mecanismo de acción de los receptores hormonales

MECANISMO DE ACCIÓN DE LOS
RECEPTORES HORMONALES
PhD. Marcelo A. Aba – Profesor Titular
Dra. Carolina P. Bianchi – Jefa de Trabajos Prácticos
Área de Endocrinología
Facultad de Ciencias Veterinarias, UNCPBA, Tandil
Mecanismo de Acción de Receptores hormonales
La especificidad de las hormonas y su capacidad para identificar el órgano blanco ocurre
gracias a la presencia de receptores en las células efectoras. Se ha denominado receptor a la
entidad celular de naturaleza proteica que une específicamente a determinada hormona y
que, como consecuencia de esa unión, inicia una seria de procesos a nivel celular que
determinan la respuesta fisiológica.
Estos receptores son macromoléculas o asociaciones macromoleculares, situadas ya sea en
la membrana celular o en el interior (citoplasma, núcleo) de las células, a las cuales la
hormona se fija selectivamente en virtud de una estrecha adaptación conformacional
estructural. Al unirse la hormona correspondiente, induce en ellos un cambio
conformacional iniciándose los eventos determinantes del efecto final.
Los receptores presentan características comunes, con independencia de la hormona que se
une. Estas características son:
a) Afinidad: La capacidad de fijación del receptor a un ligando está dada por la afinidad
entre ambos, que es determinada por las propiedades moleculares del receptor.
b) Especificidad: la fijación de la hormona al receptor es específica e implica una
adaptación estructural recíproca de ambas moléculas.
c) Saturabilidad: El número de receptores existentes en una célula es limitado.
d) Reversibilidad: La unión hormona – receptor es reversible.
e) Capacidad de generar una respuesta: La unión hormona – receptor tiene que ser capaz
de provocar cambios en la células ya sea iónicos, metabólicos o transcripcionales que
terminarán por generar la activación de los mecanismos celulares involucrados en el efecto
biológico.
De lo mencionado anteriormente, se desprende que para que una hormona pueda actuar
sobre el receptor correspondiente y generar una respuesta, primero debe ser capaz de llegar
hasta él. La membrana celular es poco permeable a las sustancias químicas polares
(hidrosolubles) y a las de elevado peso molecular. Contrariamente, permite el paso de
moléculas pequeñas, no polares o liposolubles. Así, las hormonas proteicas (GH, Insulina,
Glucagón), las glucoproteicas (LH, FSH, TSH), los péptidos (TRH, Oxitocina, ADH) y las
aminas biógenas (catecolaminas), que no atraviesan la bicapa lipídica, interactúan con
receptores situados en la membrana celular. En general, estos receptores de superficie
cuentan con una o varias porciones o dominios extracelulares, que son los que hacen
contacto con la hormona, uno o más dominios transmembrana, o sea, porciones de la
cadena aminoacídica que atraviesan la membrana plasmáticas, y dominios intracelulares,
relacionados con la transducción biológica de la señal al interior celular.
Contrariamente, los receptores para mediadores liposolubles (hormonas tiroideas y
esteroideas) se encuentran en el interior de la célula, ya sea en el citoplasma o en el núcleo.
Estos sistemas de transducción de señales actúan en el interior del núcleo, donde ponen en
marcha mecanismos de regulación de la transcripción génica.
La clasificación de los receptores se establece sobre la base de su localización y los
mecanismos involucrados en la transducción de la señal.
Receptores de membrana
Los receptores de membrana comparten algunas características, más allá de la vía que
después utilicen. Estos receptores poseen tres dominios:
-
-
-
Un dominio extracelular, que presenta el grupo amino (NH2) terminal, una cantidad
de sitios de glucosilación, numerosos residuos de cisteína que permiten la formación
de enlaces disulfuros (S-S) que brindan estabilidad a la estructura proteica
tridimensional que conforma el receptor, especialmente aquella responsable de la
unión de la hormona, con sus características de elevada afinidad y especificidad.
Un dominio transmembrana, que es una cadena rica en aminoácidos hidrófobos y no
polares con configuración de α-hélice que atraviesa la bicapa lipídica una
(receptores asociados a tirosina cinasas) o siete veces (receptores asociados con
proteína G).
