Apuntes de Bioquímica, Parcial 2 PDF

Tema 16: Señalización celular. La célula reconoce su entorno a través de señales que la permiten responder de manera adecuada. Esto es lo que se conoce como SEÑALIZACIÓN CELULAR. Componentes de un sistema de señalización celular: A.- CELULA EMISORA: libera una señal química al exterior celular. B...

Tema 16: Señalización celular. La célula reconoce su entorno a través de señales que la permiten responder de manera adecuada. Esto es lo que se conoce como SEÑALIZACIÓN CELULAR. Componentes de un sistema de señalización celular: A.- CELULA EMISORA: libera una señal química al exterior celular. B.- SEÑAL O LIGANDO: señal química que va de una célula emisora a otra receptora. En ocasiones se denominan, primer mensajero. C.- CELULA DIANA, célula receptora a la que se une la señal o ligando. D.- RECEPTOR, molécula de la célula diana a la que se une específicamente un ligando y que transforma la señal extracelular que le llega en una nueva señal intracelular (segundos mensajeros), mediante un mecanismo conocido como TRANSDUCCIÓN DE SEÑALES. E.- ENZIMAS EFECTORAS INTRACELULARES- herramientas para la transducción de la señal que permiten que haya una respuesta celular concreta: activación/inhibición de rutas metabólicas, división celular, etc. Componentes del sistema de transducción de señales: ligando-receptor- segundos mensajeros-moléculas efectoras. - Especificidad: complementariedad molecular mediante uniones no covalentes entre las moléculas señal y el receptor. - Integración: capacidad de un sistema para recibir múltiples señales y producir una respuesta unificada adecuada a las necesidades de la célula. La respuesta celular depende de: la presencia del receptor; la concentración de la molécula señal; el tipo de célula; y el entrecruzamiento de señales. La señal puede viajar desde el punto en el que se genera hacia cualquier punto del citosol gracias a los segundos mensajeros o incluso a algunas enzimas efectoras que se pueden desplazar. - Amplificación de la señal: el número de proteínas activadas en cada paso de la cadena crece exponencialmente, tal que obtenemos varias unidades de producto, partiendo de una unidad de inductor. - Divergencia de la señal: cada segundo mensajero o enzima efectora tiene varias enzimas diana, tal que simultáneamente se van a iniciar distintos procesos celulares. - Retrocontrol negativo: cada cadena activa a su vez los mecanismos que frenan la transmisión de la señal (fosfatasas, fosfodiesterasas).  TIPO DE SEÑALIZACIÓN EN FUNCIÓN DE LA DISTANCIA ENTRE LA CÉLULA EMISORA Y RECEPTORA *Ligando *Tipos de receptores Los receptores pueden clasificarse en seis clases básicas según su estructura y mecanismo de acción: receptores acoplados a proteína G (GPCR), receptores con actividad enzimática o que activan a enzimas, y receptores intracelulares. La unión del ligando al receptor induce un cambio de conformación de éste, lo cual favorece que se una y se active el denominado efector, que puede ser un canal o una enzima y que es la molécula que inicia la señalización. En ocasiones el efector es el mismo del receptor. *Segundos mensajeros La unión del ligando al receptor induce en éste un cambio conformacional que favorece la formación de un segundo mensajero, que son: - pequeñas moléculas (iones, nucleótidos cíclicos o lípidos de membrana) que transmiten una señal o mensaje, generalmente desde el receptor hacia enzimas efectoras o canales. - numerosas por cada ligando que se une a su receptor = amplificación de la señal. - pueden difundir libremente hacia otros compartimentos celulares.  SEÑALIZACIÓN A PARTIR DE RECEPTORES INTRACELULARES Los ligandos de estos receptores viajan en sangre unidos a proteínas debido a su carácter hidrofóbico. Atraviesan por difusión simple la membrana plasmática y se unen a sus receptores intracelulares. La gran mayoría de receptores intracelulares (citosólicos o nucleares) son FACTORES DE TRANSCRIPCIÓN, proteínas capaces de unirse a una región concreta del DNA, denominada ELEMENTO DE RESPUESTA A LA HORMONA (HRE) y regular la tasa de transcripción génica (excepción*). Los efectos de este tipo de señalización pueden tardar en manifestarse horas o días. **El óxido nítrico es un gas lipofílico, capaz de difundir a través de las células y unirse a su receptor citosólico, un guanilato ciclasa soluble, que genera GMPc.  