TEMA 10. Bioseñalización PDF

1.INTRODUCCIÓN -Células: Capacidad de recibir señales (información a través de proteínas de membrana) como consecuencia de los cambios que se producen a nivel intracelular o extracelular y elaborar respuestas. Detección de señales por receptores específicos. Transducción de señal: Conversión de...

1.INTRODUCCIÓN -Células: Capacidad de recibir señales (información a través de proteínas de membrana) como consecuencia de los cambios que se producen a nivel intracelular o extracelular y elaborar respuestas. Detección de señales por receptores específicos. Transducción de señal: Conversión de información en cambio químico Proceso: 1.Recepción de la señal por un ión de una molécula señalizadora (hormonas u otros) a receptores específicos. 2. Transducción de la señal: Transmisión de la señal de proteína a proteína multiplicándola → Amplificación de la señal. 3.Cada molécula produce cambios en la molécula siguiente → Última molécula activa las enzimas responsables de la respuesta celular. Hay varios tipos de señales recibidas del exterior a las cuales la célula puede reaccionar, realizando cambios en la función y composición, como por ejemplo una señal endocrina, paracrina, autocrina, sináptica, neuroendocrina, etc. SEÑALES -Hormonas, neurotransmisores y otros mensajeros primarios - Las células reciben señales del entorno más allá de la membrana plasmática -Estas señales provocan cambios en la composición y función de la célula. SEÑALIZACIÓN Y CÉLULAS DIANA 1 Células señalizadoras tienen la capacidad de reconocer las células diana por interacción de moléculas en sus superficies. Tipo de señalización: Endocrina: difusión de moléculas a través de la sangre hacia cualquier célula del cuerpo. Paracrina: Difusión local hacia células vecinas. Autocrina: Actúan sobre la misma célula que las libera. Sináptica: Difusión de neurotransmisores por sinapsis hacia células de los tejidos diana. Neuroendocrina: Neurohormonas difunden a través de la sangre hacia cualquier célula del cuerpo. 2.CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA TRANSDUCCIÓN DE SEÑALES Elevada sensibilidad Elevada afinidad Cooperatividad (a menudo, no siempre) Amplificación de la señal RECEPTORES: Proteína o complejo proteico soluble o unido a la membrana, que ejerce un efecto fisiológico (efecto intrínseco) después de unirse a su ligando natural. Los receptores se unen a ligandos específicos -Acoplados a proteínas G. El ligando se une al receptor activando una proteína GTP intracelular, que regula una enzima que genera un segundo mensajero intracelular - Receptores nucleares Receptores acoplados a proteínas G. Ejemplo: Receptor de epinefrina (adrenalina). Receptores ligados a enzimas. Ejemplo: Receptor de insulina Canales iónicos activados por ligandos. Ejemplo: Receptor de acetilcolina Otros receptores de membrana. Ejemplo: Receptores de adhesión (integrina) Receptores intracelulares Receptores de esteroides LIGANDOS Típicos ligandos: Iones pequeños: Ion férrico: receptor férrico bacteriano Moléculas orgánicas; Adrenalina: receptor de epinefrina Polisacáridos: Heparina: factor de crecimiento de fibroblastos Péptidos: Insulina: receptor de insulina Proteínas: Factor de crecimiento endotelial vascular HORMONAS -Sustancias producidas por células especializadas y liberadas para actuar sobre otras células (células diana) y modificar su actividad. → Integran y coordinan actividades metabólicas de los diferentes tejidos. - Integran y coordinan las actividades metabólicas de los diferentes tejidos. 