Hormonas - TeacherTube

Cátedra de Química Biológica 2009
HORMONAS: Aspectos moleculares
• Mecanismos de comunicación y regulación del funcionamiento de células
y organismos.
• Sistemas de comunicación.
• Sistema endocrino.
• HORMONAS
• Tipos de acciones promovidas por las hormonas.
• RECEPTORES.
o Intracelulares
o De membrana plasmática.
Rc asociados a proteínas G.
Rc proteína-tirosina quinasa.
Rc ligados a otras actividades enzimáticas.
• SISTEMA DE TRANSMISIÓN DE SEÑALES
o AMP-3,5 cíclico.
o Fosfatidilinositolbifosfato
o Señal del calcio.
o Ras y quinasas MAP
o JAK_STAT
• INSULINA
• Mecanismo de acción.
• Acciones de la insulina en la regulación de la síntesis y degradación del
glucógeno.
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HORMONAS: ASPECTOS MOLECULARES
MECANISMOS DE COMUNICACIÓN Y REGULACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO
DE CÉLULAS Y ORGANISMOS
ORGANISMOS
UNICELULARES
Modulación de la Actividad
(Activadores o Inhibidores)
Enzimática
Regulación de Síntesis de proteínas
Expresión Genética
ORGANISMOS
PLURICELULARES
Efectos
alostéricos
Inductores o represores
Órganos y tejidos con la necesidad de disponer de sistemas de
comunicación
Nervioso Red de comunicaciones rápidas que conecta e interrelaciona los
diversos componentes del organismo. Actúa por liberación de
neurotransmisores en los terminales sinápticos.
Endócrino Formado por glándulas en distintos tejidos que elaboran y
secretan productos activos (hormonas) que se vierten a la circulación en
respuesta a estímulos específicos. Vehiculizados por la sangre, alcanzan
tejidos, donde provocan un efecto determinado.
Sistemas de
Comunicación
Otros Mecanismos de
Comunicación
Sistema Neuroendócrino. Una región del cerebro, el hipotálamo, produce
factores que controlan la secreción de hormonas en la hipófisis anterior y
también oxitocina y vasopresina, liberadas en la hipófisis posterior, con
efectos sobre glándula mamaria y riñón respectivamente. La médula adrenal
vierte en la sangre adrenalina y noradrenalina, agentes que también actúan
como neurotransmisores. Estas interrelaciones, entre otras, nos permiten
hablar de la existencia de un sistema neuroendócrino. Para completar la
integración debe tenerse en cuenta la relación con el sistema inmunitario.
Las células integrantes de este sistema secretan citoquinas que influyen
sobre las funciones neuroendócrinas y viceversa. Por esta razón, en los
sistemas biológicos de comunicación e integración es posible reunir en la
misma
categoría de mediadores químicos a hormonas, factores de
crecimiento, neurotransmisores y citoquinas.
A) Parácrinos: secretan sustancias que actúan sobre sus vecinos.
Ejemplos: eicosanoides, factores de crecimiento y citoquinas.
B) Autócrinos: secretan sustancias que actúan sobre la misma célula.
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La modulación de la actividad de enzimas por medio de efectores alostéricos y la regulación de la
síntesis de proteínas a través de inductores y represores son procesos aptos para asegurar el
funcionamiento de los sistemas metabólicos en organismos unicelulares. Pero esto no es suficiente en
los pluricelulares, los niveles de organización, la complejidad estructural, el desarrollo de órganos y
tejidos altamente diferenciados, lleva a la necesidad de disponer de sistemas de comunicación que
puedan adaptar la actividad de cada célula a las necesidades del organismo y promover su
funcionamiento como una unidad integrada. Esta misión esta a cargo de los sistemas nervioso y
endocrino.
El sistema nervioso cumple la función de una red de comunicaciones rápidas que conecta e
interrelaciona los diversos componentes del organismo.
El sistema endocrino está constituido por una gran diversidad de células, agrupadas en glándulas
discretas o dispersas en distintos tejidos, que elaboran o secretan productos activos. En muchos casos
estos productos denominados HORMONAS, se vierten en la circulación en respuesta a estímulos
específicos. Vehiculizadas a la sangre, las hormonas alcanzan los tejidos “blanco” ó “diana” en los cuales
provocan un efecto determinado. Este concepto clásico de hormona debe ser ampliado. También se
secretan sustancias que no llegan a la sangre; actúan sobre la misma célula de origen (mecanismos
autócrinos) o sobre células contiguas (mecanismos paracrinos).
En esta presentación mencionaremos los mecanismos más importantes que utilizan las células para
comunicarse y explicaremos la forma en que envían señales e interpretan las señales que reciben. Si
bien nos concentraremos el los mecanismos de recepción e interpretación de señales de la célula animal
y específicamente las del sistema endocrino, también efectuaremos una reseña de lo que conocemos
acerca de las vías de señalización de las células vegetales.
Principios generales de la señalización celular: La información puede transmitirse de diversas
maneras y con frecuencia la comunicación implica la conversión de señales de información de una en
otra. Los puntos críticos de esta transmisión se producen cuando el mensaje se convierte de una forma
en otra. Este proceso de conversión se denomina transducción de la señal.
En la mayor parte de esta presentación nos dedicaremos a analizar la recepción y la transducción de
señales, que son los dos fenómenos a los que se refieren los biólogos celulares cuando hablan de
señalización celular. Sin embargo, en primer lugar consideraremos brevemente los distintos tipos de
señales que se envían las células entre sí.
Las señales pueden actuar a distancias largas o cortas. Los organismos pluricelulares mantienen
cuatro formas de comunicación celular:
En los organismos pluricelulares, el modo de comunicación más
usual consiste en la emisión de la señal a todo el cuerpo por medio
de la secreción de moléculas señalizadoras en el torrente
sanguíneo (en el caso de los animales) o en la savia (en el caso de
los vegetales). Las moléculas señalizadoras que se utilizan en este
tipo de comunicación son las hormonas y en los animales las
células que producen las hormonas se denominan células
endocrinas. Este tipo de células forma tejidos especializados
denominados glándulas endocrinas. Por ejemplo, parte del
páncreas en una glándula que produce la hormona insulina, esta
regula la captación de glucosa en las células de todo el cuerpo.