RECEPTORES IONOTRÓPICOS Estos receptores son a la vez canales de iones, es decir: canales dependientes de ligando. Participan en la transducción de señales de células sensibles a impulsos eléctricos, que requieren una respuesta extremadamente rápida (msg) y sus ligandos son mayoritariamente neurotransmisores. Los canales iónicos son proteínas transmembrana formadas por 4-6 dominios, iguales o distintos, que están formados a su vez por varias α-hélices. Los dominios se disponen de forma concéntrica alrededor de un poro, que en situación de reposo está cerrado. La unión del ligando al receptor induce un cambio de conformación que abre el canal permitiendo la entrada de un ion a favor de su gradiente químico y/o electroquímico. P.ej.: Receptor nicotínico de acetilcolina, entrada de sodio, despolarización de la membrana. Los canales se clasifican en función del ion para el que son permeables, fundamentalmente: Na+, K+, y Ca2+para neurotransmisores excitatorios (serotonina, acetilcolina, glutamato, etc). el anión Cl- para neurotransmisores inhibitorios (GABA, Gly). Inducen cambios en el potencial de membrana. RECEPTORES DE MEMBRANA ACOPLADOS A PROTEÍNAS G (GPCRs) Elevada relevancia fisiológica y farmacológica: ≈3,5% del genoma humano y en torno a la mitad de las terapias actuales van dirigidas a estos receptores. Con amplia variedad de ligandos que regulan numerosas funciones: visión, gusto, olfato, contracción cardíaca, metabolismo, etc. Estructura: Proteína monomérica con 7 dominios transmembranales alfa- hélice [serpentine receptors, G protein–coupled receptors (GPCR), or 7 transmembrane segment (7tm) receptors] - Dominio extracelular N-terminal: unión del ligado - Dominio intracelular: sitio de unión a proteínas G y residuos de inactivación. *Proteínas G Las proteínas G acopladas a estos receptores son heterotriméricas con tres subunidades (alfa, beta y gamma) en la cara citosólica de la membrana. Existen 16 subunidades de tipo α, 5 de tipo β y 11 de tipo γ, que se pueden unir hasta formar cientos de combinaciones distintas, lo que les permite interaccionar con un número muy amplio de receptores y efectores. En función del tipo de subunidad alfa, se distinguen las siguientes subfamilias: Alfa s: activa la adenilato ciclasa, la cual pasa el ATP a cAMP, el cAMP se une a las subunidades reguladoras de la proteína quinasa A, que se separarán de las subunidades catalíticas que fosforilarán las proteínas con Ser o Thr. La P.G que posea el alfa tipo i, se unirá a GTP e inhibirá la adenilato ciclasa. RECEPTORES UNIDOS A PROTEÍNAS Gs Y Gi  RECEPTORES UNIDOS A PROTEÍNAS GQ-VÍA DE ACTIVACIÓN DE FOSFOINOSÍTIDOS La subunidad alfa que se activa y se une a la fosfolipasa C, que activa el PlP2 que escinde el IP3 a diacilglicerol. El IP3 abre canales de Ca2+ al unirse a ellos. La calciocalbomulina se une al Ca2+ que activa quinasas que fosforila proteínas con Ser o Thr. El calcio promueve la actividad de la PKC que fosforila. Toxina del cólera inhibe la función GTPasa de la subunidad alfa. *Ejemplo de GPCR- Activación plaquetaria. Tema 17: Receptores con actividad tirosín quinasa Intrínseca (RTK) y no intrínseca *Receptores CON actividad tirosin quinasa intrínseca Todos ellos poseen un dominio extracelular con capacidad de unión al ligando, un dominio transmembrana y un dominio citosólico con actividad tirosina quinasa. La mayor parte de receptores con actividad tirosina quinasa son monómeros, que dimerizan con la unión del ligando al receptor. Otros son un dímero en ausencia del ligando, por ejemplo, la insulina. A este grupo pertenecen numerosas hormonas y factores de crecimiento que regulan el metabolismo, la división, diferenciación celular y la apoptosis. La unión del ligando conlleva la autofosforilación cruzada de los residuos de tirosina por parte de cada centro catalítico del receptor. Las fosfotirosinas son reconocidas por determinadas proteínas efectoras a través de sus regiones de reconocimiento de fosfotirosinas PTB o SH2*. Ejemplos: Receptor de insulina, del factor de proliferación semejante a la insulina 1 (IGF-1), del factor de proliferación fibroblástico (FGF), del factor de proliferación derivado de plaquetas (PDGF), de crecimiento epidérmico (EGF), etc.  