HORMONAS PROTEICAS I Tipos, síntesis y mecanismos de acción Dra. María Silvia Bianchi Laboratorio de Neuroendocrinología Instituto de Biología y Medicina Experimental 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 órganos periféricos – Sistema endocrino: utiliza mensajeros químicos, HORMONAS, para ejercer su función regulatoria. Ej: elevada glucosa en sangre - insulina SISTEMA DE CONTROL NEUROENDOCRINO DEFINICIONES : HORMONAS - 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. 9 Algunas veces las hormonas actúan localmente en células cercanas al sitio de liberación. - Se unen a receptores presentes en células vecinas: EFECTO PARÁCRINO -La hormona unida a una célula interactúa con un receptor de una célula yuxtapuesta: EFECTO YUXTACRINO -La hormona liberada actúa sobre receptores ubicados en la misma célula: EFECTO AUTOCRINO -INTRACRINO 9Hay sustancias hormonales liberadas por un animal que influencian respuestas en otro animal: FEROMONAS 9 En algunas ocasiones los factores de crecimiento son llamados hormonas ya que median señales entre células. Vaso sanguíneo Actualmente: • • • • • • • • • Sustancias liberadas por una célula que provocan una respuesta en la misma célula 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, 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, además de regular el metabolismo de la glucosa, también actúa como un factor de crecimiento y un regulador de la ingesta de alimentos • 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 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) Tisulares: producidas por tejidos que no están agrupados como glándulas endocrinas. Tipos de hormonas de acuerdo a la velocidad y tipo de respuesta que producen Hormonas de respuesta rápida y de corta duración: segundos o minutos. Ej: adrenalina, prostaglandinas, hormonas hipotalámicas. Insulina, glucagon, calcitonina, hormonas gastrointestinales. Hormonas de respuesta lenta y persistente: horas y días. Ej: 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. Retinodes (relacionad os con la Vit A) melatonina Ecosanoides Prostaglandin as Prostaciclinas Tromboxanos Lipoxinas Leucotrienos Clasificación • Hormonas que se unen a receptores ubicados en membrana plasmática : - Proteicas y polipeptídicas -Aminas (A, NA) • Hormonas que se unen a receptores intracelulares: - Esteroides - Aminas (hormonas tiroideas: T3 y T4) - Retinoides TIPOS Y CLASIFICACIÓN DE LAS HORMONAS Tipos de hormonas de acuerdo a su estructura química Las hormonas tiene diversas estructuras moleculares, pudiéndose correlacionar las propiedades de las hormonas con las acciones fisiológicas. SÍNTESIS DE HORMONAS PROTEICAS Etapas: •Agregación de las subunidades ribosomales e iniciación de la traducción del RNAm (codón de iniciación AUG) •Elongación de la cadena polipeptídica. •Terminación de síntesis proteica. la SÍNTESIS DE POLIPÉPTIDOS Y PROTEÍNAS DE SECRECIÓN En ribosomas unidos a la membrana del retículo endoplásmico. - La partícula de reconocimiento de la secuencia señal (SRP) se une a la “secuencia señal” del polipéptido naciente. - Posteriormente SRP se une al receptor de SRP ubicado en la membrana del retículo endoplásmico. Receptores ribosomales (también ubicados en la membrana del retículo endoplásmico) estabilizan la interacción. - La “secuencia señal” es clivada por una peptidasa señal (también puede ocurrir al finalizar la síntesis dependiendo de la proteína). - Al finalizar la síntesis, el polipéptido resultante es liberado al lumen del retículo endoplásmico. - La subunidades ribosomales se disocian y son recicladas. Prehormona: Molécula conteniendo el péptido señal (vida media muy corta). Prohormona: Molécula que requiere alguna modificación para convertirse en la hormona que será liberada. Ejemplo de prohormona: Insulina Insulina Ejemplo de prohormona precursora de múltiples péptidos: proopiomelanocortina En cerebro e hipófisis es clivada a diferentes péptidos 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: Hormona Prohormona Prehormona mRNA Vesículas secretorias Golgi Retículo endoplasmático NÚCLEO La hormona madura es almacenada dentro de la célula en gránulos secretorios que luego será liberada por exocitosis. 