2.1 Receptores acoplados a proteína G que activan a la proteína quinasa A (PKA): sistema de la adenilato ciclasa (AC) 2 2.2 Receptores acoplados a proteínas G que activan a la proteína quinasa C: vía de los fosfoinosítidos 6 2.3 Receptores con actividad o ligados a tirosina quinasa 8 Receptores para factores de crecimiento 8 2.4 Receptores con actividad guanilato ciclasa: vía del GMPc y del óxido nítrico 13 2.5 Receptores acoplados a canales iónicos 15 3. Señalización mediada por receptores hormonales intra-celulares: superfamilia de receptores nucleares 15 Resumen de los sistemas de transducción de señales eucarióticos (lo ha pasado por encima) 17 4. Importancia fisiopatológica y farmacológica de los sistemas de transducción de señales 18 *Todo lo que está en cursiva en este documento son explicaciones de las comisiones del año pasado que este año no se han mencionado. 0 Grado de Medicina (UIB) – Comisión de Apuntes Asignatura: Bioquímica y Biología molecular II 1. Tipos de receptores: receptores de membrana y nucleares Las vías de transducción de señales nos permiten recibir, integrar y amplificar una señal y emitir una respuesta, que puede ser la activación o inactivación de proteínas, la regulación de la transcripción o la modulación de canales iónicos (altera potencial de membrana). La respuesta puede ser a corto o largo plazo, dependiendo de la necesidad (por ejemplo, al quemarnos una mano, la respuesta de quitarla es inmediata; en cambio una modificación de la dieta va a dar una respuesta a largo plazo). Los dos grandes grupos de receptores son: ● Receptores intracelulares o receptores nucleares: se unirán las señales capaces de atravesar la membrana (hidrofóbicas). Cuando la molécula señal atraviesa la membrana se une rápidamente a sus receptores en el citosol, y esta unión activa a los receptores nucleares que translocan al núcleo y se unen a los elementos de respuesta y actúan como un factor de transcripción (modular la expresión de genes). Son fundamentalmente factores de transcripción. ● Receptores de membrana: se unirán señales que no pueden atravesar la membrana (hidrofílicas). Muchas veces la unión de este ligando a su receptor conducirá a un cambio conformacional o químico que transmitirá la señal a las proteínas intracelulares. Tipos de receptores unidos a membrana 1. Receptores acoplados a proteína G (ej. adrenalina, glucagón) Cuando se produce la unión de su ligando al receptor se produce un cambio conformacional y se activa una proteína transmembrana, la proteína G. Esta proteína lo que hará es activar o modular la actividad enzimática de otras proteínas efectoras, como podría ser la adenilato ciclasa, que activará la producción de segundos mensajeros como el AMPc. Se puede activar la adenilato ciclasa, la PLC, etc. Como hemos mencionado antes, estos receptores tienen efectos en la activación de proteínas, la síntesis de proteínas y la apertura de canales iónicos. 2. Receptores ligados a tirosina quinasa (ej. citoquinas, interferones, factor de crecimiento) Son receptores que no tienen actividad enzimática intrínseca y que se suelen encontrar en forma de monómero (inactivo), por lo que cuando se une el ligando al receptor, este dimeriza y se recluta una proteína tirosina quinasa, que se autofosforila y fosforila al receptor y es capaz de modular por fosforilación la actividad enzimática de otras proteínas activando una cascada de señalización. 1 Grado de Medicina (UIB) – Comisión de Apuntes 3. Asignatura: Bioquímica y Biología molecular II Receptores con actividad enzimática intrínseca (ej. receptor de insulina) Hay de dos tipos: 1. Los que tienen actividad Guanilato ciclasa: forman GMPc a partir de GTP. Estos receptores tienen un dominio de unión al ligando y un dominio citosólico con actividad guanilato ciclasa. 2. Los que tienen actividad Tirosina Quinasa (RTK): su dominio intracelular tiene actividad tirosina quinasa. Inactivos están en forma de monómeros, pero cuando llega el ligando se dimerizan y se activan. Un ejemplo de ligando que activa este tipo de receptores es la insulina. 4. Receptores que son canales iónicos (ej. acetilcolina) Los canales iónicos tienen una zona extracelular de unión al ligando, que cuando se une produce un cambio conformacional del receptor (se abre el canal permitiendo el paso de iones). 2. Señalización mediada por receptores extracelulares 2.1 Receptores acoplados a proteína G que activan a la proteína quinasa A (PKA): sistema de la adenilato ciclasa (AC) RECEPTORES ACOPLADOS A PROTEÍNA G ● Tienen 7 hélices transmembranales (7TM) con 3 bucles a cada lado. ● Son oligoproteínas que en su extremo N-terminal (extracelular) une el ligando y en el extremo C-terminal (intracelular) tiene asociada una proteína G heterotrimérica. ● Hay muchas señales y muy variadas que pueden activar estos receptores: desde señales químicas como la noradrenalina hasta un olor, un fotón, etc.). ● Hay muchísimos tipos de receptores 7 hélices transmembrana (son muy importantes y abundantes). 