guia RECEPTORES DE MEMBRANA_final

Célula, Genoma y Organismo 4° Medio Electivo
Profesora Bernardita Barraza
GUIA DE ESTUDIO: COMUNICACIÓN CELULAR
Departamento
Ciencias
Mecanismos generales de comunicación celular
La comunicación celular puede establecerse de distintas formas que incluyen: a) la
comunicación paracrina: la señal actúa sobre células vecinas; b) endocrina: la señal viaja por el
torrente sanguíneo y alcanza células lejanas; c) autocrina: la señal llega a la misma célula de la
cual salió; d) neurotransmisión: la señal es liberada por la célula emisora al espacio sináptico,
donde es captada por la célula receptora; e) contactos célula-célula: la señal permanece
anclada a la membrana de la célula emisora mientras interactúa con la célula receptora y f)
mediante gaps: la señal se difunde desde la célula emisora a la receptora.
El reconocimiento de la señal
En cada organismo existen distintos tipos de señales químicas que reciben el nombre de
ligandos y forman complejos con receptores específicos. Cada tipo celular es sensible a
distintas señales y cada interacción ligando-receptor está asociada a una función particular.
Cada célula responde a un conjunto de señales.
El complejo ligando-receptor transmite el mensaje al interior de la célula e inicia un camino
que lleva a la ejecución de una respuesta biológica específica. Por este proceso completo se
transduce la señal.
Ciertas moléculas pequeñas y/o hidrófobas atraviesan la membrana celular y se unen a
receptores internos. Estos complejos suelen unirse al DNA y actuar como factores de
transcripción.
Los receptores de membrana son variados. Pueden formar parte de canales iónicos, presentar
actividad enzimática o estar asociados con enzimas. Existen receptores que activan una
proteína adaptadora, la proteína G, que transmite el mensaje al siguiente intermediario.
Fig. 1. Ubicación de los receptores
Los receptores pueden encontrarse
en el interior de la célula o bien
anclados en la membrana plasmática.
(a) Receptor intracelular; (b)
receptor de membrana.
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Los receptores intracelulares
Ciencias
Los glucocorticoides y los mineralocorticoides, las hormonas sexuales y las
hormonas tiroideas son ejemplos de ligandos que se unen a receptores intracelulares que
actúan como factores de transcripción. Todos los receptores intracelulares tienen una zona
de unión al DNA y otra de reconocimiento del ligando.
Las proteínas chaperonas mantienen el plegamiento específico de los receptores que se
encuentran libres en el citoplasma. Luego de la unión de una hormona al receptor, el complejo
se transloca al núcleo, se separa de la chaperona y forma un dímero con otro complejo similar.
Estos dímeros interactúan con secuencias específicas del DNA, disparando la transcripción
génica.
Los receptores de membrana
Las hormonas polipeptídicas se unen generalmente a sus receptores específicos en la
membrana celular. El receptor reconoce características estructurales de la hormona que
generan un alto grado de especificidad y afinidad. La unión de la hormona al receptor puede
provocar cambios conformacionales en la molécula de receptor que permiten la asociación con
el transductor, en el que pueden tener lugar cambios adicionales para permitir la interacción
con una enzima en el lado citoplasmático de la membrana celular. Los cambios
conformacionales en la enzima, a su vez, hacen que se active su sitio catalítico. Es más, en
algunos casos, el complejo receptor "activado" podría, físicamente, abrir un canal iónico en la
membrana o tener otros impactos profundos sobre su estructura. Este proceso se conoce
como TRANSDUCCIÓN DE LA SEÑAL y a las moléculas participantes en las interacciones se
los llama genéricamente transductores o moléculas transductoras.
Muchas de las hormonas que se unen a receptores de membranas transmiten sus señales
mediante:
1) aumento del AMPC y la activación de la ruta de la proteína quinasa A
2) el aumento del GMPC y la activación de la ruta de la proteína quinasa G
3) activación de la hidrólisis del fosfatidilinositl 4,5 bifosfato y la estimulación de la ruta de
la proteína quinasa C.
Los receptores ionotrópicos se encuentran en la membrana celular y permiten el pasaje de
iones al interior o exterior de la célula. En general, responden a neurotransmisores y
controlan procesos de contracción muscular y transferencia neuronal de información.
Existen dos tipos de receptores de membrana asociados con enzimas: los que se activan y
funcionan como enzimas y los que activan enzimas del lado interno de la membrana celular. En
la gran mayoría de los casos, la actividad enzimática asociada es de proteincinasa. Estos
receptores participan en cascadas de señalización, cuyas respuestas biológicas se relacionan
con la regulación de la proliferación, la diferenciación, la producción de la matriz extracelular,
la reparación de tejidos y la regulación inmunitaria.