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). - La Dopamina ingresa al granulo secretorio por un transportador de catecolaminas presente en la membrana del gránulo. - Dopamina es convertida en Noradrenalina (NA), por la Dopamina βhidroxilasa, en el gránulo. - Las células de la médula adrenal también contienen una 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 ⇒ La capacidad de una célula de responder a una hormona depende de la presencia de receptores específicos para esa hormona PROPIEDADES DE LOS RECEPTORES ⇒ 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. ESTUDIOS BIOQUÍMICOS DE LAS PROPIEDADES DE LOS RECEPTORES Inicialmente la unión H-R ocurre como una reacción bimolecular, donde sus interacciones están gobernadas por las leyes de acción de masas: [H] = concentración de hormona [R] = concentración de receptor [HR] = concentración de complejo Hormona-Receptor k+1 = tasa constante de formación del complejo HR k-1 = tasa constante de disociación del complejo HR k+1 k-1 Cuando un sistema en está en equilibrio, las tasas de asociación y disociación son iguales KD = constante de disociación en el equilibrio es una medida de la afinidad del R por la H → a < KD , > afinidad Respuesta biológica ∝ [HR] =[H] . [R]. 1 KD [HR] = Ro /2 ⇒ [H] =KD Ro = concentración total de receptor Análisis de Saturación de ligando Para una interpretación más fácil de los datos, se utilizan varias transformaciones matemáticas, siendo la más común el Scatchard plot. Ya que: ⇒ Podemos sustituir [R] = Ro - [HR] en la ecuación: Ro KD ⇓ Análisis de Scatchard Ecuación de Scatchard Ro Alta afinidad/ baja capacidad • Baja afinidad/ alta capacidad ↑ n1 ↑ n2 •Dos o más sitios de unión con diferentes KD •Cooperativa negativa Para la mayoría de los receptores: KD ∼ 10-10 a 10-8 mol/L • Nº total de receptores, Ro = 4000100,000 / célula Relación entre la ocupación de los receptores y la respuesta biológica evocada Correlación entre la [H] requerida para ocupar el receptor y para la inducción de la respuesta biológica Un pequeño porcentaje de los receptores deben estar ocupados para generar una repuesta máxima. ⇒ Este exceso de receptores, rectificarían una discordancia entre los bajos niveles de ligando circulante y una relativamente baja afinidad de la interacción ligando-receptor. Al aumentar el Nº de R disponibles, el sistema garantiza suficientes R unidos a ligando para activar los sistemas efectores totalmente, a pesar de estar operando a niveles subsaturantes del receptor ⇒ permitirían una respuesta cinéticamente favorable aún a concentraciones de hormona muy bajas. Comúnmente , los valores de KD para los receptores hormonales son cercanos a las [H] fisiológicas, por lo que fluctuaciones en el nivel hormonal pueden generar respuesta positivas o negativas con respecto a la activación del receptor. RECEPTORES DE RESERVA o REPUESTO Son todos idénticos, potencialmente funcionales y CONTRIBUYEN A LA SENSIBILIDAD A LA HORMONA ([H] necesaria para obtener la mitad de la respuesta máxima-EC50) Ej: la estimulación de la tasa de transporte de glucosa en células musculares y adipocitos por insulina . Máximo incremento con el 2-10% de los receptores ocupados ⇒ esta relación aumenta la sensibilidad del sistema y permite en los adipocitos, que un receptor con un KD ≅10-9mol/L responda a una [insulina] plasmática ≅ 100 veces menor. 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 DE SUPERFICIE Las hormonas proteicas interactúan predominantemente con receptores expresados sobre la membrana plasmática de la superficie celular. Estos receptores conforman un grupo extremadamente diverso de moléculas que señalizan que poseen características comunes: MEDIO EXTRACELULAR DOMINIO DE UNIÓN A LIGANDO DOMINIOS TRANSMEMBRANA CITOPLASMA DOMINIO EFECTOR REGULADO POR LIGANDO Esta organización le permite a la célula censar eventos extracelulares y pasar esta información hacia el ambiente 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. 