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El proceso conocido como señalización parácrina es menos
común. En este caso las moléculas señalizadoras se difunden en
forma local a través del medio extracelular y permanecen en las
zonas cercanas a la célula que la secreta. Así actúan como
mediadores locales sobre las células vecinas.
Por ejemplo: moléculas como la histamina que contribuyen a la
inflamación en el sitio de una infección. O moléculas que controlan
la proliferación celular como el (PDGF) factor de crecimiento
derivado de las plaquetas, actúa durante la cicatrización de las
heridas.
Neuronal
Al igual que las células endocrinas, las neuronas pueden enviar
mensajes a través de largas distancias. Sin embargo, en el caso de
la señalización neuronal, el mensaje no se emite en forma amplia
sino que se envía de manera rápida y específica a células diana
individuales a través de líneas privadas. Las células nerviosas
tienen una prolongación denominada axón que termina en uniones
especializadas llamadas sinapsis sobre células diana que pueden
estar alejadas del cuerpo celular. Por ejemplo: Los axones que
conecta la medula espinal con el dedo gordo del pie, pueden tener
más de un metro de longitud. Al ser activada por señales del
entorno o de otras células nerviosas la neurona envía impulsos
eléctricos a lo largo de su axón a velocidades de hasta 100m/seg.
Al llegar a la terminación del axón estas señales eléctricas se
convierten en señales químicas: cada impulso eléctrico estimula a
la terminación nerviosa que libera un pulso de una señal química
extracelular llamada neurotransmisor (acetilcolina). Luego estos
neurotransmisores atraviesan el estrecho (< 100 mm) espacio
existente entre la membrana de la terminación del axón y la
membrana de la célula diana en menos de 1 mseg.
Esta forma de comunicación intracelular mediada por señales la
más intima y la más cercana de todas –no requiere de liberación
de una molécula secretada. Las células entran contacto directo a
través de moléculas señalizadotas alojadas en sus membranas
plasmáticas. El mensaje se envía cuando una molécula
señalizadota anclada en la membrana plasmática de una célula
emisora se una a una molécula receptora ubicada en la membrana
plasmática de la célula diana. Durante el desarrollo embrionario,
por ejemplo, esa señalización dependiente del contacto es
importante en los tejidos en los cuales las células adyacentes que
al comienzo son similares se especializan de diversas maneras.
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Para la señalización endocrina, paracrina y neuronal se utilizan muchas moléculas
señalizadoras del mismo tipo. Las principales diferencias radican es la velocidad y en la
selectividad con que se envían las señales a sus dianas.
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SISTEMAS de COMUNICACIÓN
CONSIDERACIONES GENERALES
RECEPTORES
La recepción de la señal comienza cuando una señal originada en el exterior de la célula diana encuentra
una molécula diana perteneciente a esa célula. En casi todos los casos la molécula diana es una
proteína receptora o un receptor y cada receptor se activa por un solo tipo de señal. La proteína
receptora realiza el primer paso de la transducción: recibe una señal externa y genera como respuesta
una nueva señal intracelular. Como regla este es solo el primer paso de una cadena de procesos
intracelulares de transducción de la señal.
Las moléculas de señalización extracelular se unen a receptores de superficie o bien a enzimas o
receptores intracelulares.
Algunas moléculas señalizadotas hidrófobas pequeñas, en cambio, se difunden a través de la membrana
plasmática de la célula diana y activan enzimas o se unen a receptores intracelulares, en el citosol o en el
núcleo.
La mayoría de las moléculas de señalización son grandes e hidrófilas y por ende no pueden atravesar la
membrana plasmática directamente; en lugar de ello se unen a receptores de superficie, los que a su vez
generan una o más señales dentro de la célula diana.
En este caso, hay tres clases principales de receptores de superficie celular.
Receptor asociado con canales iónicos.
Receptores asociados con proteínas G.
Receptores asociados con enzimas.
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SISTEMA ENDOCRINO
CONSIDERACIONES GENERALES
Está constituido por una gran diversidad de células, agrupadas en
glándulas discretas o dispersas en distintos tejidos, que elaboran
y secretan productos activos. En muchos casos estos productos,
denominados HORMONAS, se vierten a la circulación en
respuesta estímulos específicos. Vehiculizados por la sangre, las
hormonas alcanzan los tejidos “blanco” o “diana” en los cuales
provocan un efecto determinado. Este concepto clásico de
“hormona” debe ser ampliado. También se secretan sustancias
que no llegan a la sangre; actúan sobre la misma célula de origen
(mecanismos autocrinos) o sobre células contiguas (mecanismos
paracrinos)
NATURALEZA QUÍMICA DE LAS HORMONAS:
Esteroides:
Glucocorticoides de corteza suprarrenal.
Aldosterona de corteza suprarrenal.
Andrógenos de corteza suprarrenal.
Estrógenos y progesterona del ovario.
Testosterona del testículo.
1,2,5-dihidroxi-D3 metabolito activo de la vitamina D3.
Derivados de Aminoácidos:
Adrenalina o Epinefrina de la médula suprtearrenal.
Noradrenalina o Norepinefrina de la médula suprtearrenal.
Tiroxina y Triyodotironina de tiroides.
Melatonina de la glándula pineal.
Derivados de ácidos grasos poliinsaturados ( llamados eicosanoides).
Prostaglandinas
Tromboxanos
Leucotruienos
Péptidos.
Factores reguladores del hipotálamo.
Vasopresina del hipotálamo.
Oxitocina del hipotálamo.
Adenocorticotrofina (ACTH) de adenohipófisis.
Melanosito estimulante (MSH) de adenohipófisis.
Glucagón del páncreas, Gastrina, Secretina y otras del tracto gastrointestinal.
Pancreozinina
Calcitonina de tiroides.
Proteínas
Paratiroidea
Insulina del páncreas.