2 A) Clasificación a la distancia a la que actúan Endocrina: Liberados en la sangre, actúan sobre objetivos lejanos. Paracrina: se libera en el espacio extracelular y actúa sobre objetivos cercanos. Autocrinos: actúan sobre la misma célula que los libera. B) Clasificación de acuerdo a la estructura PRINCIPALES SISTEMAS DE TRANSDUCCIÓN DE SEÑALES Características de procesos de transducción de señal: Especificidad, amplificación, modularidad, desensibilización/adaptación e integración (cooperación). Principales sistemas de transducción de señales (según los receptores): Receptores asociados a proteínas G, receptores tirosina quinasas (catalíticos), receptores con actividad guanilato-ciclasa, receptores ionotrópicos (canales iónicos), receptores nucleares y receptores de adhesión. 1.PROTEÍNA G Componentes del sistema de transducción de señal: -Receptor de membrana: Una proteína con 7 hélices a. -Proteína G: Proteína trimérica (3 subunidades: aßy) fijadora del nucleótido de guanosina o Forma activada: GTP unit. o Forma inactivada: GDP unit. Diamante de Diana Diamante: o Enzima: Cambio de la concentración de una o más moléculas señalizadoras intracelulares. 3 o Canal iónico unido a la m. plasmática: Cambio de la permeabilidad de la m. plasmática. Mecanismo: 1. Unión de una molécula señal extracelular a un GPCR → Cambio de conformación 2. Unión y cambio de conformación de una proteína G →Apertura de la subunidad a y posibilitación del cambio de GDP por GTP. 3. Separación de la subunidad a del receptor y del dímero ßy. 4. Subunidad a con GTP y dímero ßy regulan la actividad de otras moléculas señalizadoras. 5. Receptor sigue activo mientras la señal extracelular esté unida. Proteína Ras: Estructura principal compartida por todas las proteínas G → Uso como prototipo. EJEMPLO: EPINEFRINA -Receptor de epinefrina: receptor β-adrenérgico Receptores ß-adrenérgicos: Cadena polipeptídica con 7 hélix a que atraviesan la bicapa lipídica de la m. celular con un centro interno de unión de ligando (adrenalina). Adrenalina: o Síntesis y liberación en la glándula suprarrenal o Funciones: Regulación del metabolismo que produce energía en los músculos y el hígado (activación uso de glucógeno para producir glucosa) y el tejido adiposo (activación hidrólisis de lípidos). Neurotransmisor en neuronas adrenérgicas. Implicación en la respuesta al estrés: por movilización de energía (moléculas de glucosa a disposición de la célula). Aumento de la frecuencia cardiaca CARACTERÍSTICAS EPINEFRINA -Hormona producida en las glándulas suprarrenales (par de órganos en la parte superior de los riñones) 4 - Media la respuesta al estrés: movilización de energía o La unión a los receptores de las células musculares o hepáticas induce la descomposición del glucógeno o La unión a los receptores de las células adiposas induce la hidrólisis lipídica o La unión a los receptores de las células cardíacas aumenta la frecuencia cardíaca -Sirve también como neurotransmisor en las neuronas adrenérgicas. ANÁLOGOS DE LA EPINEFRINA Adrenalina o epinefrina se libera en la suprarrenal y regula el metabolismo energético, además de ser neurotransmisor en neuronas adrenérgicas. Implicada en respuesta de estrés. Moléculas parecidas son: - Agonistas: Se unen al mismo receptor y producen los mismos efectos que el ligando natural (el ligando natural y sus análogos estructurales son agonistas). - Antagonistas: Son análogos a los ligandos naturales, pero no desencadenan los mismos efectos, bloqueando el efecto normal del ligando natural y del agonista. Análogos de la adrenalina: ○ Agonistas: Moléculas que se unen al receptor y que producen los mismos efectos que el ligando natural → Isoproterenol ○ Antagonistas: Análogos a los ligandos naturales del receptor, pero que NO desencadenan los efectos del ligando natural (bloquean el efecto de los agonistas o del propio ligando) → Propanolol (con extrema afinidad por el receptor) Detección de la señal de epinefrina a través de un receptor acoplado a