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) 3 Receptores acoplados a Proteínas G 3 Receptores con actividad Guanilato Ciclasa B) Hormonas que se unen a receptores: -con actividad de: Segundos mensajeros: moléculas nuevas generadas en el interior de la célula en respuesta a la ocupación de un receptor de membrana. * Tirosinquinasa * Serin/Treoninquinasa * Tirosinfosfatasa - o que unen Tirosinquinasas. C) Hormonas y neurotransmisores que se unen a receptores acoplados a canales iónicos. Por lo tanto, un número limitado de estrategias básicas de señalización son utilizadas repetitivamente por un gran número de receptores, definiendo las distintas familias de receptores. Luego que la hormona se une a su receptor, se desencadenan múltiples pasos de señalización hasta que la acción hormonal se alcanza. Las hormonas tienen múltiples acciones, por lo que debe haber puntos de ramificación dentro de la cascada de transducción de la señal así como la habilidad para regular estas múltiples ramas independientemente. 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. 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.Producción, utilización y almacenamiento de energía: son mediadores 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 - de la presión sanguínea y frecuencia cardíaca - del equilibrio ácido-base - de la temperatura corporal - de la masa de hueso, músculo y grasa Efectos finales de transducción de señales A) Activación enzimática: Las hormonas alteran la actividad de enzimas intracelulares 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. Adrenalina se une a receptor β2adrenérgico, produce aumento de AMPc, quien estimula PKA, la cual 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 dentro de las células Ejemplos: - Síntesis de nuevos transportadores 3La glucosa atraviesa la membrana plasmática por medio de un transportador. Insulina (redistribución del transportador Glut4 desde el citoplasma hacia la membrana), TSH y Colecistoquinina estimulan el transporte de glucosa. 3Los 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+). 3El 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 síntesis de esta bomba) 3Aumento de la captación de I- por TSH. 3 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: 9 PKA fosforila factores de transcripción activados por AMPc. 3 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: 9Insulina aumenta el ensamblado de polisomas (músculo, hígado y grasa de animales diabéticos tienen síntesis proteica disminuida). 9GH aumenta la tasa de síntesis proteica de ribosomas aislados de músculo. SISTEMAS DE SEGUNDOS MENSAJEROS Existen dos grandes mecanismos de transducción de señales que funcionan combinadamente: ¾ Por pequeñas moléculas que difunden en las células (AMPc, Ca2+, Inositol trifosfato o IP3, GMPc) ¾ Por fosforilación de proteínas (activación o inactivación de proteínas) Segundos mensajeros: Son mensajeros intracelulares solubles generados por una proteína efectora, la cual es una entidad diferente del receptor hormonal (adenilato ciclasa o un canal de Ca++), que alteran procesos dentro de la célula. 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 presentar la característica de: - 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). - por estimular el intercambio de GDP por GTP en la subunidad α de la proteína G que poseen acoplada en respuesta a la unión del agonista. Ejemplo: Receptor β-adrenérgico. La unión del ligando al receptor produce un cambio estructural; ahora el dominio citoplasmático puede promover la activación de la Proteína G . 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: α, β y γ (heterotriméricas). La subunidad α 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 intacto intacta con guanosina difosfato (GDP) unida a la subunidad α. 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 α. El receptor activa la proteína G asociada. 5) Ocurre la disociación de la subunidad αGTP del dímero βγ, permitiendo que estas subunidades activen a sus efectores blanco. 6) La hidrólisis de GTP a GDP termina la actividad de la subunidad α . 