Luego de la interacción entre el ligando y el receptor, se produce la formación de varios
complejos ligando-receptor en la membrana celular. Los dominios catalíticos permiten la
fosforilación recíproca en residuos de tirosina, serina o treonina (según de qué receptor se
trate). Esta autofosforilación es seguida por el reclutamiento de moléculas señalizadoras
citosólicas, que transmiten el mensaje al interior de la célula. Otros receptores presentan
actividad guanilato ciclasa, que cataliza la producción de cGMP a partir de GTP.
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Fig. 2. Receptores con actividad de tirosina cinasa
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(a) Antes de que
se una la molécula
señal, los
receptores
existen como
polipéptidos
individuales. La
parte intracelular
de estos
receptores
contiene múltiples
tirosinas. (b)
Cuando se une la
molécula señal, por ejemplo un factor de crecimiento, se produce la asociación de dos
receptores, formándose un dímero. (c) La dimerización activa la región del receptor con
función de enzima, la tirosina cinasa (que no estaba fosforilada y por lo tanto, inactiva). Las
tirosinas de la tirosina cinasa adicionan un grupo fosfato que provienen del ATP. (d) Ahora el
receptor está activado y puede fosforilar proteínas intracelulares. La fosforilación en
tirosina de estas proteínas modifica su conformación. Cuando se trata de enzimas, la
fosforilación les cambia la actividad. En el caso de proteínas sin actividad enzimática, la
fosforilación les permite la interacción con otras proteínas. Por ambos mecanismos se
transduce la señal del ligando al interior celular. Esto activa una serie de vías que conducen a
la respuesta celular.
Algunos receptores de membrana están acoplados a proteínas G, que intermedian la
interacción entre aquellos y otras proteínas de membrana. La cantidad de ligandos que se une
a este tipo de receptores es enorme (entre ellos, las hormonas adrenalina, glucagón,
adrenocorticotrofina, luteinizante, foliculoestimulante y angiotensina II).
Fig. 3. Receptores acoplados a proteínas G
(a) Este tipo de receptores consiste en un
polipéptido que atraviesa la membrana
plasmática siete veces. Este esquema muestra
la topología del receptor b2-adrenérgico que se
ha estudiado ampliamente. (b) Una señal
interactúa con el receptor que se activa y
cambia de forma. La proteína G inactiva se une
al receptor y se activa. Luego se desplaza hacia
otra proteína de membrana que se encuentra
en estado inactivo. Cuando la proteína G se une
a esta proteína, altera su actividad. Esto
conduce a una respuesta.
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Transducción
de
la
señal:
activación
de
la
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adenilciclasa.
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Proteínas G.
La hormona se une al receptor en la membrana
(Paso
1);
esto
produce
un
cambio
conformacional en el receptor que deja
expuesto un sitio para la fijación de proteína G
subunidad
(Paso 2); la proteína G puede ser
tanto estimuladora, Gs, como inhibidora, Gi, en
relación con el efecto final sobre la actividad
de la adenilato ciclasa; el receptor interacciona
con la subunidad
de la proteína G
permitiendo que la subunidad intercambie el
GDP unido por GTP (Paso 3); la disociación de
GDP
provoca
la
separación
entre
la
subunidad y la subuni dad
de la proteína G
con lo que en la superficie de la subunidad de
la proteína G se origina un sitio de unión para la
interacción con la adenilato ciclasa (Paso 4); la
subunidad se une a la adenilato ciclasa y
activa el centro catalítico, de modo que el ATP
es convertido en cAMP (Paso 5); el GTP se
hidroliza a GDP por la actividad GTPasa de la
subunidad
original y permitiendo de nuevo su interacción
con la subunidad
(Paso 6); el GDP se asocia
con la subunidad y el sistema retorna al
estado no estimulado en espera de otro ciclo de
actividad. Es importante destacar las pruebas
que sugieren que los complejos
pueden
desempeñar funciones importantes en la
regulación de determinados factores, incluída
la adenilato ciclasa.(figura 7)
Un mecanismo similar de activación de
proteínas G se propone para la activación de la
guanilatociclasa, enzima que cataliza la síntesis
de GMPc a partir de GTP.
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Transmisión de la señal al interior de la célula
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Cuando un ligando interactúa con su receptor de membrana, la señal es
transmitida al interior de la célula. Entonces se dispara una cascada de eventos que incluye la
síntesis de segundos mensajeros y la fosforilación de enzimas catalizada por proteincinasas.
Fig. 4. Fosforilación en
cascada
La cascada involucra la
fosforilación
de
enzimas
por
proteincinasas.