Prolactina (PR)
Foliculoestimulante (FSH)
Luteinizante (LH) ó estimulante de células intersticiales (ICSH)
Hormona de Crecimiento (GH)
Tirotrófica (TSH)
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TIPOS DE ACCIONES PROMOVIDAS POR HORMONAS:
•
•
•
Acción sobre mecanismos de transporte en membranas celulares: algunas
hormonas modifican el flujo de metabolitos o iones a través de membranas por su acción
sobre sistemas de transporte o canales iónicos.
Modificación de la actividad enzimática: se observan cambios en la actividad de
determinadas enzimas, esta acción es rápida y de carácter transitorio. Se ejerce
principalmente a nivel de enzimas regulatorias cuya actividad es aumentada o disminuida
por modificación covalente.
Acción sobre la síntesis de proteínas: Muchas hormonas modulan la síntesis de
enzimas y otras proteínas. Actúan predominantemente a nivel del ADN nuclear, regulando
el proceso de transcripción génica.
La misma hormona puede poner en marcha más de uno de los mecanismos señalados. Por
ejemplo la insulina favorece el transporte de determinados metabolitos a través de membrana,
modifica la actividad de enzimas y también la síntesis de proteínas.
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PROPIEDADES GENERALES DE LAS HORMONAS
•
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•
•
Actividad. Las hormonas actúan en concentraciones muy pequeñas. Por ejemplo
hormonas proteicas alcanzan concentraciones en el plasma de 10-12 y 10-10 M , mientras
que hormonas esterioideas 10-9 y 10-6 M.
Vida media. Debido a su actividad debe ser degradada en productos inactivos. El tiempo
promedio de duración puede variar de segundos a días.
Velocidad y ritmo de secreción. En general el ritmo de secreción no es un proceso
uniforme y sostenido. Responde a estímulos ambientales o del medio interno. Por
ejemplo la liberación de insulina es promovida por incrementos de la concentración de
glucosa en sangre. Las hormonas sexuales presentan ciclos. Las esteroideas de la
corteza adrenal cada 24horas (variaciones circadianas).
Especificidad. Es una de las propiedades más importante de las hormonas, su gran
especificidad de acción. Solo actúa sobre las células que constituyen su “blanco”,
“objetivo” ó “diana”.La hormona es vertida a la circulación general y alcanza a todos los
tejidos; sin embargo, su acción se ejerce unicamente a nivel de un número limitado de
células, en las cuales provoca un efecto definido de respuesta. Esta especificidad indica
la existencia de un mecanismo por el cuál la hormona reconoce a sus células efectoras.
RECEPTORES
La especificidad de las hormonas y su capacidad para identificar el blanco son posibles gracias
a la presencia de receptores en las células efectoras. Estos receptores son macromoléculas o
asociaciones macromoleculares a las cuales la hormona se fija selectivamente en virtud de una
estrecha adaptación conformacional o complementariedad estructural. La Hormona (H) y su
receptor (R) forman un complejo (HR) que presenta las siguientes características destacables:
•
•
•
•
•
Adaptación inducida. La fijación de la hormona al receptor implica una adaptación
estructural recíproca de ambas moléculas.
Saturabilidad. El número de receptores en una célula es limitado y presenta una
cinética hiperbólica del tipo enzima-sustrato, visualizando la saturabilidad.
Reversibilidad. La unión de hormona-receptor es reversible.
Localización de los receptores. Los receptores pueden estar ubicados en el interior
de la célula o en la membrana externa. El tipo de receptor dependerá en la mayoría de
los casos a la naturaleza química de la hormona, se estás son poco polares y
atraviesan con facilidad las membranas se unirán a receptores intracelulares. Las de
naturaleza proteica o peptídica y las moléculas pequeñas pero francamente polares se
fijan a receptores de superficie de membrana.
Número de receptores. El número de receptores de superficie puede variar entre
10.000 a 20.000.La cantidad de receptores intracelulares es mucho menor.
Generalmente el 20% de los receptores están ocupados cuando se ejerce una
respuesta máxima. El resto de los receptores son los llamados de reserva.
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RECEPTORES INTRACELULARES
Las hormonas esteroides, tiroideas, ácido retinoico y metabolitos activos de la Vitamina D3, poco
polares ingresan a través de las membranas de todas las células y son retenidas en aquellas que
poseen en su interior receptores específicos. Algunos de los receptores mencionados, especialmente
los de los glucocorticoides, pueden hallarse también en el citoplasma.
mover
Al llegar la hormona, se une con gran afinidad a
su receptor específico y desplaza las Hsp. El
receptor sufre un cambio conformacional, forma
dímeros y se fija a sitios definidos del ADN,
llamados elementos de respuesta a hormonas
(HRE), generalmente ubicados
“corriente
arriba” del promotor del gen “Blanco”. Los HRE
son repeticiones invertidas de segmentos
palindrómicos, separados por dos a cinco pares
de bases. Desde su lugar de fijación al
elemento de respuesta, el complejo hormonareceptor
interacciona con factores de
transcripción unidos al sitio promotor e influye
sobre el complejo de iniciación encargado de
ubicar correctamente la RNA polimerasa II y
asegura el comienzo de la transcripción.
Ejemplo de hormonas hodrofobas:
CORTISOL: Afecta el metabolismo de proteínas, los hidratos de carbono y los lípidos de la mayoría de los
tejidos.
ESTRADIOL: Induce y mantiene los caracteres sexuales secundarios femeninos.
TESTOSTERONA: Induce y mantiene los caracteres sexuales secundarios masculinos
TIROXINA: Estimula el metabolismo de muchos tipos celulares.
Los receptores intracelulares pertenecen a una
superfamilia de moléculas estructuralmente homólogas,
derivadas de un gen ancestral común. Presentan tres
dominios fundamentales: A)Un dominio hipervariable en
el extremo N-terminal, una porción de este dominio
participa en acciones reguladoras de la transcripción. B) El
dominio central, en el cuál se encuentran dedos de zinc
capaces de interactuar con secuencias específicas del
ADN, en este dominio es donde se encuentran las mayores
homologías entre las familias. C)
El tercer dominio
corresponde al C-Terminal, posee un sitio de unión a la
hormona.