2 Grado de Medicina (UIB) – Comisión de Apuntes Asignatura: Bioquímica y Biología molecular II PROTEÍNAS G ● Son heterotriméricas: tres subunidades diferentes (α, β y γ). ● Se encuentran unidas a la membrana: ○ La subunidad γ se une a través del extremo C-terminal mediante un enlace prenilo (entre el azufre de la cisteína que está en posición C-terminal y un grupo prenilo). ○ La subunidad α se une a través del extremo N-terminal de la mediante una miristoilación (se une un ácido mirístico con una glicina mediante un enlace amida) o una palmitoilación (se une un ácido palmítico con el azufre de una cisteína. Es la más frecuente). ● Se llaman así porque son capaces de unir nucleótidos de guanina (GTP y GDP) a través de la subunidad Gα. ● Forma inactiva: subunidad Gα unida a GDP. Las 3 subunidades están juntas. ● Forma activa: subunidad Gα unida a GTP. La subunidad Gα está separada de ß-γ y tiene actividad GTPasa (hidrólisis de GTP a GDP). ● Hay tipos diferentes de proteínas G que se forman por la combinación de las distintas subunidades, cada señal activará a una proteína G diferente. ● Estas son proteínas citosólicas, y se sintetizan en los ribosomas libres del citosol FUNCIONAMIENTO (sistema de la adenilato ciclasa) (ej. receptor ß-adrenérgico o de glucagón): 1. Se une el ligando (ej. noradrenalina) al receptor (ej. receptor ß-adrenérgico) por el lado extracelular. 2. Se produce un cambio conformacional que llega hasta el extremo C-terminal (lado intracelular). 3. Se activa la proteína G, es decir, la subunidad α pasa de tener GDP a GTP. 4. Gα-GTP se escinde (separa) de las subunidades ß-γ 5. Gα-GTP difunde lateralmente a través de la membrana y se une y activa al adenilato ciclasa (AC). 6. AC produce AMPc, que difunde a través de la membrana. 7. AMPc activa principalmente a la PKA. a. Actividad enzimática: PKA fosforila residuos de serina y treonina de proteínas diana, es decir, las activa (o inactiva). Por ejemplo, fosforila la glucógeno fosforilasa, que produce glucosa 6 fosfato (glucólisis). b. Expresión génica: PKA fosforila un factor de transcripción (CREB) y lo activa. CREB se une al elemento de respuesta al AMPc (CRE), que recluta a otras proteínas como p300, que remodelan la estructura y permiten que la maquinaria de transcripción acceda a lo que se tiene que transcribir. 3 Grado de Medicina (UIB) – Comisión de Apuntes Asignatura: Bioquímica y Biología molecular II c. Excitabilidad de las membranas: si el ligando es la serotonina, PKA fosforila los conductos de potasio, provocando su cierre en las membranas sinápticas. Esto aumenta la excitabilidad. AC (Adenilato ciclasa): ● Proteína transmembrana que presenta 12 hélices transmembranales. ● Tiene 2 dominios catalíticos en la parte citosólica. AMPc (AMP cíclico): ● Sus concentraciones dependen de su síntesis por la AC y de su degradación por las fosfodiesterasas. ● Elevadas concentraciones de AMPc hacen que se incremente la degradación de reservas energéticas, aumenta la secreción de ácido en la mucosa gástrica, conduce a la dispersión de los gránulos de melanina, disminuye la agregación plaquetaria e induce la apertura de los canales de cloro. PKA (Proteína quinasa A) ● Proteína dependiente de AMPc ● Proteína del tipo serin-treonin quinasa ● Formada por 2 cadenas reguladoras y 2 cadenas catalíticas (actividad catalítica intrínseca). ● Activación: cuando hay AMPc, este se une a las cadenas reguladoras y activa las cadenas catalíticas. INHIBICIÓN (todas las vías tienen que estar reguladas): 1. La subunidad Gα tiene actividad GTPasa: hidroliza GTP y lo convierte en GDP. Entonces pasa a su estado inactivo y vuelve a unirse a las subunidades ß-γ. La toxina del cólera impide la hidrólisis de GTP (subunidad Gα se queda activa), ya que añade una ADP ribosa. 2. Actividad fosfodiesterasa: hidroliza el AMPc (degradación de AMPc). Uno de los efectos de los estimulantes de esta vía podría ser inhibir las fosfodiesterasas. 3. Disociación ligando - receptor 4. En el caso de que el ligando siga unido al receptor: fosforilación del extremo carboxilo. 5. Proteínas G inhibidoras (Gi): hasta ahora hemos visto cómo actúan las proteínas G estimuladoras (Gs), pero también las hay que son inhibidoras. Estas funcionan exactamente igual, solo que su subunidad alfa es inhibitoria y lo que hace es inhibir a la AC. Además, en 4 Grado de Medicina (UIB) – Comisión de Apuntes Asignatura: Bioquímica y Biología molecular II este proceso las subunidades ß-γ quedan libres y pueden unirse a una subunidad alfa estimuladora (la inactiva). Por otra parte, los derivados de la cafeína o la teopinina son estimulantes que lo que hacen es inhibir esta vía inhibitoria. 6. Desensibilización: quinasas específicas que actúan sobre el complejo hormona-receptor. Cuando llevas mucho tiempo con la señal unida y tenemos que parar esta vía, el cuerpo lo reconoce y activa quinasas capaces de fosforilar este complejo. El funcionamiento es el siguiente: viene una quinasa del receptor ß-adrenérgico que va a fosforilar los residuos serina donde se unía la proteína G heterotrimérica. De esa manera impide que aunque el ligando esté unido, la proteína G ya no puede activarse. Además, gracias a las fosforilaciones, en los sitios donde se unía la proteína G, se une la ß-arrestina. La ß-arrestina atrae a proteínas implicadas en la formación de vesículas como la clatrina, promoviendo la endocitosis. Entonces, se forman las vesículas intracelulares con el receptor. Este se irá desfosforilando y cuando sea necesario, los receptores volverán a la membrana para reanudar el ciclo. 