hormonas proteicas i - Aula Virtual FCEQyN
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HORMONAS PROTEICAS I Tipos síntesis y mecanismos Tipos, de acción 2014 Dra. María Silvia Bianchi Laboratorio de Neuroendocrinología Instituto de Biología y Medicina Experimental La evolucion multicelular de de los organismos implica la necesidad de la existencia de sistemas coordinados que regulen e integren las funciones de las diferentes celulas Todos los tejidos especializados del organismo g necesitan funcionar de manera organizada La comunicación entre células en los organismos superiores, es imprescindible para controlar su crecimiento, proliferación y diferenciación en tejidos y órganos, para coordinar las distintas funciones entre los mismos y, en último término, para el mantenimiento de la homeostasis. Sistemas de control básicos: – Sistema nervioso: utiliza señales electroquímicas para comandar los ó órganos periféricos ifé i • Sistema endocrino: utiliza mensajeros químicos, HORMONAS, para ejercer su función regulatoria. Ej: elevada glucosa en sangre - insulina Si bien la definicion convencional de los sistemas endocrino y nervioso establece diferencias concretas entre los mismos, en los ultimos anos se ha demostrado que tales diferencias no existen. SISTEMA DE CONTROL NEUROENDOCRINO REGULACION NEUROENDOCRINA REGULACION NEUROENDOCRINA NEUROHORMONAS HIPOTALÁMICAS Sintetizadas en el hipotálamo y secretadas por la neurohipófisis a la circulación general: VASOPRESINA OXITOCINA Sintetizadas en el hipotálamo y secretadas al plexo venoso portal que las l lleva ll a la l adenohipófisis d hi ófi i GHRELINA > estimula GH > inhibe GH SOMATOSTATINA > inhibe PRL DOPAMINA G RH GnRH > estimula i l LH LH, FSH TRH > estimula TSH, PRL CRH > estimula ACTH, vasopresina HORMONAS DEFINICIONES : hormao u ormao = “yo excito” Excitar = “estimular estimular una respuesta respuesta” - En los comienzos: Sustancias químicas que median la comunicación intercelular. - Luego se agregó: Productos de glándulas endocrinas liberadas a la circulación general en respuesta a cambios en la homeostasis. EFECTO ENDOCRINO ‐ actúan sobre células blanco distantes de su sitio de síntesis ‐usualmente transportadas en la sangre Algunas Al veces las l h hormonas actúan tú l localmente l t en células cercanas al sitio de liberación. - Se unen a receptores presentes vecinas: en células HORMONAS EFECTO PARÁCRINO (Distancia corta- afecta células blanco dentro de la proximidad de la célula que sintetizó la molécula. Usualmente por neurotransmisores y algunos factores de crecimiento) -La hormona liberada actúa ubicados en la misma célula: sobre receptores EFECTO AUTOCRINO (No distancia– la señal retroalimenta y se afecta a sí misma. Factores de crecimiento: generalmente actúan sobre sí mismos para regular la proliferación. EFECTO INTRACRINO (actúan dentro de la misma célula, sin ser liberada) -La La hormona unida a una célula interactúa con un receptor de una célula yuxtapuesta: EFECTO YUXTACRINO -Muchos compuestos pueden actuar a través de dos o tres tipos de señalización celular Hay sustancias hormonales liberadas por un animal que influencian respuestas en otro animal: FEROMONAS HORMONAS Actualmente: • • • • • • • • • Susta c as liberadas Sustancias be adas po por u una a cé célula u a que p provocan ovoca u una a respuesta espuesta e en la a misma s a cé célula ua o en otra célula, aún cuando estas sustancias no alcanzan la circulación general. Hormonas Neurotransmisores Citoquinas Linfoquinas Factores de crecimiento Agentes vasoactivos Quimioatractantes etc Primeros mensajeros: ligandos naturales que se unen y activan receptores. Cada uno de estos términos intenta definir una clase de agentes que tienen efecto en un escenario particular Sin embargo, particular. embargo puede haber mucha superposición ya que ninguno de ellos se adhiere a una definición estricta debido a que pueden cumplir múltiples funciones. Por ejemplo: - Las hormonas gastrointestinales gastrina, colecistoquinina y secretina también están presente en el SNC donde tienen diversas funciones como neuromoduladores. - Somatostatina, agente hipotalámico supresor de la secreción de GH de la pituitaria, también actúa en el SNC como un neurotransmisor o neuromodulador. - La noradrenalina, dependiendo de si es liberada a nivel de sinapsis o de la médula adrenal, puede ser considerada tanto un neurotransmisor como una hormona. - La insulina, i i además de regular el metabolismo i de la glucosa, también i actúa como un factor de crecimiento y un regulador de la ingesta de alimentos Comunicación célula a célula por señalización extracelular generalmente involucra seis pasos 1) 2) 3) 4) 5) síntesis de la molécula señal por la célula señalizadora liberación de la molécula señal por la célula señalizadora transporte de la señal a la célula “blanco” detección de la señal por una proteína receptora – especificidad receptor-ligando un cambio en metabolismo, función o desarrollo celular = respuesta celular desencadenada por el complejo receptor-ligando – específica para el complejo ligando-receptor 6) remoción ió de d la l señal, ñ l que generalmente l t termina t i l la respuesta celular – degradación del ligando RESUMIENDO • Las hormonas son mensajeros químicos que actúan localmente o a distancia para regular la actividad de una célula blanco. • Grupos importantes de agentes hormonales incluyen: -hormonas peptídicas -hormonas esteroideas -hormonas tiroideas -hormonas retinoideas -factores de crecimiento -citoquinas -linfoquinas -feromonas -neurotransmisores o neuromoduladores • Las hormonas son producidas por células especializadas que habitualmente conforman órganos denominados glándulas endocrinas. • Principal característica morfológica: carencia de conductos y su capacidad para liberar sus secreciones directamente a la sangre. • El campo de la endocrinología clásica tradicionalmente abarca un pequeño número de glándulas endocrinas g clásicas: Hoy en día sabemos que virtualmente todos los