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RECEPTORES DE MEMBRANA PLASMATICA:
Los receptores de superficie en la membrana plasmática son transmisores de señales al interior de la
célula. La llegada de una molécula de hormona, considerada el primer mensajero en el sistema de
señales, produce cambios conformacionales en su receptor específico, los cuales son transmitidos a
proteínas efectoras (enzimas o canales). Como resultado de la activación de enzimas, en algunos casos
se producen moléculas de pequeño tamaño (segundos mensajeros) que difunden rápidamente y hacen
más efectiva la propagación de la señal en el interior de la célula.
Hormonas diferentes, que actúan en células distintas y suscitan respuestas muy disímiles,
suelen utilizar los mismos intermediarios para cumplir su acción. Por esta razón, el repertorio de
sistemas transmisores de señales es más redicido que el de hormonas.
TIPOS PRINCIPALES DE RECEPTORES DE MEMBRANA
1. Receptores asociados a proteínas G
2. Receptore proteína-tirosina quinasa
3. Receptores ligados a otras actividades enzimáticas
1. RECEPTORES ASOCIADOS A PROTEINAS “G”
Pertenece a una numerosa familia de receptores de
superficie que presentan 7 hélices α transmembrana de 22
a 24 residuos hidrofóbicos cada una. El extremo Nterminal, extracelular, tiene inserta varias cadenas
oligosacáridicas; la hormona se une a un nidcho formado
por los extremos externos de varias de las hélices α
transmembrana; el asa entre las hélises 5 y 6 y el extremo
C-terminal se encuentran en el lado citosólico e
interaccionan, cuando el receptor es activado por la
hormona, con proteínas G ubicadas en la faz interna de la
membrana plasmática.
El mecanismo general de acción de receptores asociados a
proteínas G, es el siguiente:
a) La unión de hormona al receptor induce en este un cambio
conformacional que le permite interactuar con una proteína G
en la cara interna de la membrana.
b) La proteína G, unida a GDP en su estado inactivo,
reemplaza GDP por GTP y se activa.
c) La proteina G activada estimula una enzima localizada en la
membrana, que cataliza la producción de segundos
mensajeros.
d) El segundo mensajero provoca cambios en determinadas
proteínas celulares responsable de la respuesta final.
Frecuentemente esto acontece después de una serie de
reacciones “en cascada.”
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MECANISMO GENERAL DE ACCIÓN DE PROTEÍNAS “G”
mover
Proteína G
Las proteínas G, así llamadas por su propiedad de unirse a nucleótidos de guanina (GDP ó GTP), juegan
un papel esencial en sistemas de transmisión de señales. Sirven de nexo entre receptores de siete pasos
transmembrana y proteínas efectoras dentro de la célula.
Las proteínas G son heterotriméricas, constituidas por:
Una subunidad α de 40-45 kDa.
Una subunidad β de 37 kDa.
Una subunidad γ de 8 kDa.
Las subunidades β y γ forman un conjunto estrechamente asociado que funciona como una unidad
(dímero).
El heterotrímero esta adosado a la cara interna o citosólica de la membrana, a la cuál se mantiene
anclado. La subunidad α es fijada por un resto miristato. La subunidad γ esta asociada por una cadena
isoprenoide.
La subunidad α posee el sitio que fija con alta afinidad nucleótidos GDP y GTP. Mientras esta unido a
GDP se mantiene firmemente asociado al conjunto βγ para integrar el heterotrímero, que es INACTIVA.
La llegada de la hormona al receptor de membrana promueve en éste un cambio conformacional que
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determina su interacción con la proteína G inactiva. Se produce entonces liberación de GDP e ingreso de
GTP a la subunidad α. El complejo α-GTP se disocia del dímero βγ y adquiere actividad moduladora
sobre la proteína efectora que le sigue en el sistema de señales.
La subunidad α tiene actividad GTPasa; es capaz de hidrolizar el GTP fijado para dar GDP y Pi libre. La
subunidad α unida a GDP vuelve a fijarse al dímero βγ y reconstituye el heterotrímero inactivo.
Se han reconocido la existencia de 20 tipos distintos de subunidades α , 5 de β y 10 de γ, lo cuál permite
componer una gran variedad de proteínas G, las que han sido agrupadas en familias según el tipo de
subunidad α que poseen.
2-RECEPTORES PROTEINA-TIROSINA QUINASA
Existen
receptores con actividad catalítica en su propia molécula y otros asociados
directamente a enzimas.
Receptores con actividad tirosina quinasa intrínseca.
La insulina y numerosos factores de crecimiento se unen a receptores de este tipo en la
membrana celular. En su mayoría están constituidos por una cadena polipeptídica cuyo extremo
N-terminal, extracelular, posee el sitio de unión del ligando. Es común numerosos restos de
cisteína en este dominio. Sigue una hélice α transmembrana y la porción citosólica,
correspondiente al segmento C-terminal, donde se encuentra el sitio activo de la tirosina
quinasa.
El receptor de la INSULINA es algo más complejo; está formado por dos heterodímeros αβ
unidos entre sí por puentes disulfuro. La subunidad α, extracelulares, poseen e lugar de unión
de la hormona. Las subunidades β tienen un segmento transmembrana cada una y un dominio
citosólico con actividad tirosina quinasa.
La fijación del ligando al dominio extracelular de estos receptores produce un cambio
conformacional que induce dimerización (excepto en la insulina, formada por dos heterodímeros)
y activación de la tirosina quinasa. Se produce fosforilación cruzada de una cadena a otra en
varios restos tirosina del dominio citosólico; se habla de autofosforilación del receptor. Como
resultado de esta fosforilación aumenta aún más la actividad de la quinasa y se crean sitios a los
cuales pueden unirse otras proteínas que actúan como eslabones en la cadena de transmisión
de la señal. Los restos fosfotirosina promueven la fijación, a la porción citosólica del receptor, de
proteínas que contienen dominios SH2. La proteína con dominio SH2 unida al receptor activado
es fosforilada en restos tirosina y favorece la asociación de otras proteínas con dominios SH2.