PROTEÍNAS DE ANCLAJE Y DOMINIOS DE RECONOCIMIENTO - Dominio SH2 (Scr-Homology type 2). Reconoce residuos de fosfotirosina (PY) y tiene una secuencia muy conservada de ≈ 100 aa. - Dominio SH3 (Scr-Homology type 3). Reconoce dominios ricos en prolina, o dominios PPP (9-10 residuos de Pro). - Dominio PTB (Phosphotyrosine Binding Domain). Reconoce dominios NPXpY (Asn-Pro-X-pTyr) cercanos al extremo N-terminal. - Dominio PH (Pleckstrin Homology). Reconoce y se une a ciertos fosfoinositoles de membrana. - Dominio WD40. ≈40 aa terminado en triptófano-aspártico (WD) que suele aparecer repetido +4 veces formando estructuras en forma de hélice. - Proteínas de andamiaje (scaffold proteins). Proteínas grandes, multivalentes y que presentan más de dos o tres dominios de reconocimiento (varios son WD40), lo que permite que varias proteínas se coloquen en la secuencia adecuada para llevar a cabo la señalización. FACTORES DE CRECIMIENTO-VÍA DE LAS MAPK Receptores de INSULINA  Regulación por retrocontrol negativo ***Numerosas patologías como el cáncer, la diabetes, enfermedades inflamatorias, enfermedades cardiovasculares, etc., son consecuencia de alteraciones en las rutas de señalización. Ya sea por defectos funcionales del receptor o de las proteínas efectoras implicadas en la ruta, de cambios en los sistemas de regulación negativa que se encargan de terminar la señal o una mezcla de todos estos motivos.  RECEPTORES SIN ACTIVIDAD TIROSIN QUINASA INTRÍNSECA: VIA JAK-STAT Tema 18 y 19: Termoquímica y ATP BIOENERGÉTICA: rama de la bioquímica que trata la transferencia y utilización de la energía en los sistemas biológicos. METABOLISMO: Conjunto de todas las reacciones que tienen lugar en las células para: - Las reacciones celulares forman parte de las rutas metabólicas, una serie de reacciones encadenadas e interdependientes. - La degradación de sustancias exógenas (nutrientes) a sus productos constituyentes (metabolitos intermediarios).  - La obtención de energía química a partir de las moléculas combustibles. - El ensamblaje de los productos de degradación (metabolitos intermediarios) para formar moléculas propias. - La síntesis y degradación de moléculas especializadas. ETAPAS DE CATABOLISMO 1. Las grandes moléculas se degradan hasta unidades más pequeñas. Digestión. Otros, p.ej.: Glucogenólisis 2. Estas moléculas más pequeñas se degradan hasta intermediarios metabólicos. Importante, Acetil CoA. 3. Se produce ATP a partir de la oxidación completa del fragmento acetilo del acetil- CoA y NADH, FADH2. ETAPAS DEL ANABOLISMO 1. Ciclo de Krebs como nexo de unión entre catabolismo y anabolismo=anfibólica 2. Transformación de los metabolitos intermediarios a moléculas sillares. Síntesis de ácidos grasos, gluconeogénesis, síntesis de aminoácidos. 3. Biosíntesis de macromoléculas a partir de moléculas sillares. Biosíntesis de proteínas, glucógeno, etc.  Aplicaciones de los principios de la termodinámica a los procesos bioquímicos - Termodinámica: conjunto de leyes fundamentales que gobiernan las transformaciones energéticas de la materia y por lo tanto también rigen para los seres vivos. - Primer principio de la termodinámica: Principio de conservación de la energía. La energía no se crea, ni se destruye, solo se transforma. - Segundo principio de la termodinámica: un proceso tiene lugar espontáneamente si aumenta la suma de las entropías del sistema y de su entorno. Entalpía, Entropía y Energía libre de Gibbs.  