órganos desempeñan una función endocrina además de la comúnmente conocida (secretan hormonas que tienen fundamental importancia en otros sistemas fisiológicos): Glándulas endocrinas no clásicas TEJIDO ADIPOSO leptina, resistina TIPOS Y CLASIFICACIÓN DE LAS HORMONAS Tipos de hormonas de acuerdo a su función Neurosecretoras: estimulan o inhiben a otras hormonas o una función. Secretadas por el Hipotálamo y la neurohipófisis. Tróficas o trofinas: mantienen el trofismo de glándulas de secreción interna , las que a su vez secretan otras hormonas. Producidas por la adenohipófisis y la placenta. Glandulares: producidas por glándulas de secreción interna (suprarrenal, gónadas, páncreas,etc) Ti l Tisulares: : producidas d id por tejidos t jid que no están tá agrupados d como glándulas lá d l endocrinas. d i Tipos de hormonas de acuerdo a la velocidad y tipo de respuesta que producen Hormonas de H d respuesta t rápida á id y de d corta t duración: d ió segundos d o minutos. i t Ej adrenalina, Ej: d li prostaglandinas, hormonas hipotalámicas, insulina, glucagon, calcitonina, hormonas gastrointestinales. Hormonas de respuesta p lenta y p persistente: horas y días. Ej: j hormonas tiroideas,, hormonas esteroideas, hormona de crecimiento, gonadotrofinas. Tipos de hormonas de acuerdo al tipo de respuesta metabólica que provocan Hormonas catabólicas: glucagon, glucocorticoides, catecolaminas. Hormonas anabólicas: insulina, hormona de crecimiento. TIPOS Y CLASIFICACIÓN DE LAS HORMONAS Tipos de hormonas de acuerdo a su estructura química Las hormonas poseen estructuras químicas diversas que les confieren propiedades físico-químicas distintas (forma, tamaño y solubilidad) que condicionan su modo de transporte, la localización celular de sus receptores y el tipo de eventos celulares y moleculares que siguen a la activación del receptor. Péptidos y proteínas Péptidos y proteínas Glicoproteínas Polipéptidos •Hormona folículo estimulante (FSH) •Hormona luteinizante •Hormona luteinizante (LH) •Gonadotrofina coriónica humana (hCG) •Hormona estimulante de tiroides (TRH) •Hormona adenocorticotrópica (ACTH) •Angiotensina •Calcitonina •Colecistoquinina •Eritropoietina •Gastrina •Glucagon g •Insulina •Hormona de crecimiento (GH) •Péptidos de crecimiento parecidos a la insulina (Somatomedinas ) •Hormona estimulante de melanocitos (MSH) •Oxitocina •Prolactina •Relaxina •Secretina •Somatostanina •Vasopresina (ADH) •Hormona paratiroidea Esteroides •Aldosterona •Cortisol •Estradiol •Progesterona •Testosterona •Vitamina D Aminas •Epinefrina •Norepinefrina •Tiroxina (T4) •Triiodotironina (T3) •Melatonina Retiñidos •Ácido retinoico Ecosanoides •Prostaglandinas •Prostaciclinas •Tromboxanos •Lipoxinas •Leucotrienos Las hormonas tiene diversas estructuras moleculares, pudiéndose correlacionar las propiedades de las hormonas con las acciones fisiológicas. Clasificación • Hormonas que se unen a receptores ubicados en membrana plasmática: Proteicas y polipeptídicas Aminas (A, NA) Eicosnoides • Hormonas que se unen a receptores intracelulares: Esteroides Aminas ((hormonas tiroideas: T3 y T4) Retinoides Hormonas: Hormonas : ‐ hidrosolubles ‐ liposolubles Hormonas Hidrosolubles Derivados de de aminoácidos, de aminoácidos aminoácidos, péptidos péptidos pequeños y y hormonas hormonas proteicas – Hormonas peptídicas • – Aminoácidos modificados o aminoácidos ensamblados • Insulina yy glucagon g g serotonina, melatonina serotonina, melatonina, , histamina histamina, , epinefrina Eicosanoides – – – Derivados de de ácido araquidónico de ácido (ácido graso graso)) prostaglandinas o o leucotrienos leucotrienos Prostaglandinas, a Prostaglandinas , a pesar pesar de ser de ser lipofílicas – se se unen unen a a receptores receptores en la superficie la superficie celular Hormonas Liposolubles Esteroides • • • • Hormonas tiroideas • • • lípidos derivados de de colesterol colesterol en REL Diferentes grupos funcionales unidos al núcleo estructural proveen la individualidad Interactúan con con receptores receptores intracelulares para activar o inhibir o inhibir genes específicos genes específicos genes Efecto puede durar horas o o días días El anillo tirosina más los El El anillo los iodos unidos los iodos son liposolubles son liposolubles activan enzimas involucradas en el catabolismo de grasas de grasas y glucosa y glucosa Ayudan a a nuestra nuestra tasa metabólica basal Retinoides • • Derivados de de vitamina vitamina A Efectos dramáticos sobre proliferación y diferenciación y diferenciación, , muerte muerte celular por apoptosis SÍNTESIS DE HORMONAS PROTEICAS SÍNTESIS DE HORMONAS PROTEICAS Splicing alternativo: -Proceso regulado que resulta en un unico gen codificando para multiples proteinas. proteinas -Exones particulares pueden ser incluidos o excluidos del RNAm procesado de ese gen Etapas: • Agregación de las subunidades ribosomales e iniciación de la traducción del RNAm (codón de iniciación AUG) • Elongación de la cadena polipeptídica. • Terminación de la síntesis proteica. SÍNTESIS DE POLIPÉPTIDOS Y PROTEÍNAS DE SECRECIÓN En ribosomas unidos a la membrana del retículo endoplásmico. Etapas: - Agregación de las subunidades ribosomales y comienzo de la traducción del RNAm (codón de iniciación AUG) secuencia señal señal” del - La partícula de reconocimiento de la secuencia señal (SRP) se une a la “secuencia polipéptido naciente. - Posteriormente SRP se une al receptor de SRP ubicado en la membrana del RE. Receptores ribosomales (también en la membrana del RE) estabilizan la interacción SÍNTESIS DE POLIPÉPTIDOS Y PROTEÍNAS DE SECRECIÓN - La “secuencia señal” es clivada por una peptidasa señal (también puede ocurrir al finalizar la síntesis dependiendo de la proteína). SÍNTESIS DE POLIPÉPTIDOS Y PROTEÍNAS DE SECRECIÓN En ribosomas unidos a la membrana del retículo endoplásmico. p - Al finalizar la síntesis, el polipéptido resultante es liberado al lumen del retículo tí l endoplásmico. d lá i - La subunidades ribosomales se disocian y son recicladas. - Al