proteína G La misma molécula de adenilil ciclasa en la membrana plasmática puede estar regulada por una proteína G estimuladora (GS), como se muestra, o una proteína G inhibidora (Gi, no mostrada). GS y Gi están bajo la influencia de diferentes hormonas. Las hormonas que inducen la unión de GTP a Gi causan la inhibición de la adenilil ciclasa, lo que resulta en un [AMPc] celular más bajo. MECANISMO DE SEÑALIZACIÓN 1. Unión de la adrenalina al receptor → Cambio de conformación → Afectación en la interacción con la subunidad α de la proteína G. 2. Cambio de GDP unido a la subunidad α por GTP → activación de la subunidad. a. Subunidad α estimuladora: Estimula la adenilil ciclasa. b. Subunidad α inhibidora: Inhibe la adenilil ciclasa. 5 3. Subunidad α se separa de las subunidades βγ y se une a la adenilil ciclasa → activación. 4. Adenilil ciclasa empieza a sintetizar un segundo mensajero a partir de ATP → AMPc. 5. AMPc activa las proteínas quinasa A (PKA). 6. PKA fosforilen y activan las enzimas a las que está dirigida la señal → respuesta celular I. SÍNTESIS DE AMP CÍCLICO cAMP es un mensajero secundario -Activa alostéricamente la proteína quinasa A (PKA) dependiente de AMPc -La activación de la PKA conduce a la activación de las enzimas que producen glucosa a partir del glucógeno AMPc: Mensajero secundario que activa las PKA. Síntesis gracias a la adenilil ciclasa a partir de ATP: Eliminación de dos fosfatos y enlace entre carbonos 3' y 5'. Inactivación: Hidrólisis y transformación en AMP por la enzima nucleótida cíclica fosfodiesterasa. II. ACTIVACIÓN DE LAS PKA La proteína quinasa A (PKA) dependiente de AMP cíclico sin AMPc unido es inactiva: la enzima está en forma tetrámera, en la que las subunidades reguladoras R se unen a las subunidades catalíticas (R2C2). Cuando el [AMPc] aumenta, se une a las subunidades reguladoras, disociando el complejo R2C2, lo que da lugar a subunidades C activas que pueden fosforilar muchas enzimas (dependiendo del tipo de célula). PKA: Proteína tetramérica → Dos subunidades reguladoras y dos subunidades catalíticas. En ausencia de AMPc: Subunidades reguladoras unidas a las catalíticas → Inactiva. En presencia de AMPc: Unión a las subunidades reguladoras → Disociación del complejo → Centro catalítico de las subunidades catalíticas queda libre → Activación. Actuación: Fosforilación sobre serinas de diferentes enzimas (proteínas diana). III. AMPLIFICACIÓN DE SEÑAL EN LA CASCADA DE EPINEFRINA En respuesta a la epinefrina, el AMPc activa la descomposición del glucógeno y la glucólisis y proporciona el combustible necesario para la respuesta de lucha o huida. 6 Mecanismo en cascada de acción de la epinefrina. Al unirse a receptores de superficie específicos, la epinefrina actúa sobre un miocito activa una proteína de unión a GTP, Gas Active Ga, que desencadena un aumento de (cAMP), activando la PKA. Esto desencadena una cascada de fosforilaciones; La PKA activa la fosforilasa b quinasa, que luego activa la glucógeno fosforilasa. Estas cascadas provocan una gran amplificación de la señal inicial; las cifras en los recuadros rosas son ciertamente estimaciones bajas del aumento real en el número de moléculas en cada etapa de la cascada. La degradación resultante del glucógeno proporciona glucosa, que en el miocito puede suministrar ATP (a través de la glucólisis) para la contracción muscular y en el hepatocito se libera a la sangre para contrarrestar el nivel bajo de glucosa en sangre o La activación de unos pocos GPCR conduce a la activación de pocas enzimas adenilil ciclasa o Cada enzima adenilil ciclasa activa produce varias moléculas de AMPc, activando así varias enzimas PKA o Estos activan miles de enzimas que degradan el glucógeno en el tejido hepático o Al final, decenas de miles de moléculas de glucosa se liberan al torrente sanguíneo MECANISMO 1. Unión de 1 molécula de adrenalina → Activación de unas 10 moléculas de proteínas G (subunidades α). 