7) Se promueve la reasociación del trímero αβγ, retornando el sistema a su estado basal . Rc G AC ATP ACTIVACIÓN DE LOS EFECTORES BLANCO AMPc Hay múltiples subtipos de subunidades α, β y γ , las cuales forman diferentes familias de proteínas G. Existen 3 grandes familias de Proteínas G: Además existen otras Proteínas G denominadas Proteínas G pequeñas. Están formadas por una sola subunidad, hidrolizan GTP y acoplan receptores 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) Señalización mediante Gs Ejemplos de hormonas que se unen a receptores que se acoplan a Proteínas Gs: La subunidad αs estimula la producción de AMPc a partir de ATP, en presencia de Mg++ , por la Adenilato Ciclasa (AC). La AC es una glicoproteína de membrana. pirofosfato Se han descripto 8 isoformas que varían en: - distribución - regulación por otros factores como calmodulina y subunidades βγ - especificidad por subtipos de la subunidad α. AC 3´,5´-AMP Cíclico El AMPc activa a la Protein Kinasa A (PKA) que es una serina/treonina kinasa formada por dos subunidades regulatorias y 2 catalíticas. El AMPc se une a las subunidades regulatorias. Esto produce la disociación de las subunidades catalíticas activando PKA, la cual fosforila : ¾ Enzimas : puede activarlas o inactivarlas (fosforilasa kinasa – glucógeno sintetasa) ¾ Canales, por ejemplo el canal de Cl- -CFTR-se abre por P por PKA ¾ Receptores 7TM como mecanismo de desensibilización ¾ Factores de transcripción: proteínas de unión al DNA que actúan en la transcripción génica, como CREB, CREM y ATF-1, las cuales se unen a secuencias específicas del DNA: CRE –elemento respondedor a cAMP. CREB fosforilado se unen CREB binding protein (CBP) e interactúa con otro factor de transcripción y activa la maquinaria de transcripción Nota: Defectos de CBP llevan a retardo mental (Síndrome de Rubinstein-Taybi). La actividad de la PKA puede ser disminuida por: - fosforilación - 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. (A) Activation of protein kinase A of higher eucaryotes via 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 Gi/o La subunidad αi /o: - inhibe la AC - activa canales de K+ - inactiva canales de Ca++ - activa fosfolipasa C Ejemplos de hormonas que se unen a receptores que se acoplan a Proteínas Gi: - Somatostatina - Encefalina - Adrenalina (al unirse a su receptor α2-adrenérgico) - GABA (a través de su receptor GABAB) 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 La subnunidad αq estimula Fosfolipasa C-β (PLC- β), la cual hidroliza fosfatidilinositoles (PIPs, lípidos minoritarios de las membranas plasmáticas) y produce IP3 (que difunde al interior de la célula) y DAG (que permanece en membrana). DAG estimula a Protein Kinasa C (PKC) que es una serina/treonina kinasa. PKC modifica actividad enzimática por fosforilación y puede: -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 directa -a largo plazo está implicada en la regulación : - 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 – contracción muscular - excitación – liberación de neurotransmisores - acción 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 en la [Ca2+ ] citosólico : -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 . Dos mecanismos fundamentales para mantener constantes estas bajas [Ca2+ ] citosólica : -expulsarlo al espacio extracelular (Bombas de Ca2+ en membrana plasmática: Ca2+- Mg2+ ATPasa). - Almacenarlo en el RE (Bombas de Ca2+-ATP dependientes del RE (SERCA)). - Si la [Ca2+ ] citosólica llega a 10-5M, provocan daño celular, las mitocondrias captan con una bomba de Ca2+-ATPasa de baja afinidad y alta capacidad. ⇒El estricto control del nivel de permite que la célula interprete pequeños cambios en su concentración como señales reguladoras Muchas hormonas y neurotransmisores regulan procesos celulares importantes induciendo la movilización de este ión. El aumento de Ca2+ en el citoplasma puede: - activar directamente proteínas contráctiles (troponina C) y numerosas enzimas - preactivar PKC - activa el sistema Ca2+-Calmodulina , que a su vez regula, directa o indirectamente a kinasa responsables de la regulación y control de numerosas respuestas celulares inactivación de canales de Ca2+ 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: - biosíntesis de los receptores altamente regulada de manera tal que receptores adicionales se generan sólo cuando son requeridos. - endocitosis del receptor mediada por ligando. El complejo hormona-receptor es internalizado en vesículas