finalizar la síntesis, el polipéptido resultante es liberado al lumen del retículo endoplásmico. endoplásmico - La subunidades ribosomales se disocian y son recicladas. Prehormona Molécula conteniendo el péptido señal Prehormona: corta). (vida media muy Prohormona: Molécula que requiere alguna modificación para convertirse en la hormona que será liberada. La prohormona es transportada en vesículas hasta el Aparato de Golgi, donde se termina de convertir en hormona madura. Modificaciones post-traduccionales que pueden tener las hormonas antes de su secreción: 1. glicosilación (LH, FSH, TSH) 3. formación de puentes disulfuro 4. clivaje 2. correcto plegamiento Hormona Prohormona Prehormona mRNA Vesículas secretorias Golgi Retículo endoplasmático NÚCLEO La hormona madura es almacenada l d dentro de la célula en gránulos g secretorios que luego será liberada por exocitosis. Ejemplo de prohormona: Insulina Ejemplo de prohormona precursora de múltiples péptidos: proopiomelanocortina En cerebro e hipófisis es clivada a diferentes péptidos SÍNTESIS DE CATECOLAMINAS - Se sintetizan a partir de Tirosina en el citoplasma, la cual es convertida en DOPA (por la Tirosina hidroxilasa) y luego en Dopamina (por la DOPA decarboxilasa). decarboxilasa) - La Dopamina ingresa al granulo secretorio por un transportador de catecolaminas presente en la membrana del gránulo. p es convertida en Noradrenalina ((NA), ), p por la - Dopamina Dopamina -hidroxilasa, en el gránulo. - Las células de la médula adrenal también contienen la enzima (fenilentanolamina-N-metiltransferasa) que cataliza la conversión de NA en Adrenalina (A). Esta enzima es citoplasmática con lo cual la NA debe abandonar el gránulo para ser metilada. Enzima limitante inhibible por DOPA y dopamina Presente en: células cromafines de médula adrenal y fibras postganglionares del SN Simpático CARACTERÍSTICAS DE LAS HORMONAS - Actúan en cantidades muy pequeñas. Concentración en sangre: hormonas proteicas: 10-12M – 10-10M h hormonas esteroideas t id : 10-99M -10 10-66M - Catalizadores biológicos - Son secretadas por células especializadas en forma de pulsos de alta actividad g biológica. - Se unen a un receptor específico para ejercer su efecto . - Pueden actuar sobre un tejido específico blanco o sobre distintos tipos celulares que posean receptor para esa hormona pueden ejercer distintos efectos en diferentes t jid tejidos. Ej E2 ovárico: - folículo ovárico: promueve crecimiento de células de la granulosa - útero: estimula su crecimiento - glándula mamaria: promueve su desarrollo - sobre la distribución del tejido adiposo - hueso La respuesta celular L l l depende d d de d la l especialización i li i d la de l célula l l blanco, bl l cuall está lo determinado genéticamente. También una dada función puede estar regulada por varias hormonas. Ej: lipólisis (liberación de ácidos grasos del tejido adiposo) regulada por: catecolaminas, glucagon, secretina, PRL, GH, etc. La capacidad de una célula de responder a una hormona depende de la presencia de receptores específicos para esa hormona PROPIEDADES DE LOS RECEPTORES Criterios C it i para que un lugar l d unión de ió a una molécula lé l reguladora l d sea considerado un receptor relevante: 1. La unión debe ser de especificidad y afinidad alta, detectable a la concentración t ió fisiológica fi i ló i de d la l hormona h (b j ) (baja) - Afinidad alta en relación a la concentración de la hormona en sangre, así la cantidad de complejo H-R varíe ( ó ) en respuesta a cambios en el nivel de hormona presente - Especificidad, capacidad de distinguir entre dos moléculas de estructuras muy similares. 2 El número de lugares de unión por célula, 2. célula para una dada hormona, hormona puede ser variable, pero limitado y por lo tanto saturable. 3. La unión de la hormona al receptor debe ser rápida y reversible 4 L 4. La unión ió de d la l hormona h all receptor t d b co-relacionarse debe l i con los l efectos biológicos de la hormona. Los receptores son proteínas que tienen la propiedad de reconocer una hormona a pesar de las bajas concentraciones en que circula, unirse específicamente a ella para poder transmitir la señal intracelular (cambio metabólico) que tendrá como resultado una respuesta biológica que representa el efecto de la hormona. Las hormonas ejercen sus efectos interactuando con receptores específicos que están general acoplados a uno o más sistemas efectores intracelulares. La presencia de un receptor apropiado define la población de células blanco para una dada hormona y provee un mecanismo molecular por el cual las hormonas promueven sus acciones biológicas . Los receptores hormonales se subdividen comúnmente, en base a sus estructuras y mecanismos de acción, en: - Receptores de superficie: se ubican en la membrana celular y actúan para traducir una señal extracelular en una intracelular. Receptores intracelulares: residen dentro de la célula y actúan como reguladores directos de la expresión génicas. Receptores intracelulares • • • • Hormona liposoluble difunde a través de la bicapa fosfolipídica y través de la bicapa fosfolipídica y dentro de la célula Se une al receptor y activa o inhibe genes específicos inhibe genes específicos Se forma nuevo ARN y se dirige la síntesis de nuevas proteínas Las proteínas alteran la actividad í l l d d celular Receptores de superficie • Hormonas hidrosolubles que no difunden no difunden a través de la membrana plasmática • Los receptores Los receptores hormonales son proteínas son proteínas integrales de membrana • Esta unión activa al receptor y resulta al receptor y resulta en en una serie de eventos celulares llamada sistema de segundos mensajeros RECEPTORES DE SUPERFICIE Las hormonas proteicas interactúan predominantemente con receptores expresados d sobre b la l membrana b plasmática l áti de d la l superficie fi i celular. l l Estos receptores conforman un grupo extremadamente diverso de moléculas que señalizan que poseen características comunes: MEDIO EXTRACELULAR DOMINIO DE