2. Subunidades α → Activación de unas 200 moléculas de AMPc. 3. AMPc → Activación de 100 moléculas de PKA. 4. PKA → Activación de miles de enzimas diana → Producción/ liberación de cientos de miles de moléculas de glucosa. Autoinactivación en la señalización de proteínas G Adrenalina es una señal de actuación corta. Cuando termina la respuesta celular a la señal determinada → Mecanismos de desconexión (intrínsecos a todos los sistemas de señalización. Diferentes mecanismos: ○ Cuando la concentración de ligando/hormona (adrenalina) es inferior a la Kd, ella misma se disocia del receptor. ○ Eliminación del segundo mensajero: Hidrólisis de la AMPc en AMP. 7 ○ Autoinactivación: Subunidad α tiene actividad GTPasa intrínseca → hidrólisis de GTP a GDP → Forma inactiva. Si la señal persiste, desensibilización de GPCR. EL AMPc es capaz de mediar múltiples señales debido a la localización de la proteína quinasa a -La PKA se localiza en estructuras particulares mediante el anclaje de proteínas -Se expresan diferentes anclajes (AKAP) en diferentes tipos de células para determinar el efecto de AMPc -AKAP5 tiene sitios de unión para el receptor β-adrenérgico, la adenilil ciclasa, la PKA y una fosfoproteína fosfatasa (PP2A), reuniéndolas todas en el plano de la membrana. - Cuando la epinefrina se une al receptor β-adrenérgico, Gsα desencadena la adenilil ciclasa que produce AMPc, que llega a la PKA cercana rápidamente y con muy poca dilución. La PKA fosforila su proteína diana, alterando su actividad, hasta que la fosfoproteína fosfatasa elimina el grupo fosforilo y devuelve la proteína diana a su estado de prestímulo. Los AKAPs en este y otros casos provocan una alta concentración local de enzimas y segundos mensajeros, de modo que el circuito de señalización permanece altamente localizado, y la duración de la señal es limitada. cAMP ES UN MENSAJERO SECUNDARIO COMÚN -Un gran número de GPCR median sus efectos a través de cAMP ✓ Activan e inhiben la síntesis de cAMP - El genoma humano codifica alrededor de 1000 GPCR ✓ Con ligandos como hormonas, factores de crecimiento y neurotransmisores - También hay cientos de GPCR diferentes que pueden ser responsables de procesos similares ✓ Como el gusto o el olfato - Todavía no se han identificado los ligandos de muchos GPCR OTRAS FUNCIONES DEL AMPC -AMPc: segundo mensajero de diferentes tipos de señales y procesos. -Para que NO se confundan las diferentes señales e interfiera en procesos no requeridos en un cierto momento → Aglutinación de moléculas que intervienen en un mismo proceso en un lugar determinado de la célula. -Gracias a: Proteínas ancladoras. -Además: concentración elevada de AMPc cerca de donde se produce el proceso -> NO se dispersa. 2.LOS GPCR PUEDEN UTILIZAR OTRAS MOLÉCULAS MENSAJERAS SECUNDARIAS Trifosfato de inositol (IP3) y Ca2+ como segundos mensajeros -En el sistema fosfatidilinositol sensible a las hormonas se producen dos segundos mensajeros intracelulares: el inositol 1,4,5-trifosfato (IP3) y el diacilglicerol se escinden del fosfatidilinositol 4,5-bisfosfato (PIP2). Ambos contribuyen a la activación de la proteína quinasa C. 8 - Al aumentar el [Ca2+] citosólico, IP3 también activa otras enzimas dependientes de Ca2+, por lo que Ca2+ también actúa como un segundo mensajero. Proteínas G activan diferentes tipos de segundos mensajeros según el ligando. Ejemplo: inositol trifosfato (IP3) y Ca2+ 1. Unión de ligando al GPCR y activación de la subunidad a con cambio de GDP a GTP. 2. Subunidad a activa fosfolipasa C (PLC). 3. PLC rompe fosfatidilinositol difosfato en inositol trifosfato (IP3) y diacilglicerol. 