5 Grado de Medicina (UIB) – Comisión de Apuntes Asignatura: Bioquímica y Biología molecular II 2.2 Receptores acoplados a proteínas G que activan a la proteína quinasa C: vía de los fosfoinosítidos La vía de los fosfoinosítidos es otro ejemplo de vía que se activa en respuesta a la unión de un ligando a las proteínas G. En este caso también se trata de receptores acoplados a proteínas G heterotriméricas, pero hace funciones diferentes y utiliza otros segundos mensajeros. FUNCIONAMIENTO 1. Se une la señal al receptor (ej. receptor α-adrenérgico) por el lado extracelular. 2. Se produce un cambio conformacional que llega hasta el extremo C-terminal (lado intracelular). 3. Se activa la proteína Gq, es decir, la subunidad α pasa de tener GDP a GTP. 4. Gα-GTP se escinde (separa) de las subunidades ß-γ. 5. Gα-GTP difunde lateralmente a través de la membrana y se une y activa la fosfolipasa C (PLC), un enzima que está adherido a la monocapa intracelular de la membrana. 6. PLC hidroliza el enlace fosfodiéster del fosfatidilinositol 4,5-bisfosfato (PIP2), que es un fosfolípido de la membrana plasmática. Esto produce 2 segundos mensajeros: inositol 1,4,5-trifosfato (IP3) y diacilglicerol (DAG o DG). A partir de aquí hay 2 caminos: el del IP3 y el del DG. Camino del IP3: el IP3 puede difundir libremente al citoplasma (hidrofílico) 1. IP3 se une a los canales Ca2+ y activa la salida de Ca2+ desde el retículo endoplasmático hasta el citosol. 2. El Ca2+ se une a la proteína calmodulina (CaM) formando el complejo Calcio-calmodulina (CaCaM). 3. El complejo CaCaM activa a diferentes quinasas, que fosforilarán diferentes proteínas modulando su actividad. Camino del DG: el DG se queda anclado en la membrana (hidrofóbico) 1. DG y Calcio se unen a la proteína quinasa C (PKC), que está en el citoplasma, y la activan. El DG estabiliza en la membrana la forma activa de PKC. Además, para su activación completa, requiere fosfatidilserina (fosfolípido de la cara interna de la membrana). La forma inactiva de la PKC es una forma citosólica que se encuentra fosforilada. 2. PKC es una serin-treonin quinasa, como la PKA. Su función es fosforilar diferentes proteínas diana, modulando su actividad, para llevar a cabo diversas respuestas celulares. INHIBICIÓN DE LA RUTA La inhibición de la ruta se producirá a tres niveles, los cuales son complementarias: IP3 y DG son de vida media corta, se metabolizan rápidamente de la siguiente manera: 6 Grado de Medicina (UIB) – Comisión de Apuntes Asignatura: Bioquímica y Biología molecular II ● Degradación del IP3: la IP3 fosfatasa puede desfosforilar IP3 haciendo que pase a IP2. Además, se puede activar otra fosfatasa que lo vuelva a degradar hasta inositol. Hay otra ruta en la cual el IP3 puede ser fosforilado y pasar a tetraquisfosfato, que tampoco activará los canales de Ca2+. ● Degradación del DG: el DG puede fosforilarse y formar ácido fosfatídico. También puede hidrolizarse y dar glicerol y 2 ácidos grasos. Por otra parte, cuando el DG presenta un ácido araquidónico en su carbono 2 (pasa a menudo), puede hidrolizarse a araquidonato y producir los precursores de los eicosanoides. Por tanto, da lugar a señales implicadas en otras vías, en este caso, que provocan una respuesta inflamatoria. ● La fosfolipasa C no solo estará hidrolizando PIP2, sino que también hidroliza otros lípidos como los esfingolípidos. La esfingosina que se produce por esta hidrólisis es un inhibidor de la PKC. Su nombre específico es esfingomielinasa. DATOS IP3 y DAG pueden volver a reunirse en la membrana y volver a servir de PIP2 para nuevas señales, es decir, que pueden promover la vía de los fosfoinosítidos. La fosfolipasa C presenta dominios SH2, que sirven para unirse a las proteínas con actividad tirosina quinasa, concretamente a los residuos fosforilados de tirosina. Por tanto, esta vía puede activarse a partir de otra cascada de señalización (cascada de las tirosina quinasas). SEÑALIZACIÓN POR IONES CALCIO El Ca activa la movilización de glucosa, la contracción muscular mediado por la calmodulina y la liberación de vesículas. Además, es necesario en el centro activo de la PLC para que esta actúe, por lo que tiene que haber al menos un poco de Ca al inicio para que la PLC funcione. El calcio es capaz de formar complejos insolubles con compuestos fosforilados y con grupos carbonilo e impide que se puedan llevar a cabo determinadas reacciones necesarias. Por esta razón normalmente los niveles de Ca2+ en el citosol deben mantenerse bajos, porque sino se formarían agregados de enzimas importantes en el citosol y precipitarían. Además, esto permite que haya un gradiente, ya que en el RE la concentración de Ca será elevada, mientras que en el citoplasma