UNIÓN A LIGANDO TRANSDOMINIOS MEMBRANA CITOPLASMA DOMINIO EFECTOR REGULADO POR LIGANDO Esta organización le permite a la célula censar eventos extracelulares y pasar esta información hacia el ambiente intracelular. intracelular Las hormonas inician una cascada de eventos de señalización en sus células blanco, CAMINOS DE TRANSDUCCIÓN DE LA SEÑAL, conduciendo finalmente a la respuesta biológica apropiada. apropiada Estas cascadas, aunque son extremadamente diversas con respecto a las moléculas específicas involucradas, tienen varias características comunes. Mecanismos comunes de acción Mecanismos de transducción de señales A) Hormonas que se unen a receptores acoplados a sistema de segundos mensajeros (moléculas nuevas generadas en el interior de la célula en respuesta a la ocupación de un receptor de membrana) Receptores acoplados a Proteínas G Receptores ecepto es co con act actividad v dad Gua Guanilato ato C Ciclasa c asa B) Hormonas que se unen a receptores: -con actividad de: -Tirosinquinasa -Serin/Treoninquinasa -Tirosinfosfatasa - o que unen Tirosinquinasas. C) Hormonas y neurotransmisores que se unen a receptores acoplados a canales iónicos. Por lo P l tanto, t t un número ú li it d de limitado d estrategias t t i bá i básicas d de señalización son utilizadas repetitivamente por un gran número de receptores, definiendo las distintas familias de receptores. Receptores de superficie celular pertenecen a cuatro clases principales 1) Receptores acoplados a proteínas G (epinefrina, glucagon, serotonina) • GPCRs están involucrados en un rango de caminos de señalización, incluyendo detección de la luz, detección de olores y detección de ciertas hormonas y neurotransmisores. • U i Unión d l li del ligando d activa i all receptor, que activa i l proteína G, la G que activa i una enzima efectora para generar un segundo mensajero intracelular. Segundos mensajeros: moléculas nuevas generadas en el interior de p a la ocupación p de un receptor p de membrana. la célula en respuesta • Dependiendo de la regulación sobre la enzima efectora – este camino puede ser activado o inhibido por el tipo de proteína G activada por el complejo hormona-receptor. Cuatro clases de receptores de superficie celular 2) Receptores canales iónicos (acetilcolina) -Unión Unión del ligando cambia la conformación del receptor de manera que iones específicos fluyen a través del mismo . -El movimiento iónico resultante altera el potencial eléctico a través de la membrana plasmática. Se encuentran: -en número elevado en la membrana plasmática de neuronas: canales disparados por ligando para sodio y potasio -en la membrana plasmática de células musculares: la unión de acetilcolina resulta en movimiento iónico y la eventual contracción del músculo Cuatro clases de receptores de superficie celular 3) Receptores unidos a tirosina quinasas (eritropoietina, interferones, citoquinas) -Carecen de actividad catalítica intrínseca -La unión del ligando resulta en la formación de un dímero del receptor (2 receptores)) -Este dímero, luego, activa unas proteínas llamadas tirosina quinasas -Esta activación resulta en la fosforilación de blancos “río abajo” por estas tirosina quinasas (unen grupos fosfato a tirosinas dentro de la proteína blanco) Cuatro clases de receptores de superficie celular 4) Receptores con activividad enzimática intrínseca RTK Cascada de transducción de la señal También llamados receptores tirosina quinasas o proteína quinasas disparadas por ligando -L La unión con ligando resulta en la formación de un dímero. dímero Estos receptores tienen actividad catalítica intrínseca : la unión del ligando activa al receptor y este receptor activado actúa como una quinasa -Reconocen R péptidos id solubles l bl o unidos id a membrana b u hormonas h proteicas i que actúan como factores de crecimiento: NGF, PDGF, insulina -La unión del ligando estimula la actividad de tirosina quinasa del receptor, resulta en la fosforilación de múltiples aminoácidos dentro del blanco. Esta fosforilación activa blancos “río abajo” que generalmente son,otras quinasas de proteínas que fosforilan a sus propios blancos -Las sucesivas fosforilación/activación de múltiples quinasas resultan en una cascada de fosforilación/activación. Efectos finales de transducción de señales A) Activación enzimática: Las hormonas alteran la actividad de enzimas intracelulares preexistentes. preexistentes Estos procesos ocurren en minutos a horas y son independientes de la síntesis de nuevas proteínas. Mecanismos por el cual se pueden regular la actividad enzimática: - fosforilación y desfosforilación ( mecanismo principal) - metilación - adenilación - agregación de subunidades - cambios en la concentración local de iones y cofactores Ejemplos: insulina, glucagon, adrenalina. Ej de fosforilación: regulación del metabolismo del glicógeno en hígado y páncreas. páncreas Adrenalina se une a receptor 2-adrenérgico, produce aumento de AMPc, quien estimula PKA,, la cual q fosforila a Fosforilasa kinasa, quien fosforila a Fosforilasa que transforma el glicógeno en glucosa. B) Efectos en membrana: Las hormonas regulan el movimiento de moléculas (iones, metabolitos y precursores biosintéticos) a través de la membrana por al menos 4 mecanismos: - Alteración de la afinidad de mecanismos de transporte por la molécula a ser transportada - Activación de un mecanismo de transporte inactivo presente en la membrana - Inserción en la membrana plasmática de mecanismos de transporte preexistentes i d dentro d las de l células l l - Síntesis de nuevos transportadores Ejemplos: La glucosa atraviesa la membrana plasmática por medio de un transportador. transportador Insulina (redistribución del transportador Glut4 desde el citoplasma hacia la membrana), TSH y Colecistoquinina estimulan el transporte de glucosa. Los aminoácidos se incorporan a las células por difusión facilitada a través de transportadores. Insulina, Glucagon, GH aceleran el transporte de aminoácidos (mediante cotransporte con Na+). El