4. IP3 se une a un receptor de la membrana del RE: canal de Ca2+ que se abre + salida del Ca2+ del RE. 5. Ca2+ se une al diacilglicerol y tanto este complejo como IP3 activan proteínas quinasa C (PKC). 6. PKC fosforilará proteínas para realizar una función El calcio modula la función de muchas enzimas a través de la calmodulina En varios tipos de células el aumento de la [Ca2+] desencadena respuestas como: exocitosis en neuronas, contracción muscular o reordenaciones del citoesqueleto. Llegada de impulso nervioso o de hormonas en estas células resulta en un aumento de la [Ca2+] (ya sea proveniente del retículo endoplasmático o del exterior de la célula a través de canales específicos de membrana) y éste aumento desemboca en una respuesta celular. El cambio en la [Ca2+] es detectado por la proteína calmodulina que al unir Ca2+ cambia de conformación y activa a la calmodulina quinasa (CaM quinasa), que fosforila a proteínas “diana” regulando sus actividades. I.RECEPTORES TIROSINA QUINASA -Receptores de la membrana plasmática con actividad proteína quinasa (fosforilación de proteínas) intrínseca →Actividad catalítica. -NO están unidos a ninguna proteína determinada. -Dos dominios: Cara extracelular: Dominio de unión en el ligando. Cara intracelular: Centro activo (dominio catalítico) con actividad quinasa (autofosforilación) + -Desprendimiento de autofosforilarse comienza a fosforilar otras proteínas en su aminoácido tirosina. 9 -Algunos dominios catalíticos pueden tener actividad guanilil ciclasa: conversión de GTP a GMPc como segundo mensaje. -Muchos receptores de membrana consisten en: Dominio de unión al ligando extracelular y de dominio catalítico intracelular -Los dominios catalíticos más comunes tienen la actividad tirosina quinasa Agrega un grupo fosfato a sí mismo; la autofosforilación conduce a un cambio conformacional que permite la unión y la fosforilación catalítica de proteínas diana específicas Añade un grupo fosfato a una tirosina en proteínas diana específicas EJEMPLO: INSULINA La insulina interactúa con la célula a través de un receptor tirosina quinasa La insulina es una hormona peptídica producida por las células de los islotes de Langerhans en el páncreas La insulina se produce y libera desde el páncreas en respuesta a nutrientes como la glucosa La insulina llega a las células diana, como el hígado, los músculos o las células del tejido graso a través del torrente sanguíneo La unión de la insulina al receptor de insulina inicia una cascada de eventos que conduce a un aumento de la absorción de glucosa y el metabolismo Incapacidad para producir o sentir insulina→ diabetes Cascada de señalización de la insulina: unión de ligandos -La unión de la insulina a los dominios extracelulares del receptor activa el dominio catalítico en el interior de la célula - El dominio catalítico en un receptor fosforila los residuos de Tyr en otro receptor -La autofosforilación del receptor permite la unión y fosforilación de la proteína IRS-1 (sustrato del receptor de insulina-1) Cascada de señalización 1. Unión de la insulina al receptor 2. Autofosforilación de las subunidades catalíticas 3. Subunidades catalíticas de un receptor fosforilará residuos de tirosina de otros receptores de insulina 10  4. Esta autofosforilación permite la unión y fosforilación de residuos de tirosina de la proteína IRS-1 (sustrato del receptor de la insulina) 5. Interacción de IRS fosforiladas: transmisión fosforilación de diferentes proteínas hasta entrar al núcleo 6. Activación de la expresión y la transcripción de genes específicos (como el que codifica para la síntesis de transportadores de glucosa GLUT-4). Importación de glucosa en la célula: 1. Transportadores almacenados en vesículas al citosol. 