Un dominio citosólico que inicia la cascada intracelular de señales, en los que
intervienen procesos de fosforilación.
Las hormonas que se unen a receptores de membrana transmiten sus señales mediante:
a) Un aumento de las concentraciones citosólicas de AMPc y la activación de la ruta de
la proteína cinasa A.
b) Una disminución de las concentraciones citosólicas de AMPc.
c) Un aumento de las concentraciones citosólicas de GMPc y la activación de la ruta de
la proteína cinasa G.
d) Una disminución de las concentraciones citosólicas de GMPc.
e) Activación de la hidrólisis del fosfatidilinositol 4,5 bifosfato y la estimulación de la
ruta de la proteína cinasa C.
f) Fosforilación de residuos de tirosina a través de la enzima tirosina cinasa.
Transducción de la señal. Proteína G - Adenilciclasa
La mayoría de los receptores a hormonas ubicados en la membrana celular están asociados
a una proteína G, las cuales pueden ser proteínas Gs cuando median la activación de la
adenilciclasa o proteínas Gi cuando median la inhibición de la misma.
Las proteínas G son proteínas reguladoras asociadas a la membrana celular que constan de
tres subunidades: α, β y γ.
Las subunidades β y γ son similares en todas las proteínas G y son responsables del anclaje
de la proteína a la membrana celular y al receptor hormonal. La subunidad α presenta el
sitio de unión para el nucleótido de guanina (GTP o GDP) y brinda especificidad a la
proteína.
En estado de reposo los componentes de la proteína G están ensamblados y el sitio de unión
de la subunidad α está ocupado por un GDP.
La unión de la hormona a su receptor produce un cambio conformacional, provocando la
unión de la proteína G al receptor y el posterior reemplazo de GDP por GTP en la
subunidad α y la disociación de esta subunidad del complejo β/γ.
La subunidad α se une entonces a una enzima denominada adenilciclasa y activa su centro
catalítico, de modo que convierte ATP en AMPc.
Esta activación de la subunidad α se mantiene mientras las subunidades se encuentren
separadas, y esto sucede en presencia de un GTP. Una GTPasa presente en la subunidad α
hidroliza el GTP convirtiéndolo en GDP; y por tanto le devuelve a la subunidad α su
configuración original permitiendo de nuevo su interacción con el complejo β/γ. De esta
manera, cesa la activación de la adenilciclasa y la formación de AMPc hasta que una nueva
molécula de la hormona se une a su receptor y se activa el sistema nuevamente.
El AMPc actúa como segundo mensajero al activar de manera alostérica una o varias
proteína cinasas A, lo que se denomina ruta de la proteína cinasa A. La ruta completa de
activación de estas proteínas requiere de cuatro moléculas de AMPc, las cuales se unen a
las dos subunidades reguladoras de la proteína cinasa A, quedando libre dos subunidades
catalíticas de la proteína. Estas subunidades catalíticas liberadas son capaces de utilizar
moléculas de ATP intracelulares como fuente de grupos fosfatos de alta energía para
fosforilar ciertas proteínas celulares que son aquellas que dan la respuesta celular.
Este mecanismo de acción de algunas hormonas se denomina cascada del AMPc ya que es
un mecanismo de amplificación. Así, la unión hormona – receptor ocurre uno a uno y, por
tanto, no supone ninguna amplificación. Sin embargo, la adenilciclasa activada cataliza la
conversión de muchas moléculas de ATP en AMPc. Por tanto, una molécula de hormona
unida a un receptor durante un breve periodo puede determinar la generación de cientos de
moléculas de AMPc, teniendo lugar una gran amplificación.
El nivel intracelular de AMPc depende no sólo de la velocidad de su síntesis sino también
de la velocidad de su degradación a adenosina 5´-fosfato lineal (AMP), una reacción
catalizada por una fosfodiesterasa.
Existe otro mecanismo utilizado por otras hormonas (por ejemplo la Somatostatina) que
logran disminuir las concentraciones citosólicas de AMPc. En este caso, se acopla una
proteína G inhibidora al receptor y ocurre una inhibición de la actividad de la adenilciclasa
y, por tanto, la reducción en los niveles de AMPc genera la respuesta celular.