balance iónico celular es en gran parte regulado por la bomba Na+-K+ ATPasa. Aumentan la actividad de Na+-K+ ATPasa: Insulina (efecto rápido) y hormonas tiroideas 8efecto lento, requiere q síntesis de esta bomba)) Aumento de la captación de I- por TSH. Regulación por AMPc de un canal de Cl- (CFTR) que se abre en respuesta a Protein Kinasa A (PKA). C) Activación de la transcripción génica: Ciertas hormonas incrementan el número de unos pocos tipos de mRNA específicos, lo cual lleva a un aumento en los niveles de las proteínas codificadas por los mismos. Este aumento en la cantidad de mRNA presente puede deberse a : - la activación mediante fosforilación, de factores de transcripción o proteínas que se unen al DNA (alteración de la tasa de transcripción del gen). - una disminución en la degradación de las moléculas de mRNA (aumenta la estabilidad). Ejemplos: j p PKA fosforila factores de transcripción activados por AMPc. GH y Prolactina estimulan la transcripción génica por fosforilación de factores de transcripción STAT (mecanismo de los receptores que se unen a tirosinquinasas). -Las hormonas también afectan la traducción ribosomal de mRNA preexistente. Ejemplos: Insulina aumenta el ensamblado de polisomas (músculo, hígado y grasa de animales diabéticos tienen síntesis proteica disminuida). GH aumenta la tasa de síntesis proteica de ribosomas aislados de músculo. FUNCIÓN DE LAS HORMONAS La función hormonal se desarrolla en cuatro ámbitos generales: 1. Crecimiento y desarrollo del individuo 2. Reproducción: no sólo regulan la gametogénesis, sino que también el desarrollo dimórfico anatómico, funcional y de la conducta esenciales para la reproducción. 3 P 3. Producción, d i utilización ili i y almacenamiento l i de energía: son mediadores d di d primordiales del movimiento de sustrato y de la conversión de los metabolitos procedentes de la digestión en energía o en productos energéticos almacenados. 4. Mantenimiento del medio interno necesario para para sostener estructuras y funciones: intervienen en la regulación y estabilización: - de los líquidos corporales y su contenido electrolítico l l i - de la presión sanguínea y frecuencia cardíaca - del equilibrio ácido-base - de d la l temperatura corporall - de la masa de hueso, músculo y grasa Mecanismos de transducción de señales SISTEMAS DE SEGUNDOS MENSAJEROS Existen dos grandes mecanismos de transducción de señales que funcionan combinadamente: Por pequeñas moléculas que difunden en las células (AMPc, Ca2+, Inositol trifosfato o IP3, GMPc) Por fosforilación de proteínas (activación o inactivación de proteínas) Segundos mensajeros: Son mensajeros intracelulares solubles generados por una proteína efectora efectora, la cual es una entidad diferente del receptor hormonal (adenilato ciclasa o un canal de Ca++), que alteran procesos dentro de la célula. Condiciones que debe reunir una molécula para ser considerada segundo mensajero en la acción hormonal: Modificar su concentración en respuesta a la acción de la hormona. Reproducir las acciones biológicas de la hormona en ausencia de la misma. Estar E t sujeto j t a un sistema i t ON ON-OFF OFF (regulación ( l ió fisiológica). fi i ló i ) Hay 2 clases principales: - nucleótidos ciclícos (cAMP, cGMP) - sistema Ca++ - fosfolípidos Receptores acoplados a Proteínas G Comprenden una gran superfamilia de receptores de superficie celular capaz de reconocer ligandos de una marcada diversidad estructural –desde fotones hasta hormonas proteicas grandes. Todos se caracterizan : -Por poseer 7 dominios hidrofóbicos transmembrana (7TM), además de sus dominios extracelular (sitio de unión al ligando) e intracelular (sitio de acople al sistema generador de II mensajeros) g j - por estimular el intercambio de GDP por GTP en la subunidad de la proteína G que poseen acoplada en respuesta a la unión del agonista. PKA PKC GRKs Receptor -adrenérgico PROTEÍNAS G: Familia de proteínas heterotriméricas que interactúan con múltiples efectores celulares (enzimas, canales iónicos) a quienes estimulan o inhiben su actividad. Ej: con Adenilato Ciclasa (AC) que cataliza la conversión de ATP en AMPc (segundo mensajero). Formadas por 3 subunidades: y (heterotriméricas). La subunidad es capaz de unir GTP e hidrolizar GTP. Receptores acoplados a proteína G (GPCR) Componentes del sistema GPCR: •Receptor •Proteína G •Proteína efectora La unión del ligando al receptor produce un cambio estructural; ahora el dominio citoplasmático puede promover la activación de la Proteína G Los sistemas de segundos mensajeros permiten la amplificación de una señal extracelular. Una molécula de epinedrina se une a un GPCR G C – esto resulta l en la síntesis de múltiples moléculas de AMPc que podrán activar y amplificar un número de PKAs Un nivel sanguíneo de epinefrina tan bajo como 10-10M puede elevar los niveles de glucosa en un 50% PROTEÍNAS G: La subunidad es capaz de unir GTP e hidrolizar GTP. El ciclo de unión a GTP e hidrólisis a GDP controla la actividad de estas proteínas. 1) Receptor en conformación inactiva. La proteína G es un hetertrímero guanosina difosfato intacto intacta con g (GDP) unida a la subunidad . 2) Unión del ligando específico al receptor quien ahora una conformación activa (cambio estructural en el dominio citoplasmático). 