Supongamos que la
proteincinasa 1 activa
fosforila 100 moléculas
de proteincinasa 2,
activándolas. Cada una
de ellas fosforilará
otras 100 moléculas de
proteincinasa
3,
activándolas. Cada una
de ellas fosforilará a
otras 100 moléculas de
proteína
blanco
inactiva responsable de
una respuesta celular.
En suma, la activación
de una molécula de
proteincinasa 1 produce
la fosforilación de 100
x 100 x 100 moléculas
de proteína blanco
inactiva.
De
esta
manera, se amplifica la
señal.
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Los segundos mensajeros son moléculas pequeñas que se generan en gran
cantidad y rápidamente en respuesta a la activación de un receptor. Llevan la señal a otras
partes de la célula y la amplifican mediante la activación de cinasas y otras enzimas. Los
nucleótidos cíclicos, el ion Ca2+ y ciertos lípidos son ejemplos de segundos mensajeros.
Fig. 5. Los fosfolípidos
segundos mensajeros
son
La hidrólisis del fosfatidilinositol
difosfato libera por un lado el
inositol trifosfato (IP3) y por el
otro diacilglicerol (DAG). La
fosfolipasa C es la enzima que
cataliza esta reacción. Esta
enzima puede ser activada por
proteínas Gq como se muestra en
el esquema o mediante la
interacción con receptores. El
IP3 liberado al citoplasma
interactúa
con
receptores
localizados en los depósitos de
Ca2+ del retículo endoplasmático
y estimula la liberación de este
ion al citoplasma. Sobre el
margen superior izquierdo del
esquema se observa la estructura
del fosfatidilinositol difosfato.
La
fosforilación
y
desfosforilación de proteínas son
parte de la transducción del
mensaje. Esto significa que la mayoría de los mensajes que se transmiten al interior de las
células producen la activación de cinasas que regulan su función mediante la fosforilación de
diversos sustratos.
Los caminos de transducción pueden ser lineales, pero también pueden existir puntos
potenciales de regulación y de intersección entre distintos caminos. La respuesta celular está
conformada por un circuito complejo de activación que involucra más de un camino de
señalización. Una molécula señal puede ser reconocida por diferentes receptores asociados a
distintos mecanismos de transducción. También puede ocurrir que un mismo receptor active
diferentes vías.
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El final de la vía: la respuesta biológica
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La transducción de las señales externas produce una respuesta por parte de
la célula blanco. Esta respuesta es una alteración como resultado de la activación o inhibición
de alguna vía metabólica, y de modificaciones en la forma o el movimiento de las células. El
papel de estos procesos en el control de la diferenciación, de la proliferación y del
crecimiento celular es esencial para el desarrollo y el funcionamiento normales del organismo.
Segundos mensajeros
AMP cíclico.
La formación de cAMP en la célula normalmente activa la proteína quinasa A, lo que se
denomina ruta de la proteína quinasa A. La ruta completa utiliza cuatro moléculas de cAMP en
la reacción que forma un complejo entre dos subunidades reguladoras (R), liberándose dos
subunidades catalíticas (C) de la proteína quinasa. Las subunidades catalíticas de
proteinquinasa A liberadas son capaces de fosforilar proteínas para producir un efecto
celular.
Por último, puede también activarse una proteína llamada CBP que migrando al núcleo
reconocen enhancers ("potenciador") específicos llamados “sitios CREB”, elementos de
respuesta a cAMP, con lo que se puede modificar actividades enzimáticas por inducción o
represión de genes. Son muchas las hormonas que actúan a través de este mecanismo.
IP3, DAG, Calcio-calmodulina
El descubrimiento del regulador de la actividad de la fosfodiesterasa dependiente de calcio
proporcionó la base para comprender la manera en que el Ca2+ y el AMPc interactúan dentro
de la célula. El término con el que se conoce ahora a la proteína reguladora dependiente del
calcio es calmodulina, una proteína de 17 KDa homóloga a la proteína muscular troponina C en
estructura y función. La calmodulina tiene cuatro sitios para fijación del calcio y la ocupación
total de estos sitios conduce a un cambio notable de la conformación, de modo que la mayor
parte de la molécula asume una estructura de hélice alfa. Se presume que este cambio de
conformación confiere a la calmodulina la propiedad para activa o inactivar enzimas. La
interacción de calcio con la calmodulina (con el cambio resultante de actividad de la última) es
conceptualmente análoga a la fijación del AMPc a la proteína cinasa y la activación
subsiguiente de esta molécula. Con frecuencia, la calmodulina es una de las subunidades
reguladoras de proteínas oligómeras, entre ellas varias cinasas y enzimas, participando en el
metabolismo de combustibles como en la generación y degradación de nucleótidos cíclicos y el
transporte de iones. Además de estos efectos, el complejo calcio/calmodulina regula la
actividad de numerosos elementos estructurales en las células..