Transducción de la señal. Proteína G – Guanilciclasa
De manera similar al AMPc, el GMPc producido a partir de GTP, por la guanilciclasa de
membrana activada por una proteína G, activa en forma alostérica a proteína cinasas
específicas, denominadas, proteínas cinasas G con efectos similares a las proteínas cinasas
A. El factor natriurético atrial es una de las hormonas que utiliza este mecanismo de
traducción de señales.
Asimismo, también hay hormonas que se pueden unir a un receptor acoplado a una proteína
G inhibidora y, por tanto, ocurre una inhibición de la guanilciclasa y una disminución de
los niveles citosólicos de GMPc.
Transducción de la señal. Fosfolipasa C
Algunos receptores a hormonas actúan a través de una proteína G (cuya activación es
similar a la descripta durante la formación del AMPc) que activa una enzima asociada a la
capa interna de la membrana celular llamada fosfolipasa C. Ésta cliva un fosfolípido de
membrana denominado fosfatidilinositol difosfato (PIP2) y originan dos productos muy
importantes para la transducción intracelular de señales: el diacilglicerol (DAG) y el
inositol 1,4,5, trifosfato (IP3). Puesto que el DAG tiene carácter hidrófobo, permanece en la
membrana plasmática, mientras que el otro producto de la hidrólisis, el IP3 es hidrófilo y de
pequeño tamaño, por lo que puede difundir con facilidad por el medio citosólico.
El IP3 al difundir hacia el citoplasma, se une a un receptor de IP3 en la membrana del
retículo endoplasmático generando la salida de Ca2+ desde estos depósitos intracelulares. El
Ca2+ a su vez se une a una proteína reguladora, la calmodulina, y el complejo formado
(Ca2+/Calmodulina) regula la actividad de varias enzimas, entre ellas una proteína cinasa
dependiente de Calcio denominada Ca cinasa.
El DAG también es un segundo mensajero que activa a una proteína cinasa C en presencia
de Ca2+. Tras su activación, la proteína cinasa C fosforila proteínas específicas en el citosol
o en la membrana plasmática. Estas proteínas fosforiladas llevan a cabo funciones
específicas que no pueden realizar en el estado desfosforilado. Una de sus funciones es la
activación de canales iónicos ubicados en la membrana plasmática. Además de estos
efectos, el DAG puede activar la enzima fosfolipasa A2, la cual participa en la síntesis de
prostaglandinas que poseen diversas acciones en el organismo.
Una vez cumplida su acción, el IP3 se metaboliza por eliminación progresiva de grupos
fosfatos hasta formar inositol. Este se combina con ácido fosfatídico para formar
fosfatidilinositol en la membrana celular. Este último es fosforilado doblemente por una
cinasa para formar PIP2, que bajo estímulo hormonal ya puede volver a entrar en una nueva
ronda de hidrólisis y formación de segundos mensajeros (DAG e IP3). Si el receptor todavía
está ocupado por una hormona, pueden producirse varias rondas del ciclo antes de que se
disocie el complejo hormona – receptor.
Transducción de la señal. Tirosina Cinasa
Los receptores con actividad tirosina cinasa son tetrámeros conformados por dos
subunidades α y dos subunidades β. Las subunidades α están situadas completamente en el
espacio extracelular y contienen el sitio de unión a la hormona mientras que las
subunidades β están conformadas por tres dominios: extracelular, transmembrana e
intracelular y son responsables de iniciar la acción celular. La porción intracelular es la que
interviene en los procesos de fosforilación en los residuos de tirosina.
Estos receptores actúan a través de la enzima tirosina cinasa, y funcionan luego de que la
hormona se una al receptor generando la activación de dicha enzima la cual, en algunos
casos, forman parte del mismo receptor (Insulina, IGF-1) o, en otros casos, la actividad
tirosina cinasa no es propia, sino que es “prestada” por cinasas asociadas al receptor,
denominadas JAK (Janus associated kinases) como el caso de la Hormona del
Crecimiento, Leptina, Prolactina y Eritropoyetina.