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Receptores con actividad tirosina quinasa extrínseca.
Existe otra familia de receptores con capacidad para asociarse a proteína-tirosina quinasas del
citoplásma. Son semejantes en estructura a los receptores protein-tirosina quinasa descriptos,
aunque no presentan sitio catalítico. Cuando el ligando se fija al dominio extracelular se produce
dimerización y la porción citosolíca interacciona con tirosina quinasa. El receptor es fosforilado
por la quinasa en varios restos tirosina que facilitan la unión de proteínas con dominios SH2. El
resultado es prácticamente el mismo que el descripto para Rc con tirosina quinasa incluida en su
molécula. Estos receptores se distinguen en dos familias principales: Src (SH2) y JAK .
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3. RECEPTORES LIGADOS A OTRAS ACTIVIDADES ENZIMÁTICAS
Algunas hormonas y otros agentes de naturaleza peptídico se unen a receptores de membrana cuyo
dominio citosólico tiene activida guanilato ciclasa, enzima que cataliza la formación de GMPc, este
actúa como segundo mensajero. A esta clase de receptores pertenecen los de los peptídos
natriúreticos atriales.
Mencionaremos aquí, aunque no son receptores de membrana, sino intracelulares, a otro tipo de Rc
guanilato ciclasa. Son hemoproteínas citosólicas activadas por pequeñas moléculas que atraviezan
la membrana fácilmente, los mensajeros paracrinos óxido nitroso (NO) y monóxido de carbono (CO).
Una tercera forma de receptores relacionados con guanilato ciclasa es la de bastoncillos de la retina.
El resultado de la activación de todos estos receptores es la formación de GMP-3’,5’-cíclico.
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SISTEMAS DE TRANSMISIÓN DE SEÑALES
1. Sistema del AMP-3´,-5´-cíclico.
El descubrimiento de esta molécula a fines de la década del 50 abrió un
nuevo campo que permitió establecer mecanismos básicos generales para
explicar la acción de numerosos hormonas.
El AMP-3’,5’-cíclico se genera a partir de ATP en reacción catalizada
por adenilato ciclasa, enzima que requiere Mg++, es una proteína
integral de membrana plasmática de más de 100kDa.. Está formada por
una cadena polipeptidica compuesta por dos porciones iguales, unidas en
tándem, cada una de las cuales posee los siguientes dominios: un
segmento N-terminal intracelular seguido de seis hélices transmembrana
y un largo dominio citosólico. Los segmentos cotosólicos situados a
continuación de cada conjunto de seis hélices transmembrana contiene el
sitio catalítico.
En mamíferos se han identificado nueve formas diferentes de adenilato
ciclasa, en distintos tejidos y con propiedades regulatorias diferentes.
Pracicamente todas son activadas por αs; no todas son inhibidas por αi;
Ca2+, Ca2+-calmodulina y proteina quinasa C ejercen efectos sobre
algunas de ellas.
mover
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El sistema esquematizado en la Fig. 21-11, funciona del siguiente modo:
1- El cambio conformacional producido en el receptor por la unión de la HORMONA constituye la
primera señal, que se transmite a moléculas de proteínas G.
a. Existen receptores y proteínas G estimuladores (Rs y Gs) e inhibidores (Ri y Gi).
b. Cuando el receptor ocupado por la hormona es de tipo estimulador (Rs), interactúa con una
proteína Gs. En cambio los receptores acoplados a proteínas Gi transmiten una señal
inhibitoria.
c. Mientras el receptor está vacío, el heterotrímero de la protyeína G se mantiene inactivo, con
su subunidad α ligada a GDP.
2- La interacción con el complejo HR produce modificaciones en la proteína G, en la cuál la
subunidad α se desprende del GDP y fija GTP procedente del citosol. La unión de GTP disocia la
subunidad α del dímero βγ. El complejo αs-GTP tiene capacidad para activar la adenilato ciclasa. En
el caso de receptores acoplados a proteína Gi se desprende αi-GTP, de acción inhibotoria sobre esta
enzima. El dímero βγ también puede cumplir, per se, acciones de transmisor de señales.
3- La adenilato ciclasa activada cataliza la formación de AMPc a partir de ATP y eleva la
concentración de ese segundo mensajero en la célula.
4- La subunidad α posee actividad GTPasa, promueve la hidrólisis del GTP y queda unido GDP, por
lo cuál vuelve a asociarse con el dímero βγ para reconstituir la proteína G inactiva y deja de actuar
sobre la adenilato ciclasa.
Modo de acción del AMP cíclico:
El AMPc difunde en la célula y estimula la proteína quinasa A.
La proteína quinasa A (dependiente de AMPc) en ausencia de AMPc se encuentra inactiva, formando un
tetrámero constituido por dos subunidades llamadas catalíticas (C) y dos monómeros reguladores (R).
Cuando aumenta el nivel de AMP cíclico en la célula, dos moléculas del nucleotido se fijan a sitios de
unión específicos en cada una de las subunidades reguladoras; se produce un cambio conformacional que
las obliga a desprenderse de las catalíticas. Las subunidades C libres tienen actividad enzímatica.
La unidad catálitica de la proteína quinasa A transfiere fosfato de ATP a restos serina o treonina de
proteínas que, al ser fosforiladas, adquieren nuevas propiedades.
El AMPc es un mensajero plurivalente que provoca respuestas muy distintas en diferentes células.
Aunque la respuesta varía según el tejido considerado, en todos los casos la acción del AMPc se realiza a
través de reacciones “en cascada” iniciadas con la activación de la proteína quinasa A, que cataliza la
adición de fosfatos a diversas proteínas. La fosforilación de enzimas (modificación covalente) promovida
por la proteína quinasa A dependiente de AMPc , produce según los casos, estimulación o inhibición y
constituye un importante mecanismo regulador del funcionamiento de vías metabólicas. También
interviene como modulador de la actividad de sistemas de transporte de membrana. A nivel de núcleo
puede influir sobre la transcripción; en efecto, existen secuencias específicas en el ADN, llamadas
elementos de respuesta dependiente de AMPc.