Los niveles de calcio citosólicos pueden modificarse tanto por ingreso del calcio extracelular
como por la liberación desde su principal depósito intracelular: el retículo endoplásmico.
La variación de los niveles de calcio puede controlarse directamente por ligado de la hormona
al receptor (ej: neurotransmisores) tanto como a través de las modificaciones en los niveles
de IP3- DAG por acción de la fosfolipasa C (ej: insulina).
Una hormona que opera a través de este sistema se une a un receptor específico de la
membrana celular, que interacciona con una proteína G según un mecanismo similar al de la
ruta de la proteína quinasa A y transduce la señal, lo que da como resultado la estimulación de
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fosfolipasa C. Esta enzima cataliza la hidrólisis de fosfatidilinositol
4,5-bifosfato (PIP2) para formar dos segundos mensajeros, diacilglicerol
(DAG) e inositol-1,4,5-trisfosfato (IP3).
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El inositol 1,4,5-trisfosfato difunde hacia el citoplasma y se une a un receptor de IP3 en la
membrana de un depósito de calcio, que puede estar separado del retículo endoplasmático, o
bien formar parte del mismo. Esta unión da como resultado la liberación de iones calcio, que
contribuye a un gran incremento del calcio citoplasmático.
Por otro lado, el IP3 se metaboliza por eliminación progresiva de grupos fosfato hasta formar
inositol. Este se combina con ácido fosfatídico (PA) para formar fosfatidilinositol (PI) en la
membrana celular. Este último es fosforilado doblemente por una quinasa para formar PIP2,
que bajo estímulo hormonal ya puede entrar en otra 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 hormonareceptor. Por último, es importante destacar que no todo el IP3 es desfosforilado durante la
estimulación hormonal. Parte del IP3 es fosforilado mediante la IP3 quinasa para dar lugar a
inositol 1,3,4,5-tetrafosfato (IP4), que puede mediar en algunas de las respuestas hormonales
más lentas o prolongadas -a través de la activación de cascadas de quinasas/fosfatasas -con
la modificación final de la expresión genética.
El DAG activa la ruta de la proteína quinasa C. Simultáneamente al aumento de Ca2+
citoplasmático inducido por el IP3, el cual procede de la hidrólisis de PIP2, el DAG produce
diversos efectos. El DAG activa una importante proteína quinasa de serína/treonína
denominada proteína quinasa C por su dependencia de calcio. El aumento inicial del calcio
citoplasmático inducido por IP3 parece alterar de algún modo la proteína quinasa C, de modo
que ésta es translocada desde el citoplasma hacia la cara citoplasmática de la membrana
plasmátíca. Una vez translocada, es activada por una combinación de calcio, DAG y el
fosfolípido negativo de la membrana, fosfatidilserina. Tras su activación, la proteína quinasa
C fosforila proteínas específicas en el citosol o, en ocasiones, en la membrana plasmática.
Estas proteínas fosforiladas llevan a cabo funciones específicas que no pueden realizar en el
estado desfosforilado. Por ejem plo, una proteína fosforilada podría migrar hasta el núcleo e
incrementar la mitosis y el crecimiento. Además, el sistema IP3-DAG puede modificar la
actividad de una familia de enzimas llamadas genéricamente fosfodiesterasas, de las cuales
es más abundante la fosfodiesterasa 1 (FD1), cuya activación permite la destrucción de
moléculas de cAMP. De este modo hormonas cuyo segundo mensajero es el IP3 pueden reducir
los niveles de cAMP en forma indirecta.
GMP cíclico. Ruta de la proteína quinasa G.
El tercer sistema es el sistema de la proteína quinasa G, que se estimula por el aumento de
cGMP citoplasmático. El GMP cíclico es sintetizado por la guanilato ciclasa a partir de GTP. Al
igual que la adenilato ciclasa, la guanilato ciclasa está vinculada a una señal biológica
específica a través de un receptor de membrana. El dominio extracelular de la guanilato
ciclasa puede ejercer la función de receptor hormonal.
El cGMP producido activa una proteína quinasa G, que posteriormente fosforila proteínas
celulares para que se expresen muchas de las acciones de esta ruta. Es necesario conocer más
datos acerca de la proteína quinasa G.
Referencias: Curtis et al: Biología (2008), 7ma edición. Editorial Panamericana
Célula, Genoma y Organismo 4° Medio Electivo
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