será baja (en reposo). Este gradiente nos permite un rápido aumento de las concentraciones de Ca en el citoplasma y transmitir señales. Este gradiente se mantiene gracias a los intercambiadores de Na-Ca y las bombas o canales de Ca. El Ca2+ se une fácilmente a proteínas produciendo en ella cambios conformacionales. Muchas veces el Ca2 + lleva su efecto a través de su unión con la calmodulina (proteína de 17kDa que se encuentra en la mayoría de las células de vertebrados). Cuando la calmodulina se une al Ca2+ se activa y es capaz de activar o inhibir determinadas proteínas, entre las cuales destacamos: ● ● Proteínas quinasas dependientes de calmodulina (CaM quinasas) que lo que hacen es ayudar a propagar la señal (implicadas en la regulación de metabolismo energético o de canales iónicos, síntesis y liberación de neurotransmisores, etc.). Bomba de ATPasa de calcio, lo que va a hacer esta bomba es devolver el Ca2 + al interior del retículo endoplasmático y, por tanto, parará la señal. 7 Grado de Medicina (UIB) – Comisión de Apuntes Asignatura: Bioquímica y Biología molecular II RESUMEN Cuando se une la molécula señal a su receptor se activa una proteína Gqα, que lo que hace es activar la fosfolipasa C que hidroliza el PIP2 y DG muy hidrofóbico, que se cuela en la membrana y al IP3 que escapa de la membrana porque es muy hidrofílico. El PIP2 lo que hace es reclutar a la PKC que, además, establece una unión con la fosfatidilserina de la membrana activándose. El IP3 se unirá a los canales de Ca2 + del retículo endoplasmático, que activarán más la PKC. Esta PKC fosforilará a determinadas proteínas diana. Por otra parte, el Ca2 + se puede unir a la calmodulina para modular a las CaM quinasas que a su vez estarán fosforilando a determinados sustratos o proteínas diana. 2.3 Receptores con actividad o ligados a tirosina quinasa Receptores que presentan actividad tirosina quinasa en su extremo carboxilo terminal porque están ligados a una proteína con actividad tirosina quinasa. Receptores para factores de crecimiento Los factores de crecimiento ejercen su efecto uniéndose a receptores cuyo dominio citoplasmático está ligado a tirosinas quinasas o directamente tiene actividad tirosina quinasa (actividad catalítica intrínseca). Estos receptores tienen un único segmento transmembrana (una sola hélice α). En su extremo N-terminal se une el ligando y en el extremo C-terminal se lleva a cabo la actividad tirosina quinasa. En general, cuando no están unidos a ligando son monómeros, pero cuando se une el ligando, se activan por dimerización y fosforilación cruzada. (El receptor de insulina sin el ligando ya es un dímero). Por tanto, la unión del ligando al receptor induce la dimerización de los receptores, lo que provoca que se queden muy cercanos los dominios C-terminal del citoplasma y por una fosforilación cruzada de estos dominios se activa y se transmite la señal. Receptores ligados a tirosina quinasa Ejemplo del receptor de la hormona de crecimiento: 1. La hormona de crecimiento se une al dominio extracelular del receptor (monómero). 2. Dimerización (activación receptor): esta unión es altamente cooperativa, por lo que al unirse la hormona al receptor, un segundo receptor que está cerca se une también formando el dímero. Hormona de crecimiento: monómero compacto de 4 hélices. Al unirse al receptor provoca el acercamiento de las proteínas asociadas al receptor que presentan la actividad tirosina quinasa (quinasas Janus 2 (JAK2)) y se forma un bucle de activación. 3. Bucle de activación: el dominio tirosina quinasa de una de las proteínas entra en el centro activo de la otra y se produce la autofosforilación cruzada (una fosforila a la otra y viceversa). De este modo queda la proteína JAK2 activada. 8 Grado de Medicina (UIB) – Comisión de Apuntes Asignatura: Bioquímica y Biología molecular II 4. JAK2 activa fosforilará a otras proteínas regulando la respuesta celular. Estas proteínas se unirán a JAK a través de los dominios SH2, que permiten la unión a residuos tirosina fosforilados. En el caso de la vía por la unión de la hormona de crecimiento: 5. JAK2 fosforila y activa (la mayoría): a. STAT5 (transductor de señales y activador de la transcripción): este factor de transcripción fosforilado se dimeriza y es capaz de translocar al núcleo y unirse de forma estable al elemento de respuesta (ADN), donde regula la transcripción de genes determinados. b. Receptor de la hormona de crecimiento: El receptor fosforilado sirve de unión para la JAK2, y también se pueden unir otras proteínas, ya que JAK2 tiene dominios SH2, por lo que el receptor participa en otras vías de señalización. Receptores con actividad tirosina quinasa (RTK) Estos receptores son igual que los anteriores, solo que su actividad tirosina quinasa es intrínseca y no porque tenga proteínas tirosina quinasa asociadas. Igual que antes, 2 moléculas receptoras idénticas se unen a una sola molécula señal y se pueden presentar como monómeros que se activan por dimerización (EGF), o como dímeros que se activan con la unión del ligando (Insr - receptor de insulina). Ejemplo del receptor de crecimiento epidérmico (EGF): 1. El receptor está en forma de monómero. 