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Fosfodiesterasa. El AMPc es un regulador muy potente y las células deben controlar su concentración. En
la mayoría de los tejidos existe la fosfodiesterasa, enzima que cataliza la hidrólisis de la unión del fosfato
al carbono 3’ en el AMPc y lo convierte en AMP (adenosina-5’-monofosfato) inactivo.
Las fosforilaciones promovidas por proteína quinasa normalmente son revertidas por proteínas fosfatasas,
algunas asociadas a receptores transmembrena, otras libres en el citosol.
2. Sistema del fosfatidilinositolbifosfato
El fosfatidilinositol (PI) es un componente de
membranas celulares, ubicado preferentemente
sobre la cara interna. El PI es fosforilado en los
carbonos 4 y 5 del inositol por transferencia de
fosfatos desde ATP, para formar fosfatidilinositol4,5-bifosfato (PIP2). Esta molécula integra un
sistema de transmisión de señales.
La unión del ligando específico a un receptor de
siete pasos transmembrana produce un cambio
conformacional de la porción citosólicadel receptor
que lo capacitapara interactuar con una proteína Gq.
La subunidad αq reemplaza GDP por GTP y se
libera el dímero βγ. El complejo αq-GTP estimula la
fosfolipasa C (forma β) . Esta enzima cataliza la
hidrólisis de fosfatidilinositol-4,5-bifosfato de la
membrana para generar diacilglicerol e inositol1,4,5-trifosfato (IP3), las dos moléculas actúan
como segundos mensajeros. Otra fosfolipasa C, la
forma γ, se asocia con receptores proteína-tirosina
quinasa (ver más adelante).
18
mover
La fig 21-15 presenta un esquema del sistema de fosfatidilinositol-4,5-bifosfato:
1- El IP3 liberado en el citosol se fija a receptores de membrana del reticulo endoplásmico (RE). Estos
receptores son proteínas tetraméricas con múltiples dominios transmembrana que forman canales
de Ca++ .
2- La unión de IP3 produce apertura del canal y liberación de Ca++ almacenado en las cisternas del
RE.
19
3- Este aumento brusco de calcio en el citosol es un factor determinante de diversas respuestas
celulares.
4- La acción del IP3 es determinada por fosfatasas. Este es rápidamente desfosforilado sucesivamente
a IP2, IP e inositol, por fosfomonoesterasas específicas.
5- El diacilglicerol que queda en lamembrana funciona también como un segundo mensajero. Su
acción se ejerce a través de la activación de proteína quinasa C, localizada en la membrana. Esta
enzima fosforila proteínas vinculadas a procesos de multiplicación celular y factores de
transcripción. Algunos miembros de3 la familia de proteina quinasa C requieren Ca++ y DG para
su activación.
6- La estimulación de la proteína quinasa C por DG es interrumpida por hidrólisis de este compuesto.
En la reacción generalmente se libera araquidonato, precursor de eicosanoides. La estimulación
persistente de la proteína quinasa C promueve el desarrollo de tumores.
Lípidos en sistemas de transmisión de
señales
Fosfatidilinositol-3,4,5-trifosfato.
Es
otro
segundo mensajero de naturaleza lipídica,
generado a partir de fosfatidilinositol-4,5-bifosfato
(PI-4,5-P2) por acción de la fosfatidilinositol-3 –
quinasa (PI3K) . Esta enzima es activada en
respuesta a la estimulación de receptores de
superficie
por
distintas
hormonas,
neurotransmisores y factores de crecimiento. El
PI-3,4,5,P3 induce la activación de proteína
quinasa B, componente importante de sistemas
de señales dependientes de INSULINA y factores
de crecimiento.
20
3. Señal del calcio.
Normalmente la concentración intracelular de Ca++ es muy
baja (alrededor de 10-7M), unas diez mil veces inferior a las
concentraciones habituales en el espacio extracelular.
Distintos estímulos pueden hacer aumentar la concentración
de Ca++ en el citosol, este puede ingresar desde el espacio
extracelular, mitocondrias y retículo endoplásmico, en estas
dos últimas organelas el ión se almacena.
La elevación de niveles de Ca++ puede ser provocado por
liberación de inositol-1,4,5-trifosfato, por AMPc y CMPC. El
ión Ca++ se convierte así en un mensajero final de distintos
sistemas de transmisión de señales.
El ión Ca++ en el citosol se une a proteínas específicas. Una
de estás proteínas fijadoras , la más conocida es la
calmodulina. Esta proteína de 17kDa, de carácter acídico, se
encuentra en todos los tejidos. Posee cuatro sitios de fijación
de Ca++. En ambos extremos de la molécula tiene dominios
globulares, cada uno de los cuales presenta dos motivos que
fijan Ca++, compuesto por manos “EF”. Entre estos extremos
se extiende un largo segmento en hélice α . Cuando se une a
Ca++, la calmodulina sufre cambios conformacionales y
adquiere capacidad para regular la actividad de numerosas
proteínas blanco, incluidas diversas proteínas quinasas. Que
integran cascadas de fosforilación. Estas fosforilaciones
modifican la actividad de enzimas, canales de iones y factores
de transcripción.
4. Sistema Ras y quinasas MAP.
Esta vía de transmisión de señales pone en acción una cascada de proteína quinasas muy importante en
la regulación de numerosas funciones celulares. Todos sus componentes son proteínas, no se generan
segundos mensajeros de molécula pequeña.
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Cuando un receptor proteína- tirosina quinasa o asociado a proteína-tirosina quinasa es activado por su
ligando, se fosforilan restos tirosina en el dominio citoplasmico y se crean sitios de unión para proteínas
con dominios SH2, como las Grb (de “Growth factor receptor binding protein”) por ejemplo: Grb se asocia
a otra llamada Sos. El complejo Grb-Sos fijado al receptor en un lugar próximo a la cara interna de la
membrana plasmática interactua con proteínas Ras, esta esta inactiva y es estimulada al asociarse con
Grb-Sos.