3) Se produce la interacción física entre el receptor y la proteína G apropiada, promoviendo cambios conformacionales en ella que resultan en la disociación del GDP. 4) Esto permite la unión del GTP a la subunidad . El receptor activa la proteína t í G asociada. i d 5) Ocurre la disociación de la subunidad - GTP del dímero , permitiendo que estas subunidades activen a sus efectores blanco. blanco 6) La hidrólisis de GTP a GDP termina la actividad de la subunidad 7) Se promueve la reasociación del trímero , retornando el sistema a su estado basal . PROTEÍNAS G Hay múltiples subtipos de subunidades y , las cuales forman diferentes familias de proteínas G. Existen 4 grandes familias de Proteínas G: •Dependiendo de la regulación sobre la enzima efectora este camino puede ser activado o inhibido PROTEÍNAS G Además existen otras Proteínas G denominadas Proteínas G pequeñas. Están formadas s por p una sola s subunidad, s , hidrolizan GTP y acoplan p receptores p s con actividad tirosinquinasa con moléculas efectoras. Tal es el caso de: - Ras (cascadas de señalización de factores de crecimiento) - Rho (regulación de la actina del citoesqueleto) - Ran (transporte de proteínas dentro y fuera del núcleo) GEF: Factor que intercambia nucleótidos de guanina Señalización mediante Gs Ejemplos de hormonas que se unen a receptores que se acoplan a Proteínas Gs: La subunidad s estimula la producción de AMPc a partir de ATP, en presencia del cofactor, por la AC: pirofosfato (Adenosín trifosfato) AC 3´,5´-AMPAMPc Cíclico (3´,5´-AMP cíclico) Señalización mediante Gs Adenil ciclasa ((adenilil o adenilato ciclasa: AC)) La AC es una glicoproteína de membrana. Se han descripto 8 isoformas que varían en: - distribución - regulación por otros factores como calmodulina y subunidades - especificidad por subtipos de la subunidad . Los extremos NH3 y CO.OH terminal de la AC son citosólicos - La AC tiene 2 dominios transmembrana M1 y M2, cada uno constituído por 6 α- hélices. - Los dominios C1a y C2a forman un dímero que constituye el sitio catalítico donde se une el ATP para formar el AMPc , en presencia de Mg++ . El AMPc activa a la Proteína Kinasa dependiente de AMPc (PKA). PKA: serina/treonina PKA i / i ki kinasa fformada d por dos subunidades regulatorias y 2 catalíticas. El AMPc se une a las subunidades regulatorias y produce la disociación de las subunidades catalíticas activando PKA PKA activada fosforila : Factores de transcripción: proteínas de unión al DNA q p que actúan en la transcripción génica, como CREB, CREM y ATF-1, las cuales se unen a secuencias específicas del DNA: CRE –elemento respondedor p a cAMP. CREB fosforilado se unen CREB binding protein (CBP) e interactúa con otro factor de transcripción p y activa la maquinaria q de transcripción. Nota: Defectos de CBP llevan a retardo mental (Síndrome de Rubinstein-Taybi). Enzimas : puede activarlas o inactivarlas (fosforilasa kinasa – glucógeno sintetasa) Canales, por ejemplo el canal de Cl- -CFTR-se abre por fosforilación por PKA Receptores 7TM: como mecanismo de desensibilización. La actividad de la PKA puede ser disminuida por: - un mecanismo de feedback negativo ya que uno de los sustratos activados por la enzima es una fosfodiesterasa (PDE) quien rápidamente convierte cAMP en AMP reduciendo así la cantidad de PKA activada. AMP, activada Sistema ON- OFF AMPc (A) Activation of protein kinase A of higher eucaryotes via cAMP. cAMP The freed C-subunits are phosphorylating various substrate proteins at specfic serine or threonine sites, respectively. Hereby ATP is converted to ADP. (B) One of the substrates of PKA is the phosphodiesterase PDE. After phosphorylation by PKA, the activated enzyme catalyzes the hydrolyzes of cAMP to AMP. Hence the activity of PKA is reduced or terminated (feedback control). Señalización mediante Gq Ejemplos de hormonas que se unen a receptores que se acoplan a Proteínas Gq: - TRH GnRH GRP (Gastrin Releasing Peptide) Angiotensina II Sustancia P Colecistoquinina PTH Señalización mediante Gq La subnunidad q estimula Fosfolipasa C- (PLC- ), la cual hidroliza fosfatidilinositoles (PIPs, lípidos minoritarios de las membranas plasmáticas) y produce IP3 (que difunde al interior d lla célula) de él l ) y DAG (que ( permanece en membrana). b ) Acciones de los segundos mensajeros IP3 y DAG DAG estimula a Proteína Kinasa C (PKC) que es una serina/treonina kinasa. Estructura de las isoenzimas de la familia de PKC Isoformas de PKCs: •cPKCs: clásicas. clásicas Se activan por DAG, DAG fosfolípidos y Ca2+ • nPKCs: nóveles. Se activan por DAG y fosfolípidos pero no por Ca2+ • aPKCs: atípicas. Son independientes de DAG y Ca2+. Se activan por fosfolípidos y mecanismos de transfosforilación PKC modifica actividad fosforilación y puede: enzimática por a corto plazo: - regular los procesos de secreción y exocitosis celular - regular la actividad de bombas y canales iónicos y de receptores 7DTM por fosforilación f f il ió directa di t a largo plazo regulación : está implicada en la - de la expresión génica ya que puede modificar la transcripción génica: -por fosforilación de factores de transcripción como son jun y fos -o por activación de la vía de las Proteínas Kinasas Activadas por Mitógenos (MAPK). -de la proliferación celular -del proceso de almacenamiento de información en la memoria El IP3 se une a su receptor en retículo endoplásmico (esta constituido por 4 subunidades y cada una une una molécula de IP3). Este receptor es un canal de Ca2+ y al unirse a IP3 se abre. Como consecuencia aumenta la concentración intracelular de Ca2+. Ca2+ : importante mensajero intracelular en acoplar: - excitación i i – contracción i muscular - excitación – liberación de neurotransmisores - acción ió secretagoga – secreción en varias glándulas endócrinas y exócrinas Ca2+ se une a proteínas y causa cambios conformacionales, activándolas. Ej: la unión de Ca2+ a troponina en células musculares estimulando la contracción, unión de Ca2+ a Calmodulina. El aumento t en lla Ca C 2+ citosólico it óli : • activa el sistema Ca2+-Calmodulina , que se une luego a Kinasas que pueden fosforilar factores de transcripción como CREB (interconexión entre receptores acoplados a Gs y Gq) así como a proteínas del citoesqueleto. También activa una kinasa específica de IP3 dando IP4, un activador directo de ROC (canales operados por receptores) • activa directamente una PLC específica de PI (fosfatidilinositol) y fosfatidilcolina (PC) y una PLA2 (ó diglicérido lipasa) el DAG generado por hidrólisis de PI y PC sirve de sustrato a la PLA2 para liberar ác. araquidónico, precursor de moléculas importantes en la regulación autocrina-paracrina de distintas funciones celulares Ca2+ como segundo mensajero: Mediador