2. Unión de la insulina al receptor →Vesículas se mueven hacia la membrana plasmática→ Incrementa transportadores de glucosa a la membrana. 3. Cuando bajan los niveles de insulina →Transportadores de glucosa se sacan por endocitosis. Dos vías de señalización de la insulina 1.Activación de la enzima fosfoinositida quinasa 3 (PI3K) 2. Inactivación de la enzima glucógeno sintasa quinasa 3 (GSK 3) La diafonía entre un receptor de tirosina quinasa y un GPCR es un ejemplo de integración de señales 11  II.RECEPTOR GUANILIL CICLASA - Ligando: ANF (péptido natriurético auricular) -Dominio catalítico convierte a GTP en GMPc (segundo mensajero) - GMPc activa proteínas quinasa G (PKG) -Respuesta: regulación de la homeóstasis de agua, sodio y potasio en el organismo Dos tipos de guanilil ciclasa que participan en la transducción de señales: -Un tipo es un homodímero con un solo segmento de membrana en cada monómero, que conecta el dominio de unión al ligando extracelular y el dominio intracelular guanilil ciclasa. Los receptores de este tipo se utilizan para detectar dos ligandos extracelulares: el factor natriurético auricular (FAN; receptores en las células de los conductos colectores renales y el músculo liso vascular) y la guanilina (hormona peptídica producida en el intestino, con receptores en las células epiteliales intestinales). El receptor de guanilina también es el objetivo de una endotoxina bacteriana que desencadena diarrea severa. -El otro tipo es una enzima soluble que contiene hemo que es activada por el óxido nítrico (NO) intracelular; esta forma está presente en muchos tejidos, incluyendo el músculo liso del corazón y los vasos sanguíneos. III.RECEPTORES IONOTRÓPICOS (CANALES IÓNICOS) - Regular el transporte de iones a través de las membranas celulares Responde a: Cambios en el potencial de membrana Unión del ligando a sitios receptores específicos Canales proteicos transmembranales que regulan el paso de iones a través de las membranas celulares. Apertura y cierre según: o Variación de potencial de membrana (diferencia de cargas eléctricas). o Unió de ligando (hormona, mensajero químico...). Las membranas están polarizadas eléctricamente - Membrana celular esta polarizada: Carga negativa en el interior. -Polarización gracias al ATPasa electrogénica Na+/K+: entrada de 2 K+ y salida de 3 Na+ → Generación de diferencia de cargas. -Cambio de potencial provocaría la apertura del canal para dejar pasar los iones (por transporte pasivo). -Flujo de iones a través de la membrana depende del gradiente de concentración y eléctrico. 12 IV.CANALES IONICOS EN LA SEÑALIZACIÓN NERVIOSA -Las señales nerviosas dentro de los nervios se propagan como impulsos eléctricos. - La propagación del impulso implica la apertura de canales de Na+ dependientes de voltaje. -La apertura de canales de Ca++ dependientes de voltaje al final del axón desencadena la liberación del neurotransmisor acetilcolina. - La acetilcolina abre el canal iónico activado por ligando en la célula receptora Propagación de señales nerviosas como impulsos eléctricos. Preinscripción de canales de regulados por voltaje y por ligando. Procedimiento de propagación: 1. Llegada de la señal química: acetilcolina (ligando). 2. Apertura del canal y entrada de iones Na+ y Ca 2+. 3. Despolarización de la membrana y apertura de canales de Na+ regulados por voltaje. 4. Desplazamiento de la señal eléctrica a lo largo de la membrana. 5. Compensación de la entrada de Na+ por salida de K+ (repolarización). 6. También se abren los canales de voltaje de Ca 2+, que harán que se vuelva a liberar acetilcolina. Receptor de la acetilcolina: ○ Receptor nicotínico activado por ligando (acetilcolina). ○ Canal iónico para Na+ y Ca 2+. ○ Apertura por cambios conformacionales en las subunidades. 13