Ras. Designadas así por su homología con prot. Del sarcoma de rata.
Proteínas Ras.
• Son moléculas monoméricas de alrededor 21kDa. Que fijan nucleotidos de guanina (GDP y GTP) y
tienen actividad GTPasa.
• Están ancladas en la faz citosólica de la membrana plasmática por una cadena isoprenoide farnesilo
unida a un resto cisterna pro´xomo al C Terminal.
• Ras fijada a GDP es inactiva; su interacción con Grb-Sos. Promueve el cambio de GDP por GTP y
determina su estimulación.
• La misma molécula Ras tiene capacidad para autorregularse, ya que cataliza la hidrólisis de GTP a
GDP + Pi y completa el ciclo de activación e inactivación. Nótese la similitud entre Ras y la
subunidad α de las proteínas G.
• La estimulación de Ras inicia una cascada de fosforilaciones en restos serina-treonina de proteínas.
Las enzimas activadas en cadena son llamadas genericamente quinasas MAP ( de mitogen activated
protein).
• La primera es MAPKKK (MAP quinasa, quinasa, quinasa) capaz de fosforilar y activar a una segunda
MAPKK y esta a una tercera MAPK, responsable de la fosforilación de la proteína efectora, que
adquiere así la capacidad para influir
sobre la proliferación y diferenciación
Existen diversas vías iniciadas por Ras; las quinasas
celular.
participantes en cada una de ellas son identificadas con
distintas siglas. En la Fig 21-18 se observa qu comienza con la
activación por Ras-GTP de la proteína raf (una MAPKKK), la
cuál fosforila y estimula a una MAPKK llamada MEK es una
quinasa dual, transfiere fosfato a restos serina-treonina y
también tirosina; activa a miembros de la familia de quinasas
reguladas por señales extracelulares denominadas ERK (una
MAPK). Estas quinasas fosforilan una variedad de proteínas
“blanco” que incluyen otras proteína quinasas y factores de
transcripción en el núcleo.
Entre los genes cuya actividad es incluida por estas vías se
cuentan los llamados inmediatos tempranos, la mayoría de los
cuales codifica factores de transcripción que influyen sobre
otros genes y modifican su expresión.
Estas proteinas Ras están vinculadas con las funciones de
proliferación y diferenciación celular. El interés en las proteínas
Ras se incrementó notablemente al comprobarse que
alrededor del 30% de los cánceres humanos están asociados a
mutaciones en el gen ras. Está lo convierten en un encogén y
por lo general se ve efectada la actividad GTPasa de la
proteína y esta queda permanentemente activada, esto
provoca descontrol en la proliferacíon celular y transformación
maligna.
Las proteínas Ras forman una familia de 50 miembros.
22
5. Sistema JAK-STAT.
Produce una conexión más directa entre el complejo
ligando-receptor y los efectores.
Las proteínas STAT (de “ signal transducers and
activators of transcription”) contienen dominios SH2.
En células no estimuladas, las proteínas STAT se
encuentran en el citosol. La unión de algunas
hormonas y citoquinas a receptores asociados a
tirosina quinasa tipo Janus (JAK) en el dominio
citoplásmico del receptor activa a la quinasa y genera
fosfotirosinas, a las cuales se fijan proteínas STAT por
sus dominios SH2. La subsiguiente fosforilación de
STAT promueve su dimerización y traslación hacia el
núcleo, donde estimula la transcripción de sus genes
“blanco”. La hormona de crecimiento, la prolactina,
varias citoquinas que controlan la producción de
células de la sangre y el interferón γ utilizan esta vía.
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Ejemplo: INSULINA
La insulina es una hormona de naturaleza proteínica. Es la
primera proteína cuya secuencia de aminoácidos se determinó
con exactitud.
La molécula esta constituida por dos cadenas polipéptídicas
(cadena A 21AA y cadena B con 30AA) y tiene una masa
cercana a 6000 Da. Ambos polipéptidos están unidos por dos
puentes disulfuro extendidos desde las cisternas 7 y 20 de la
cadena A y las cisternas 7 y 19 de la cadena B
respectivamente. Entre dos cisternas de la cadena A ubicadas
en 6 y 11 se establece un puente disulfuro intracatenario. La
presencia de estas uniones disulfuro son indispensables para la
actividad biológica de la hormona.
Existen diferencias entre la estructura primaria de las insulinas
de distintas especies; sin embargo todas muestran la misma
actividad cuando son administradas a individuos de una
especies distinta. De hecho la insulina porcina se utilizó mucho
tiempo en la terapeutica.
La síntesis de insulina humana a partir de sus aminoácidos
constituyentes fue en su momento una verdadera hazaña. En la
actualidad se produce insulina humana mediante tácnicas de
ADN recombinante.
Biosíntesis. En el reticulo endoplásmico rugoso (RE) de las
células β del páncreas se sintetiza preproinsulina, proteína
precursora de 111AA. Está penetra a la cavidad del RE e
inmediatamente pierde el peptído líder, de 26AA ene el
estremo N-terminal. Se forma la proinsulina, de 85AA y
alrededor de 9000Da, prácticamente sin actividad hormonal.
Los primeros 30AA corresponden a la cadena B y los últimos
21 a la cadena A de la insulina. Entre ambos segmentos se
extiende un trozo de 34AA, que comprende el péptido C o de
coneccción.
Secreción. La proinsulina es englobada en vesículas y
transportadas al aparato de Golgi, donde sucesivas hidrólisis,
catalizadas por peptidasas, liberan insulina activa, el peptido
de conexión y dos peptidos ubicados el los extremos del
peptido C. Los segmentos separados de la proinsulina quedan
dentro de vesículas secretorias, en las cuales la insulina forma
dímeros y hexámeros con zinc. La excreción del contenido de
las vesículas al espacio extracelular se realiza por exocitosis.