PROPIEDADES TERMODINÁMICAS DE LAS REACCIONES *PROPIEDADES TERMODINÁMICAS DE LAS REACCIONES - Que una reacción tenga o no lugar espontáneamente viene determinado por la diferencia de energía libre o energía libre de Gibbs (G) entre los productos y sustratos. - Esta energía libre de Gibbs es diferente de la energía de activación, que es la necesaria para iniciar la conversión de los sustratos en productos y que determina la velocidad de una reacción. Las enzimas actúan sobre la energía de activación, no sobre la energía libre. Si una reacción no es espontánea, las enzimas no hacen que lo sea. G no proporciona ninguna información sobre la velocidad de una reacción. Cuando una reacción tiene un valor positivo de energía libre estándar, se puede contrarrestar para que sea exergónica: El ΔG real depende de la naturaleza de los reactivos (ΔG○) y de sus concentraciones. *Cuanto más lejos se sitúan los sistemas de su estado de equilibrio, más irreversible es la reacción. Reacciones cercanas a su punto de equilibrio son fácilmente reversibles. PROPIEDAD ADITIVA DE LA ENERGÍA LIBRE: El incremento de energía libre total para una serie de reacciones acopladas es igual a la suma de los cambios de energía libre de las etapas individuales. Gracias a ello, las reacciones intrínsecamente desfavorables (endergónicas) pueden hacerse favorables acoplándolas a reacciones exergónicas: ACOPLAMIENTO DE REACCIONES: ENERGÍA LIBRE DE TRANSFERENCIA DE GRUPOS FOSFATO. Los compuestos que frecuentemente se acoplan para impulsar reacciones endergónicas se conocen como INTERMEDIARIOS DE ALTA ENERGÍA. - Liberan la energía mediante hidrólisis y transferencia de grupo (rotura enlace rico en energía). - Transfieren la energía en una sola reacción. lanzaderas de energía Los compuestos ricos en energía están ligados a la transferencia de un determinado grupo, y por lo tanto, se pueden clasificar en función del grupo que se transfiere: Potencial de transferencia de fosfato: Capacidad de un compuesto para ceder “el grupo” a otra sustancia. Se mide por la energía libre estándar desprendida en la hidrólisis del enlace de alta energía.  Intermediarios de alta energía: sistema de ATP/ADP - ATP (Adenosín-5'-trifosfato o Trifosfato de adenosina. Coenzima no vitamínica: transferencia de grupos fosfato de las quinasas): Nexo entre procesos dadores de energía y procesos biológicos consumidores de energía ONDA SUPONE LA SEÑAL DE UN ENLACE DE ALTA ENERGÍA Cuanto más alejadas del equilibrio se encuentre la reacción, mayor será la energía liberada para alcanzarla. Las células mantienen la proporción de ATP superior a la de ADP. SINTETIZAMOS ATP PARA QUE SEA MÁS EXERGÓNICA AL HIDROLIZARSE Cuatro cargas negativas tan próximas= repulsiones electroestáticas. Impedimento estérico entre los átomos contiguos de oxígeno. Enlaces fosfoanhidro que dificultan las formas resonantes. INTERMEDIARIOS DE ALTA ENERGÍA: TRANSFERENCIA DE GRUPOS ACILO Existen más intermediarios de alta energía que el ATP, pero la evolución ha creado una serie de enzimas que se unen preferentemente al ATP y han hecho de esta molécula el nucleótido más abundante. El enlace tioester, que se forma entre un ácido carboxílico y un tiol (SH), es un enlace de alta energía. La energía de hidrólisis de estos compuestos se debe a que el enlace tioéster impide totalmente la resonancia. Por ejemplo: el tiol de la coenzima A (abreviada CoA- SH). OBTENCIÓN DE ATP Las células intercambian la energía liberada en la ruptura del ATP para llevar a cabo funciones esenciales, a veces convirtiendo la energía química en otros tipos de energía (mecánica, eléctrica, de transporte). A. FOSFORILACIÓN A NIVEL DE SUSTRATO. La ruptura de un compuesto de alto contenido energético puede impulsar la síntesis de ATP a partir de ADP y Pi. B. FOSFORILACIÓN OXIDATIVA.  Tema 20: Cadena de transporte de electrones y Fosforilación oxidativa CADENA DE TRANSPORTE DE ELECTRONES O RESPIRATORIA Esta OXIDACIÓN GRADUAL: - Evita el daño celular - Mayor rendimiento energético Gradiente de protones: Proceso muy exergónico acoplado a la síntesis de ATP. Cadena de electrones 1. C.I: FMN Y Fe-S que se reducen gracias al e- de la oxidación de NADH (la ubiquinona o CoQ (Deshidrogenasa) toma los e-). 