Los aminoácidos de tirosina contienen un grupo hidroxilo, polar que puede fosforilarse por
la actividad de las cinasas. Este grupo hidroxilo es sustituido por un grupo fosfato, que se
une en forma covalente al aminoácido tirosina. El ATP actúa como donante del fosfato, y
su ruptura brinda la energía necesaria para que la reacción química tenga lugar. Como
resultado de la fosforilación se produce un cambio conformacional de la proteína, que lleva
a su activación.
Los receptores que poseen en forma intrínseca actividad tirosina cinasa, una vez que se
autofosforilan, ellos fosforilan una o más proteínas, llamadas proteínas de anclaje. Una de
las más estudiadas es el IRS-1 (Sustrato del receptor a Insulina – 1). La fosforilación del
IRS-1 lleva a la activación de distintas proteínas como por ejemplo una fosfatidilinositol 3
cinasa (PI3K) que media algunas acciones celulares de este receptor. También puede
activarse una vía alternativa que se encarga principalmente de mediar acciones mitogénicas.
En el caso de los receptores en que la actividad tirosina cinasa es extrínseca al receptor
requieren para fosforilarse la intervención de las cinasas denominadas JAK, las cuales
tienen la propiedad de autofosforilarse, fosforilar el receptor y otros sustratos que se unen a
este último. El principal de estos otros sustratos son las proteínas STAT. Una vez que estas
moléculas son fosforiladas, se separan del receptor y se asocian para formar dímeros. Los
mismos en el citoplasma actúan como señales de transducción y son translocados al núcleo
donde provocan la activación de diversos genes. Las cinasas JAK también fosforilan
proteínas de anclaje como los IRS y los MAPK (proteína cinasa activada por mitógenos),
los cuales median otras acciones biológicas de la hormona.
Receptores Nucleares
Las hormonas esteroideas y las hormonas tiroideas, al ser liposolubles, atraviesan
fácilmente la membrana celular y, por tanto, se unen a sus receptores proteicos en el
interior de la célula, ya sea en el citoplasma (y de ahí se translocan al núcleo) o en el
núcleo. Estos receptores contienen tres regiones funcionales: un dominio de unión al ADN,
el cual se encuentra muy conservado y contiene dos dedos de zinc los cuales se unen
específicamente a una secuencia de ADN, un dominio de unión a la hormona y un dominio
de transactivación, es decir que colabora con la activación o represión de la transcripción
génica.
Cuando la hormona se une al receptor genera un cambio conformacional en este último, el
cual pasa a un estado activado que le permite alterar la expresión génica. Así, el complejo
hormona – receptor activado se une a secuencias específicas de ADN de los cromosomas,
denominadas elementos de respuesta a hormona y, de esta manera, activan o reprimen la
transcripción de genes específicos. Cuando la activan, se forma el ARN mensajero el cual
difunde al interior del citoplasma donde ocurre el proceso de tranducción en los ribosomas
y la síntesis de nuevas proteínas. Luego de minutos, horas o incluso días desde que la
hormona ingresó a la célula se produce la formación de nuevas proteínas que aparecen en la
célula y median la acción hormonal.
La unión hormona – receptor también puede reprimir la transcripción de determinados
genes y, de esta manera, se inhibe la formación de proteínas específicas y así ocurre la
acción hormonal.
Regulación de la población de receptores
La cantidad de receptores a hormonas varía de acuerdo a los distintos estados fisiológicos.
Generalmente, la concentración sérica de la hormona regula la cantidad de receptores
expresados en la célula diana.
La disminución en la expresión de receptores se denomina down regulation o expresión a la
baja, mientras que el aumento se denomina up regulation o expresión a la alta. Las
variaciones en el número de receptores se regulan por los procesos de exocitosis o
endocitosis.