2. Llega UNA señal (ej. factor de crecimiento) y se une al receptor RTK. 3. La unión ligando-receptor hace que los receptores se acerquen y dimericen. Esto conlleva el acercamiento de los dominios catalíticos, lo cual conduce a la fosforilación cruzada de los residuos tirosina en los dominios tirosina quinasa (autofosforilación). 4. La autofosforilación tiene lugar en diferentes sitios, lo que permite la unión de diferentes proteínas que forman complejos de transducción de señales implicados en diferentes vías. 9 Grado de Medicina (UIB) – Comisión de Apuntes Asignatura: Bioquímica y Biología molecular II Receptor asociado a proteína Ras: vía de las MAP quinasas: 1. Al receptor autofosforilado se unen proteínas con 1 o más dominios SH2 (Src homology 2), como la Grb2, que serán activadas (o inactivadas) o fosforiladas por el mismo receptor. Cabe señalar que los dominios SH2 son capaces de unirse a tirosinas fosforiladas, pero no a serinas ni treoninas fosforiladas. 2. Muchas proteínas con dominios SH2 presentan uno o más dominios SH3 que se unen a secuencias ricas en prolina. Por ejemplo, la proteína Grb2/Sem-5 se une a SOS formando un mediador de los efectos de la tirosina. 3. Esto activa a Ras, que es una proteína unida a la capa citosólica de la membrana mediante un anclaje lipídico - unida a un grupo farnesilo mediante su ectremo C-terminal. Es una proteína G monomérica o GTPasa pequeña, por lo que Ras en reposo está unida a GDP, que al activarse pasa a GTP, y Ras-GTP puede hidrolizar el GTP y pasar a su forma inactiva con GDP. Ras estimula el crecimiento y la diferenciación celular. 4. Ras interacciona con Raf y la activa. 5. Raf es una serin treonin quinasa (fosforila residuos serina (Ser) y treonina (Thr)). Raf fosforila y activa a Mek, que tiene 2 residuos Ser. 6. Mek es una serin treonin quinasa y una tirosina quinasa. Gracias a que tiene estas dos actividades, es capaz de fosforilar y activar a la proteína MAPK (mitogen-activated protein kinases, como ERK), ya que la MAPK se fosforila en residuos de tirosina y treonina. 7. MAPK activa se dirige al núcleo y fosforila otros factores de transcripción como Myc, Fos y Jun. 8. Estos factores de transcripción fosforilados modulan la expresión génica promoviendo la expresión de genes implicados en el crecimiento y diferenciación celular. INHIBICIÓN de la vía de las MAP quinasas: ● ● Desfosforilación de las tirosinas del receptor llevada a cabo por enzimas tirosina fosfatasas. De esta forma ya no se puede dar la unión Grb2-Sos y Sos no podrá activar Ras. Inhibidores de Ras, que son las GAPs, que aceleran la hidrólisis de GTP. Ras es una proteína G y, por tanto, tiene actividad GTPasa, por lo que ella misma puede hidrolizar el GTP, pero de manera espontánea es mucho más lento que con las GAPs (el proceso se acelera 100 veces aprox.) Receptor de la insulina (RTK) El receptor de insulina es una glicoproteína transmembrana presente en casi todas las células, sobre todo adipocitos y hepatocitos (en los tejidos metabólicamente más activos). Este receptor se caracteriza porque en su 10 Grado de Medicina (UIB) – Comisión de Apuntes Asignatura: Bioquímica y Biología molecular II estado libre (inactivo) es un dímero en lugar de un monómero. Además, está formado por dos subunidades α y dos β. Las subunidades α son extracelulares y es donde se une la insulina. Las subunidades β son transmembrana y tienen actividad tirosina quinasa en el lado citosólico. Asimismo, el dominio extracelular se encuentra unido por puentes disulfuro a la subunidad ß, a su vez, los dos monómeros están unidos entre ellos por un puente disulfuro. Funcionamiento: 1. La insulina se une a las subunidades α del receptor 2. Los residuos tirosina de las subunidades β se autofosforilan por fosforilación cruzada. Esto activa y aumenta la actividad de las tirosina quinasa, que se encuentran en el extremo carboxilo. 3. En este caso, el receptor no se une a proteínas con dominios SH2, sino que se reclutan otras proteínas que serán susceptibles de ser fosforiladas por el mismo receptor, el ejemplo más importante es el sustrato 1 del receptor de la insulina (IRS-1), este sí se podrá unir a una proteína con dominio SH2. IRS-1 es necesario para llevar a cabo muchas de las funciones biológicas en las que está implicada la insulina. Además, entre las dianas de IRS-1 se encuentran quinasas que participan en cascadas de fosforilación que llegan a modular la actividad de enzimas del metabolismo del glucógeno y de los ácidos grasos. La señalización de la insulina es una de las rutas más importantes de todo el metabolismo, es capaz de activar muchos procesos, los tres más importantes serían los siguientes: ● VÍA AKT, también llamada PBK: 1. IRS-1 se une al receptor fosforilado (pasos 1 y 2 anteriores). 2. IRS-1 se fosforila en sus residuos de tirosina. 3. IRS-1 fosforilado activa la quinasa formadora de PIP3. 4. La quinasa formadora de PIP3 fosforila a PIP2, convirtiéndolo en PIP3. 5. PIP3 se une y activa a PDK1, que es una proteína quinasa dependiente de PIP3. 