2. C.II: FAD, Fe-s que se reducen gracias al e- de la oxidación de succinato a fumarato (FADH2) (la ubiquinona o CoQ (Deshidrogenasa) toma los e-). 3. C.III: Citocromos B y C1 se reducen gracias a los e- cedidos por la ubiquinona. 4. C.IV: CITOCROMO A, A3 Y Cu, se reducen gracias a los E- de la oxidación del citocromo c (este cede los e-). - Complejo I y II catalizan la transferencia de electrones a la ubiquinona a partir de NADH (I) y succinato (II). - Complejo III transporta electrones desde la ubiquinona reducida al citocromo c. - Complejo IV completa la secuencia transmitiendo electrones desde el citocromo c al O2 - Complejo I, III y IV bombean protones al espacio intermembranal. El potencial de reducción del del complejo II y la CoQ es similar, por lo que no se desprende energía suficiente para realizar el bombeo de protones. FLAVINAS: - FAD (Dinucleotido de flavina y adenina) - FMN (Flavín mononucleótido) Derivado de la vitamina B2- Riboflavina: Acepta dos átomos de hidrógeno, es decir, dos electrones y dos protones. PIRIDINAS: - NAD: Dinucleótidos de nicotinamida y adenina - NADP: Dinucleótidos fosfato de nicotinamida y adenina Derivado de la vitamina B3-Niacina o ácido nicotínico y nicotinamida: Acepta un ion hidruro (:H-), es decir dos electrones y un protón. NAD: participa en procesos de oxidorreducción y el 60-80% se encuentra en la mitocondria. NADP: participa en reacciones de síntesis y el 70% se encuentra en el citosol. TRANSFERENCIA DE ELECTRONES: Flujo de electrones desde el nadh y fadh2 hasta el oxígeno molecular Reducción parcial por FUGA DE ELECTRONES (el O2 se intercala en paso que no le corresponde en la cadena de electrones). La reducción incompleta del oxígeno genera especies reactivas de oxígeno (ROS): superóxido (O2– ), peróxido de hidrógeno (H2O2), radical hidroxilo (OH ). Las ROS ocasionan daño oxidativo en DNA, membranas y proteínas. Disponemos de enzimas que protegen frente al daño oxidativo de las ROS, como la enzima superóxido dismutasa (SOD), catalasa o glutatión peroxidasa. FOSFORILACIÓN OXIDATIVA: La producción de un gradiente de protones está conectada al flujo de electrones mediante los complejos I, III y IV. PROTEÍNA DESACOPLANTE- UCP1: UCP1 o termogenina- Proteína localizada en la membrana interna mitocondrial del tejido adiposo pardo. Canal de protones, que desacoplan la CTE con la síntesis de ATP. La energía se disipa entonces en forma de calor, en lo que se conoce como termogénesis. Importante en neonatos.  CICLO DE LOS ÁCIDOS TRICARBOXÍLICOS, DEL ÁCIDO CÍTRICO O DE KREBS Ruta metabólica localizada en la matriz mitocondrial y que forma parte de lo que se conoce como respiración celular, propia de los organismos aeróbicos. Oxidación: ORIGEN DEL GRUPO ACETILO: Los restos acetilo que son oxidados a CO2 en el ciclo de Krebs provienen de la glucosa, ácidos grasos y aminoácidos, entre otros. Es una ruta cíclica de ocho reacciones secuenciales que termina con la regeneración del compuesto de partida, el OXALACETATO. No emplea oxígeno en sus reacciones, pero requiere un metabolismo oxidativo en la mitocondria para reoxidar a las coenzimas reducidas y obtener energía. Producto utilizado para la cadena de transporte electrónico: Condensación de oxalacetato y acetilCoA en la primera reacción del ciclo, por la citrato sintasa. Reacción irreversible. 4 deshidrogenasas aportan poder reductor con el que obtener energía en forma de ATP durante el transporte de electrones-fosforilación oxidativa. Estas son: isocitrato DH, alfa cetoglutarato DH, succinato DH, malato DH. La reacción catalizada por la succinil CoA sintetasa genera un enlace fosfato de alta energía en forma de GTP (fosforilación a nivel de sustrato). Por cada acetil-CoA que entra en el ciclo de Krebs se generan 10 ATP: - 1 GTP= 1ATP - 3 NADH+H+ x 2,5= 7,5 ATP - 1 FADH2 x 1,5= 1,5 ATP REGULACIÓN DEL CICLO DE KREBS Como en la glicolisis, la regulación recae a nivel de entrada de combustible y sobre las reacciones clave dentro del ciclo. Este ciclo es sensible al estado energético de la célula. REACCIONES CATAPLERÓTICA Y ANAPLERÓTICAS