El proceso de endocitosis se lleva a cabo cuando ocurre la unión hormona – receptor en
invaginaciones específicas de la membrana plasmática, las cuales se separan de la
membrana para formar vesículas recubiertas por una proteína denominada clatrina. Esta
proteína no glucosilada puede formar estructuras en rejillas flexibles que pueden actuar
como armazones para la invaginación de la membrana plasmática y la posterior formación
de las vesículas. Estas vesículas se liberan de la cubierta y se fusionan entre sí, formando
vesículas de mayor tamaño denominadas receptosomas. Los receptores y sus hormonas en
el interior de los receptosomas pueden tener distintos destinos. Los receptores pueden ser
reciclados y vueltos a expresar en la membrana plasmática previo paso por el complejo de
Golgi. Alternativamente, las vesículas pueden fusionarse con lisosomas para la degradación
tanto de la hormona como del receptor. Mientras que en otras situaciones, algunos
complejos hormona – receptor se separan en el lisosoma y sólo se degrada la hormona,
mientras que el receptor es devuelto intacto a la membrana.
Estructura química y principal mecanismo de acción de diferentes
hormonas
Hormona
GnRH
TRH
CRH
GHRH
Somatostatina
Estructura química
Péptido
Péptido
Polipéptido
Polipéptido
Péptido
Dopamina
Derivado de aminoácido
Oxitocina
Péptido
Vasopresina o ADH
Péptido
LH
FSH
TSH
ACTH
GH
Prolactina
Estrógenos
Progesterona
Testosterona
Inhibina
T3, T4
Cortisol
Aldosterona
Glicoproteína
Glicoproteína
Glicoproteína
Proteína
Proteína
Proteína
Esteroidea
Esteroidea
Esteroidea
Proteína
Derivado de aminoácido
Esteroidea
Esteroidea
Adrenalina
Derivado de aminoácido
Insulina
Glucagón
PTH
Calcitonina
1,25 (OH)2 Vit D3
IGF-1
Leptina
Adiponectina
eCG
hCG
Angiotensina II
Péptido Natriurético Atrial
Melatonina
Proteína
Proteína
Proteína
Proteína
Esteroidea
Proteína
Proteína
Proteína
Glicoproteína
Glicoproteína
Péptido
Péptido
Derivado de aminoácido
Mecanismo de acción
IP3 - DAG
IP3 - DAG
AMPc
AMPc
Disminución del AMPc
Receptor D2: disminución del
AMPc
IP3 - DAG
Receptor V1a y V1b: IP3 –DAG
Receptor V2: AMPc
AMPc
AMPc
AMPc
AMPc
Tirosina cinasa asociado a JAK2
Tirosina cinasa asociado a JAK2
Receptor citoplasmático móvil
Receptor citoplasmático móvil
Receptor citoplasmático móvil
Treonina – Serina cinasa
Receptor nuclear
Receptor citoplasmático móvil
Receptor citoplasmático móvil
Receptor α1: IP3 – DAG
Receptor α2: Disminución AMPc
Receptor β1: AMPc
Receptor β2: AMPc
Receptor β3: AMPc
Tirosina cinasa
AMPc
AMPc
AMPc
Receptor nuclear
Tirosina cinasa
Tirosina cinasa asociado a JAK2
Se desconoce
AMPc
AMPc
IP3 - DAG
GMPc
Se desconoce
Prostaglandinas
Gastrina
Secretina
Derivado de ácidos
grasos
Polipéptido
Polipéptido
Depende de célula diana y
prostaglandina que actúe.
IP3 - DAG
AMPc
Referencias bibliográficas:
- Bases Fisiológicas de la Práctica Médica Best & Taylor. M. Dvorkin; D. Cardinalli.
Ed. Panamericana, Buenos Aires, Argentina. 2003.
- Fisiología Médica. W.F Ganong. Ed. El Manual Moderno, México, 1996.
- Fisiología Veterinaria. A. García Sacristán. Ed. Interamericana. McGraw - Hill, Madrid,
España. 1995.
- Receptores hormonales. N. Brandan, C. Llanos, C. Miño, P. Gerometta, S. Sandrigo.
Cátedra de Bioquímica, Facultad de Medicina, Universidad Nacional del Nordeste. Apuntes.
- Tratado de Fisiología Médica.
Madrid, España. 1997.
A.C. Guyton, J.E. Hall. Editorial McGRaw – Hill,