6. PDK1 fosforila y activa residuos de serina de AKT. 7. AKT puede difundir y seguir con la vía de transducción de señales promoviendo la glucogenogénesis, lipogénesis, la translocación de GLUT4 a la membrana, etc. La AKT y esta es capaz de ejercer diferentes acciones activando la vía mTOR, por lo tanto activando la vía de síntesis de proteínas, es capaz de inhibir FOXO inhibiendo así la adipogénesis, es capaz de inhibir la GSK3 inhibiendo la síntesis de glucógeno e inhibe procesos como la apoptosis por inhibición de la caspasa 9. ● Por otra parte, la unión de la insulina a su receptor puede estar implicada en activar la proteína quinasa C, ya que presenta dominios SH2. La PKC estará implicada en la translocación de los transportadores de glucosa GLUT-4 hasta la membrana, con lo que se podrá aumentar la captación de glucosa. 11 Grado de Medicina (UIB) – Comisión de Apuntes Asignatura: Bioquímica y Biología molecular II ● La insulina también es capaz de activar la vía de las MAP quinasas mediante la interacción de IRS-1 con Grb2 y SOS. IRS-1 fosforilado puede interaccionar con proteínas con dominios SH2. Entonces, IRS-1 se une por el grupo tirosina fosforilado a Grb2, que se une a SOS. La proteína Shc también es capaz de activar Grb2 y por lo tanto SOS. INHIBICIÓN de la vía (por desfosforilación): ● ● ● Proteínas tirosina fosfatasa: desfosforilan a los receptores. Lípidofosfatasa: desfosforilan PIP3 y se obtiene PIP2 Proteínas serina fosfatasas: desfosforilan a la AKT Inciso: IRS-1 no tiene actividad enzimática, simplemente se encarga de reclutar a sus proteínas diana. Cabe destacar que GPCR Y RTK están muy relacionadas entre ellas, confluyendo por ejemplo en la activación de la fosfolipasa C. 12 Grado de Medicina (UIB) – Comisión de Apuntes Asignatura: Bioquímica y Biología molecular II 2.4 Receptores con actividad guanilato ciclasa: vía del GMPc y del óxido nítrico El GMPc actúa como segundo mensajero y regula la actividad de proteínas quinasas específicas y también es capaz de fijar y regular de forma directa canales iónicos de las células de los bastones del ojo (canales de Na+). Su síntesis está catalizada por 2 tipos de guanilato ciclasa: Algunos de estos receptores pueden ser activados por un factor como el ANF y otros pueden ser activados por guanilil o endotoxinas. Los receptores de ANF se encuentran en. En cambio, los otros se encuentran en Forma transmembrana (a) Forma citosólica (b) Asociada a receptores con actividad guanilato ciclasa Soluble en su extremo C-terminal (intracelular) 2 subunidades idénticas con un dominio extracelular al que se une el ligando y uno intracelular con actividad guanilato ciclasa. Heterodímero (2 subunidades diferentes α y β) Tiene un grupo hemo (prostético) al que se le une el NO activando la guanilato ciclasa. Activada por unión al ligando (ej. factor atrial natriurético humano (ANF o ANP)) Activada por guanilin o endotoxinas Activada por óxido nítrico (NO) a través de un grupo hemo En las células de los tubos conectores del riñón o del epitelio vascular En las células del epitelio intestinal GUANILATO CICLASA TRANSMEMBRANA Factor atrial natriurético (ANF): este factor se libera por las células en la aurícula cardíaca cuando el corazón se estira por el aumento del volumen sanguíneo y es transportado a través de la sangre al riñón, músculo liso vascular, etc. Cabe señalar que el ANF también puede unirse a otro tipo de receptores sin actividad GC, pero vamos a ver en concreto los que se encuentran en las células del riñón y en el músculo liso. Sus efectos son el punto 4 y 5 de la siguiente enumeración. 13 Grado de Medicina (UIB) – Comisión de Apuntes Asignatura: Bioquímica y Biología molecular II Vía de los péptidos natriuréticos (GMPc y PKG) 1. Se une el ligando (ANF) al receptor transmembrana con actividad guanilato ciclasa y lo activa. 2. La guanilato ciclasa produce GMPc. 3. El GMPc activa la proteína quinasa G o descendiente de GMPc (PKG), fosfodiesterasas y canales iónicos de calcio. 4. El aumento de GMPc en el riñón, aumenta la excreción renal de Na+, ya que impide su entrada y promueve su excreción. Con la excreción de Na+ también sale H2O, por lo que el volumen sanguíneo disminuirá. 5. El aumento de GMPc en el músculo promueve la vasodilatación por relajación del músculo, aumenta el flujo sanguíneo y disminuye la presión arterial. GUANILATO CICLASA SOLUBLE ÓXIDO NÍTRICO (NO) ● ● ● ● ● ● Limitante de la vía del GMPc y del NO. Muy importante para mediar las interacciones celulares locales. Por ejemplo, controla la contractibilidad del epitelio vascular). Se puede formar de manera constitutiva o inducido por un estímulo. Sintetizado por la NO sintasa a partir de arginina y oxígeno. Síntesis de NO (activación de la NO sintasa): Cuando se libera acetilcolina, la unión de esta a sus receptores promueve la liberación de Ca2 +, que se une a calmodulina formando un complejo Ca/Calmodulina, que es un activador de la NO sintetasa. Puede difundir entre las membranas (suficientemente apolar), pero no puede viajar mucho porque su vida media es muy corta (segundos). En el corazón disminuye la fuerza de las contracciones mediada por la liberación de calcio. Vía del GMPc y del óxido nítrico 1. El NO se une al grupo prostético hemo de la guanilato ciclasa soluble y la activa. 