de muchas respuestas celulares provocadas por moléculas reguladoras La Ca2+ citosólica es muy baja en comparación al espacio extracelular. Esta gran diferencia crea un gradiente electroquímico que tiende a introducir Ca2+ al citosol . Ca2+ Pasma, Fluido extracelular 1‐2 mM Citosólico intracelular (células en reposo) 50‐100 nM Lumen intracelular (RE) 30‐300 M Ca22+ es el segundo mensajero intracelular mayoritario y sus niveles intracelulares, normalmente bajos, son regulados por: Bombas de Ca2+-ATP dependientes ubicadas en el retículo endoplásmico (SERCA) –mete Ca22+ al RE Bombas de Ca2+ en membrana plasmática: Ca2+Mg2+ ATPasa Canales de Ca2+ activados por voltaje Canales de Ca2+ activados por ligando El estricto control del nivel de Ca2+ permite que la célula interprete pequeños cambios en su concentración como señales reguladoras •Muchas Muchas hormonas y neurotransmisores regulan procesos celulares importantes induciendo la movilización de este ión. Así un aumento de Ca2+ en el citoplasma puede: -activar directamente proteínas contráctiles (troponina ) y numerosas enzimas - preactivar PKC - activar el sistema Ca2+-Calmodulina, que a su vez regula, directa o indirectamente a otras kinasas responsables de controlar numerosas respuestas celulares Señalización mediante Gi Ejemplos de hormonas que se unen a receptores que se acoplan a Proteínas Gi: - Somatostatina - Serotonina - Galanina - Encefalina - Adrenalina (al unirse a su receptor 2-adrenérgico) - GABA (receptor GABAB) La subunidad i /o: - inhibe la AC Señalización mediante Gi/o La subunidad i /o: - inhibe la AC - activa canales de K+ - inactiva canales de Ca++ - activa fosfolipasa C Canales de K+ Canales de Ca2+ Existen mecanismos para regular los niveles o la actividad de los receptores de superficie celular y que permiten así la modulación o la terminación de la respuesta hormonal: 1) biosíntesis de los receptores altamente regulada de manera tal que receptores adicionales di i l se generan sólo l cuando d son requeridos. id 2) endocitosis del receptor mediada por ligando. El complejo hormona-receptor es internalizado en vesículas recubiertas de clatrina que se acidifican formando endosomas (pierden p el recubrimiento) y el complejo p j se disocia. El ligando g es g generalmente degradado g (removiendo la señal) y el receptor: - es reciclado a la superficie celular - es degradado en lisosomas GRK: kinasas de receptores acoplados a Proteínas G Arrestinas: sirven de adaptadores para clatrina, clatrina ayudando a dirigir a los receptores a coated pits recubiertos por clatrina para su internalización . Mecanismos de regulación del número de receptores en membrana 3) desensibilización de los receptores regulando la capacidad de unir la hormona o subsecuentemente de transducir la señal: - desensibilización d ibili ió d dell receptor t mediado di d por fosforilación f f il ió en residuos id Ser/Thr citoplasmáticos (proceso reversible) por kinasas: PKA, PKC, GRK, ARK (kinasa del receptor -adrenérgico). Ahora no se acopla a Proteínas efectivamente. La posterior unión de proteínas de la familia de la arrestina, promueven un mayor d desacople l suprimiendo i i d aún ú más á lla señal. ñ l Puede ser homóloga o heteróloga PKC Mecanismos subyacentes a la desensibilización: - pérdida de receptores para IP3 - depleción d l ió d de reservorios i 2+ intracelulares de Ca - inactivación de canales de Ca2+ PKC Receptores con actividad Guanilato Ciclasa Son proteínas transmembrana de una cadena, con un dominio extracelular de unión al li ligando, d uno transmembrana t b y un dominio d i i citoplasmático it l áti con actividad ti id d guanilato il t ciclasa. En este caso GMPc es el segundo mensajero. GMPc : GMP - activa canales iónicos - modula PDE (fosfodiesterasas) -activa la enzima : Protein Kinasa activada i d por GMPc GMP (PKG) la l cuall es una serina/ treonina kinasa que activa otras enzimas en forma similar a PKC y PKA. Clases de receptores GC GC-A, GC A B y C: Son S receptores t para péptidos é tid natriuréticos t i éti (ANP BNP y CNP) (ANP, CNP). También se unen a enterotoxinas termoestables que producen diarrea. GC-D: Se encuentran en neuronas sensoras del olfato. No se conocen los ligandos. proteínas accesorias reguladas g p por Ca2+ : GCAPs Están moduladas una familia de p GC-E y F: Se encuentran en ojo y tampoco se conocen los ligandos. GC solubles: No son receptores de membrana. Son blanco de señalización de Óxido Nítrico (NO). Receptor GC soluble El receptor del NO tiene actividad guanilato ciclasa y produce GMPc como 2º mensajero para inducir la relajación del músculo liso de las arterias. Síntesis del NO Receptor GC de membrana Fotón Regulador de la conductancia transmembrana de la fibrosis quística Receptor GC de membrana Regulación de la secreción intestinal por ST (enterotoxina termo-estable) y GC-C. GC C Bacteria containing plasmids encoding homologous peptide family of STs colonize the intestine. Bacterial colonization leads to production of ST in the gut lumen, which specifically recognizes and binds to the GC-C, expressed in the brush border membranes of intestinal mucosa cells from the duodenum to the rectum. Interaction of ST and GC-C is translated into activation of the cytoplasmic catalytic domain resulting in the production and accumulation of [cGMP]i. This cyclic nucleotide binds to and activates PKG II, also localized in the intestinal cell brush border membrane Also, membrane. Also cGMP may activate PKA, PKA either directly or by inhibiting a cAMP-specific cAMP specific PDE and inducing the accumulation of cAMP. cAMP The CFTR that is colocalized with GC-C and PKG II in brush border membranes is a substrate for that protein kinase and PKA. CFTR is a chloride channel, and its phosphorylation by PKA or PKG results in a persistent open state, permitting chloride to flow down its concentration gradient from the intracellular to the extracellular compartment. Other ion channels and transporters in the cell maintain the electroneutrality