El estímulo más eficaz para la síntesis y secreción de la
insulina es el aumento de la glucemia.
Degradación. La insulina tiene una vida media menor de 10
minutos en el hombre. La hormona es degradada en hígado,
riñon y otros órganos.
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MECANISMO DE ACCIÓN DE LA INSULINA
MECANISMO DE ACCIÓN. La insulina actúa previa unión a receptores específicos en la membrana
plasmática de las células efectoras. El receptor de insulina es una glicoproteína integral de membrana, de
una masa aproximada a 400kDa. Es un heterotetrámero de dos subunidades α y dos β, todas ellas
glicosiladas y unidas entre sí por puentes disulfuro. Las subunidades α se encuentran en el lado externo de
la membrana; a ellas se une la insulina. Las subunidades β atraviesan la doble capa lipídica y emergen a
ambos lados de está. En su porción citosólica se encuentra el sitio activo de proteína-tirosina quinasa.
Esta enzima se mantiene inactiva mientras el receptor no está ocupado.
Los receptores de la insulina se encuentran en todos los tejidos de mamíferos. Su número varía desde 40
por célula en glóbulos rojos hasta 200000 en hepatocitos y adipocitos.
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Cuando la insulina se fija al sitio de unión del receptor en las subunidades α, produce un cambio
conformacional que se transmite a las subunidades β y activa a la tirosina quinasa. El receptor activado
adquiere capacidad para autofosforilarse y catalizar la fosforilación de restos tirosina de otras proteínas.
Las mejores caracterizadas de estas proteínas son los sustratos del receptor de la insulina (IRS) , del cual
se han identificado cuatro.
La actividad de tirosina quinasa del receptor inducido por la unión de la insulina inicia una cascada de
fosforilaciones. Las fosfotirosinas de IRS fijan otras proteínas poseedoras de dominios SH2, entre ellas
fosfatidilnositol 3-quinasa y Grb-2. La figura 21-35 presenta algunos de los sistemas de señales activados
por insulina.
Una de las más importantes vías de señales puestas en marcha a partir del complejo insulina-receptor es la
que comprende a la fosfatidilinositol 3-quinasa (PI3K).
La PI3K activada por su interacción con la proteína IRS cataliza la adición de un resto fosfato en la
posición 3 del inositol de (PI-4,5-P2 ) para formar PI-3,4,5-P3. Este compuesto atrae proteínas que tienen
dominio PH (de “plekstrin homology”) y al unirse favorece su activación. Una de las más importantes
proteínas activadas por esta vía es la proteína quinasa B (PKB). Esta proteína activada fosforila diversas
proteínas efectoras; esta acción promueve modificaciones de la actividad de enzimas o de la expresión
génica. Algunas de las acciones mediadas por esta vía son:
ACTIVACIÓN DEL TRANSPORTE DE LA GLUCOSA. Las fosforilaciones catalizadas por la PKB son
el factor principal determinante de la translocación de transportadores GLUT4 desde vesículas
intracelulares hacia la membrana plasmática. Esta acción es notable en músculo y adipocitos.
SINTESIS DE GLUCÓGENO. La glucógeno sintasa (GS) es la principal enzima reguladora de la
glucogenogénesis. La PKB inactiva a una de las enzimas que fosforilan a la GS, la glucógeno sintasa
quinasa 3 (GSK3) . Esto ayuda a mantener desfosforilada, es decir activa a la GS.
GLUCOLISIS. La PKB activa por fosforilación a la fosfofructoquinasa 2, enzima que cataliza la
formación de fructosa-2,6-bifosfato a partir de fructosa-6-P. La F-2,6-bisP es un poderoso efector positivo
de la fosfofructoquinasa 1, importante enzima regulatoria de la vía glucolítica.
CONVERSION DE LA GLUCOSA EN ACIDOS GRASOS
GLUCONEOGÉNESIS. El PI (3,4,5) P3 inhibe la glucosa-6-fosfatasa.
ACCIONES SOBRE LA ACTIVIDAD GÉNICA MEDIADA POR LA VÍA PI3K
a) Inducción de la expresión de la inducción de hexoquinasa en músculo
b) Represión de la transcripción del gen que codifica para fosfoenolpiruvato
carboxiquinasa.
c) Activación de la síntesis de glucosa-6-P deshidrogenasa, enzima de la vía
pentosa fosfato.
METABOLISMO DE TRIACILGLICEROLES.
La insulina tiene efecto antilipolítico, pues inhibe la lipasa sensible a hormona en tejido adiposo por
activación de la fosfodiesterasa que hidroliza AMPc. La fosfodiesterasa es una de las proteínas “blanco” de
la PKB
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SISNTESIS DE PROTEÍNAS. El sistema de señales IRS-PI3K participa en la regulación del transporte de
aminoácidos, transcripción de genes y traducción de ARNm
DIABETES Mellitus:
Es una condición patológica caracterizada por
hiperglucemia y glucosuria persistentes, además
de un complejo cuadro de síntomas resultantes
de un serio desequilibrio metabólico general. Es
producida por deficiencia absoluta de insulina,
como en la forma clínica dependiente de insulina
o Tipo I, a la llamada “Diabetes Juvenil” en la
cual hay incapacidad para sintetizar insulina.
Existe otra forma no insulino dependiente o Tipo
II que se manifiesta en personas adultas, en la
cual la producción de insulina puede estar
reducida, normal o incluso aumentada. En este
tipo hay resistencia de los tejidos efectores a la
insulina. En la mayoría de los casos reside en los
receptores que presentan disminución de la
capacidad para transmitir señales, debida a
distintas causas
La siguiente muestra las alteraciones mas
importantes en la diabetes mellitus.
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REGULACIÓN DE LA SINTESIS Y DEGRADACIÓN DE GLUCÓGENO
ACCIONES REGULATORIAS DE LA SÍNTESIS Y DEGRADACIÓN DEL GLUCÓGENO
Referencia: Capitulo 3. Metabolismo de hidratos de carbono. Capitulo 18. Regulación del
metabolismo. Química Biológica. Antonio Blanco
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