2. Se produce GMPc. 3. GMPc activa a la PKG. Esto provoca una disminución del calcio asociado a la relajación muscular y dilatación de los vasos sanguíneos. Inactivación: ● ● Cuando deja de producirse NO Con la acción de una enzima que inhiba o degrade el GMPc (fosfodiesterasa específica de GMPc como la fosfodiesterasa 5, que es activada por insulina). 14 Grado de Medicina (UIB) – Comisión de Apuntes Asignatura: Bioquímica y Biología molecular II Fármacos implicados en esta vía: ● ● Viagra (sildenafilo): inhibe la fosfodiesterasa 5. Esto hace que haya más GMPc que produce la dilatación de los vasos sanguíneos haciendo que los cuerpos cavernosos se llenen de sangre, por lo que se produce la erección. Nitroglicerina o nitrovasodilatadores: se utilizan para aliviar la angina de pecho. Estos fármacos cuando se van degradando permiten un flujo constante de NO, que recordemos que duraba muy poco y activa la guanilato ciclasa. 2.5 Receptores acoplados a canales iónicos La unión de la señal al receptor provoca su apertura y esto permite el paso de iones. Después, cuando se va la señal el receptor se cierra. Tipos de canales iónicos: ● ● Canales de cationes (Na+, K + y Ca 2 +): receptores de acetilcolina, serotonina o glutamato. Estos se consideran canales excitatorios. Canales de aniones (Cl-): receptores de glicina o de ácido y-aminobutírico (GABA). Estos se consideran canales inhibitorios. Hay enfermedades asociadas a defectos en este tipo de receptores, como la miastenia gravis, que genera anticuerpos contra el receptor de acetilcolina. Por otra parte, defectos en el receptor GABA están asociados a epilepsia o alteraciones neurológicas. Fármacos implicados en esta vía: ● Benzodiazepinas: moduladores alostéricos del receptor GABA. Tiene efectos sedantes y ansiolíticos. 3. Señalización mediada por receptores hormonales intra-celulares: superfamilia de receptores nucleares Las hormonas liposolubles y pequeñas que pueden atravesar la membrana, es decir, esteroides y las hormonas relacionadas (tiroideas, vitamina D y hormonas del ácido retinoico), actúan a través de receptores intracelulares. Los efectos producidos a nivel de receptores intracelulares suelen ser de mayor duración que los mediados por receptores de membrana, ya que afectan a la expresión génica y son cambios a largo plazo. En cambio, los efectos mediados por receptores de membrana suelen ser de corta duración, ya que comportan normalmente activación/inhibición de enzimas. Estructura. Estos receptores tienen los siguientes dominios: ● Dominio de activación transcripcional (N-terminal). Este interacciona con la maquinaria transcripcional o con cofactores que interaccionen con la maquinaria transcripcional. 15 Grado de Medicina (UIB) – Comisión de Apuntes ● ● Asignatura: Bioquímica y Biología molecular II Dominio de unión al ADN. Este presenta átomos de Zinc. Además, hay muchos aminoácidos de cisteína colocados en una estructura específica similar a los dedos de Zinc. Los dedos de Zinc es un dominio que presenta bastantes factores de transcripción para unirse al ADN. Dominio de unión hormonal (C-terminal). Este permite la dimerización de receptores y promueve la regulación transcripcional. Mecanismo: 1. La molécula señal atraviesa la bicapa lipídica entrando en la célula. 2. La hormona se une al receptor intracelular específico (factores de transcripción específicos pertenecientes a la superfamilia de receptores nucleares). 3. El complejo hormona-receptor va al núcleo. 4. En el núcleo se une a elementos de respuesta a hormonas (HRE), que son secuencias de ADN específicas, alterándose la transcripción génica. Mecanismo de acción de la vitamina A en la expresión génica. Un ejemplo de receptores intracelulares son los receptores de los retinoides (RXR, RAR). Los retinoides provienen de la vitamina A o ß-caroteno que comemos. El ß-caroteno se hidroliza produciendo 2 moléculas de all-trans-retinal. Este aldehído puede oxidarse y dar lugar al all-trans-retinoic acid (ácido retinoico todo trans), que será la señal hormonal que se unirá a estos receptores. Además, la vitamina A mediante 2 oxidaciones, puede dar lugar a la misma señal hormonal, que se puede unir a los RAR o RXR. Su efecto será regular la expresión génica, concretamente, estimulan la diferenciación y determinación celular y están implicados en el metabolismo del tejido adiposo. Hay 2 tipos de receptores a los que se une el ácido retinoico, el cual se puede presentar en dos conformaciones denominadas AR todo-trans y AR 9-cis : ● ● RAR (receptores del ácido retinoico): existen 3 tipos (α, β y γ). Se une AR todo-trans y 9-cis. RXR (receptores X de retinoides): existen 3 tipos (α, β y γ). Se une AR 9-cis. Además, en función del tipo de tejido tienen diferentes isoformas. Por otra parte, el RAR puede dimerizar con RXR y RXR puede dimerizar con él mismo. Entonces, al