of STinduced chloride efflux. Vectoral water flux from the basolateral to the apical surface is driven by these ionic conductances, resulting in the accumulation of fluid and electrolytes in the intestinal lumen and secretory diarrhea. Molecular mechanisms underlying vascular smooth muscle relaxation mediated by cyclic GMP. GMP Cyclic GMP induces smooth muscle relaxation by reducing [Ca2+]i and desensitizing the contractile apparatus to Ca2+. Cyclic GMP reduces [Ca2+]i by 1) inhibiting Ca2+ influx through L-type Ca2+ channels; 2) increasing Ca2+ efflux through activation of (2d) the Ca2+-pumping ATPase and (2b) the Na+/Ca2+ exchanger; also, cGMP may produce membrane hyperpolarization through activation of (2c) the Na+/K+ ATPase and (2a) K+ channels, thereby increasing Ca2+ extrusion by th Na the N +/Ca /C 2+ exchanger; h 3) increasing of Ca2+ sequestration through activation of the sarcoplasmic reticulum Ca2+-pumping ATPase [Ph, phospholamban]; and 4) decreasing of Ca2+ mobilization through inhibition of agonist-induced IP3 formation or inhibition of the IP3 receptor in the sarcoplasmic reticulum. Cyclic GMP desensitizes the contractile apparatus to Ca2+ (4) probably by activating myosin light chain phosphatase, resulting in dephosphorylation of the 20 kDa myosin light chain. PATOLOGÍAS ASOCIADAS A SISTEMAS DE SEGUNDOS MENSAJEROS RECEPTORES ACOPLADOS A PROTEÍNAS G HETEROTRIMÉRICAS Receptor (sensor) de Ca2+ Mutaciones inactivantes son responsables de causar la hipercalcemia hipocalciúrica familiar (heterocigosis) y el hiperparatiroidismo neonatal severo (homocigosis). (homocigosis) Mutaciones activantes causan hipocalcemia dominante. Receptor de Vasopresina V2 Más de 50 diferentes mutaciones inactivantes se encuentran en pacientes con diabetes insípida nefrogénica. Receptor de TSH Mutaciones somáticas activantes (en el tercer loop citoplasmático) inducen adenomas tiroideos funcionales. También existen formas autosómicas dominantes (hipertiroidismo congénito). Receptor de LH M t i Mutaciones activantes ti t producen d pubertad b t d precoz familiar f ili ( (en varones). ) Hiperplasia de células de Leydig y elevada producción de testosterona. Receptor de ACTH Mutaciones inactivantes producen deficiencia aislada de glucocorticoides (herencia autosómica recesiva). RECEPTORES CON ACTIVIDAD GUANILATO CICLASA • Receptor GC-A (ANP/BNP) La disrupción de este gen en ratones produce un incremento de la presión arterial independiente de la ingesta de sales. • Receptor GC-E Las únicas enfermedades humanas que mapean con este gen, están involucradas en distrofias de la retina (amaurisis congénita de Lebes, distrofia de cono – bastón dominante) PROTEÍNAS G HETEROTRIMÉRICAS SUBUNIDAD s: Mutantes activadas (oncogén gsp) Adenoma hipofisario (hiperplasia de somatotropos): Mutación somática en células secretoras de GH: acromegalia y gigantismo. Hipertiroidismo (adenoma folicular): Mutación somática produce nódulos hi hiperplásicos l i d células de l l foliculares f li l d la de l tiroides i id con hipersecreción hi i de d hormonas h tiroideas. Síndrome McCune-Albright: Mutación somática que ocurre en la embriogénesis temprana afectando a un mosaico de poblaciones. temprana, poblaciones Fenotipo pleiotrópico: pigmentación de la piel, pubertad precoz, hipertiroidismo, adenomas hipofisarios secretores de GH con acromegalia, hiperplasia adrenal autónoma, etc. Mutantes inactivadas Pseudohipoparatiroidismo tipo 1a (Síndrome de la osteodistrofia hereditaria de Albright): Mutación hereditaria que produce resistencia a múltiples hormonas causando d síntomas í t d hipoparatiroidismo, de hi ti idi hi ti idi hipotiroidismo, e hipogonadismo: hi di : baja b j estatura, cara redondeada, obesidad y osificación subcutánea. Toxina Colérica ADP ribosila la subunidad s disociándola del complejo e inhibiendo su actividad GTPasa, manteniendo esta subunidad en su forma activa. Aumenta la activación de AC, lo que aumenta la producción de AMPc que en células epiteliales intestinales causa aumento de la secreción de fluidos (diarrea). SUBUNIDAD i: Mutantes activadas (oncogén gip) Tumores ováricos y de corteza adrenal. Mutación del gen de i2 (gip2). Toxina Pertussis ADP ribosila la subunidad i, desacoplando la proteína Gi del receptor e inhibiendo la disociación de i. Esto lleva a una activación constitutiva de la AC y a un aumento de AMPc. Mutantes inactivadas En ratones con disrupción del gen i2: desarrollo progresivo y letal de colitis ulcerativa l i (IgG (I G en mucosa). ) En E algunos l casos, se observó b adenocarcinomas d i d colon. de l SUBUNIDAD q: No se han encontrado mutantes de q en tumores humanos. •Las hormonas tienen múltiples acciones, por lo que debe haber puntos de ramificación d dentro d de lla cascada de transducción de la señal así como la h bilid d habilidad para regular estas múltiples ramas independien temente. •Luego que la hormona se une a su receptor, se desencadenan múltiples pasos de señalización hasta que la acción hormonal se alcanza. •Esta necesidad de efectos múltiples e independientemente controlados es una razón por la cual los caminos de transducción de la señal son tan diversos y complicados. CROSSTALK “Cellular information processing requires the coordinated activity of a large network of intracellular signaling pathways pathways” Natarajan et al, Nature Cell Biology, 2006. ¡¡¡MUCHAS GRACIAS!!! BIBLIOGRAFÍA • SIGNAL TRANSDUCTION. Second Edition. Gomperts, Ktamer, Tatham (2009). Elsevier Inc. •ENDOCRINOLOGY. BASIC AND CLINICAL PRINCIPLES. P. Michael Conn, Shlomo Melmed ((1997). ) Humana Press ((Totowa, New Jersey) y) • WILLIAMS TEXTBOOK OF ENDOCRINOLOGY. 9th. Edition. Wilson, F Foster, K Kronenberg, b L Larsen (1998) (1998). W W. B. B Saunders S d Company. C • MOLECULAR BIOLOGY OF THE CELL CELL. Third Edition. Edition Alberts, Alberts Bray Bray, Lewis, Raff, Roberts, Watson (1994). Garland Publishing Inc. • BASIC AND CLINICAL ENDOCRINOLOGY. Third Edition. Greenspan (1991). Prentice-Hall International Inc.