ser un dímero pueden unirse a los elementos de respuesta específicos, en este caso a los elementos de respuesta al AR (RARE), que 16 Grado de Medicina (UIB) – Comisión de Apuntes Asignatura: Bioquímica y Biología molecular II tiene una secuencia de nucleótidos específica. Cuando los dímeros se unen a sus HRE y no tienen el AR, inhiben la expresión del gen diana. En cambio, si van unidos a AR, promueven la expresión génica. No solo los receptores intracelulares están implicados en la regulación de la expresión génica. Es posible que se produzca la modulación de la expresión génica como resultado de la unión de una señal a: ● ● Receptores acoplados a proteínas G que aumentan los niveles de AMPc (vía de la PKA). Receptores asociados a proteínas Ras (vía de las MAP quinasas). ○ Ambas vías están explicadas antes (pág. 3 y 10) Resumen de los sistemas de transducción de señales eucarióticos (lo ha pasado por encima) 1. 2. 4. 5. Receptores acoplados a proteínas G: Vía de la adenilato ciclasa Receptores con actividad guanilato ciclasa Receptores acoplados a proteínas G: Vía de los fosfoinosítidos (PLC) Receptores acoplados o con actividad tirosina quinasa 17 Grado de Medicina (UIB) – Comisión de Apuntes Asignatura: Bioquímica y Biología molecular II 4. Importancia fisiopatológica y farmacológica de los sistemas de transducción de señales Muchas situaciones patológicas se derivan de un funcionamiento alterado (excesivo o disminuido) de las vías de transducción de señales. Por tanto, muchos fármacos están asociados a estas vías y actúan modulando cascadas de señalización, como por ejemplo las benzodiazepinas, que regulan los receptores GABA.El estudio de estas vías sirve para poder identificar una enfermedad y para poder diseñar fármacos que se dirijan a ese fallo en la vía de transducción de señales. Las patologías generadas por alteración de las vías de señalización pueden producirse por: ● ● Cambios en los niveles de mensajeros, sobre todo de 1r mensajero (ligando/señal). Alteración en el número y/o funcionalidad de los receptores o de los componentes de la cascada de señalización. Ejemplos de patologías: cáncer, diabetes, enfermedades cardiovasculares, neurodegenerativas, inflamatorias, etc. Ejemplo del cáncer. En esta enfermedad encontramos: ● ● Una señalización constitutiva de las moléculas que regulan positivamente las vías de transducción que promueven la diferenciación y proliferación. Una pérdida de moléculas reguladoras negativas de las cascadas de señalización: puede haber una mutación que haga que la molécula reguladora desaparezca o no sea funcional. La proliferación celular está estrictamente controlada por unos genes conocidos como protooncogenes. Una alteración o mutación en uno solo de estos genes llevará a que estos genes que normalmente se activan y en seguida se inactivan se queden permanentemente activos. RESULTADO: rutas de señalización constitutivamente activas que dan órdenes continuas de proliferación celular sin posibilidad de control externo Ejemplo de la diabetes En la diabetes tipo I, el páncreas deja de producir insulina, por lo que la cascada de señalización de la insulina estaría afectada por la falta de primer mensajero o ligando. Por otra parte, en la diabetes tipo II encontramos una resistencia a la insulina, por lo que la vía estaría afectada por una alteración en los receptores de insulina. Dianas de fármacos Los fármacos usan distintas estrategias: ● Modulación exógena de los niveles de mensajero (ej. insulina y aspirina) ○ Falta de una determinada señal → insulina ○ Exceso de determinadas señales, como las proinflamatorias (prostaglandinas o derivados del ácido araquidónico) → Aspirina o inhibidores de ciclooxigenasas de nueva generación inhiben la liberación excesiva de estos mensajeros. 18 Grado de Medicina (UIB) – Comisión de Apuntes ● ● ● Asignatura: Bioquímica y Biología molecular II Unión de compuestos químicos a los receptores: agonistas/antagonistas. ○ Agonistas: activan la vía. Ejemplos (todos son receptores asociados a prots G): ■ Agonistas de receptores ß-2-adrenérgicos → broncodilatadores (activan la dilatación de las células endoteliales). ■ Agonistas de receptores de opiáceos (morfina) → analgésicos (inhiben la señalización de la vía del dolor). ○ Antagonistas: inhiben la vía impidiendo que la señal se una. Ejemplo (receptor asociado a prot G): ■ Antagonistas ß-1-adrenérgicos → tratamiento de la hipertensión Control de la desaparición de segundos mensajeros: ○ Ej. Inhibidores de las fosfodiesterasas (Sildenafil - viagra) (pg.14) Modulación de la actividad de quinasas/fosfatasas: ○ Activador de la AMP quinasa (ej. metformina) → efectos antihiperglucémicos (reduce la síntesis de glucógeno endógena) ○ Inhibidor de fosfatasa modulada por calcio, como la ciclosporina (calcineurina) → inmunosupresores (se receta en trasplantes). ○ Inhibidores de tirosinas quinasas (asociadas a receptores de factores de crecimiento) → tratamiento del cáncer (Glivec, imatinib mesilato) 19

Tema 3. Vías de Transducción de Señales PDF

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