recubiertas de clatrina que se acidifican formando endosomas (pierden el recubrimiento) y el complejo se disocia. El ligando es generalmente degradado (removiendo la señal) y el receptor: - es reciclado a la superficie celular - es degradado en lisosomas - desensibilización de los receptores regulando la capacidad de unir la hormona o subsecuentemente de transducir la señal: - desensibilización del receptor mediado por fosforilación en residuos Ser/Thr citoplasmáticos (proceso reversible) por kinasas: PKA, PKC,GRK, βARK (kinasa del receptor β-adrenérgico). Ahora no se acopla a Proteínas efectivamente. La posterior unión de proteínas de la familia de la arrestina, promueven un mayor desacople suprimiendo aún más la señal. Puede ser homóloga o heteróloga Mecanismos subyacentes a la desensibilización: - pérdida de receptores para IP3 - depleción de reservorios intracelulares de Ca2+ - inactivación de canales de Ca2+ Mecanismos de regulación del número de receptores en membrana GRK: kinasas de receptores acoplados a Proteínas G Arrestinas: sirven de adaptadores para clatrina, ayudando a dirigir a los receptores a coated pits recubiertos por clatrina para su internalización . Receptores con actividad Guanilato Ciclasa Son proteínas transmembrana de una cadena, con un dominio extracelular de unión al ligando, uno transmembrana y un dominio citoplasmático con actividad guanilato ciclasa. En este caso GMPc es el segundo mensajero. GMPc : - activa directamente canales iónicos - modula PDE (altera Co nucleót cíclicos intracel) - activa la enzima : Protein Kinasa activada por GMPc (PKG) la cual es una serina/ treonina kinasa que activa otras enzimas en forma similar a PKC y PKA. Clases de receptores GC GC solubles: No son receptores de membrana. Son blanco de señalización de Óxido Nítrico (NO). GC-A, B y C: Son receptores para péptidos natriuréticos (ANP, BNP y CNP). También se unen a enterotoxinas termoestables que producen diarrea ⇒ Unen ligandos definidos GC-D: Se encuentran en neuronas sensoras del olfato. No se conocen los ligandos. Están moduladas una familia de proteínas accesorias reguladas por Ca2+ : GCAPs GC-E y F: Se encuentran en ojo y tampoco se conocen los ligandos. - Están altamente fosforilados en el estado basal, lo cual es requerido para la activación inducida por ligando. - Desensibilización homóloga y heteróloga (PKC) por DESFOFORILACIÖN Regulación de la secreción intestinal por ST (enterotoxina termo-estable) y GC-C. Regulador de la conductancia transmembrana de la fibrosis quística 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, cGMP may activate PKA, either directly or by inhibiting a cAMP-specific PDE and inducing the accumulation of 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 ST-induced 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. 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 the Na+/Ca2+ exchanger; 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. Fotón PATOLOGÍAS ASOCIADAS A SISTEMAS DE SEGUNDOS MENSAJEROS RECEPTORES ACOPLADOS A PROTEÍNAS G HETEROTRIMÉRICAS Receptor (sensor) de Ca2+ 3Mutaciones inactivantes son responsables de causar la hipercalcemia hipocalciúrica familiar (heterocigosis) y el hiperparatiroidismo neonatal severo (homocigosis). 3 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 3Mutaciones somáticas activantes (en el tercer loop citoplasmático) inducen adenomas tiroideos funcionales. 3 También existen formas autosómicas dominantes (hipertiroidismo congénito). Receptor de LH Mutaciones activantes producen pubertad precoz familiar (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 αs: 3Mutantes 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 hiperplásicos de células foliculares de la tiroides con hipersecreción de hormonas tiroideas. Síndrome McCune-Albright: Mutación somática que ocurre en la embriogénesis temprana, afectando a un mosaico de poblaciones. Fenotipo pleiotrópico: pigmentación de la piel, pubertad precoz, hipertiroidismo, adenomas hipofisarios secretores de GH con acromegalia, hiperplasia adrenal autónoma, etc. 3 Mutantes inactivadas Pseudohipoparatiroidismo tipo 1a (Síndrome de la osteodistrofia hereditaria de Albright): Mutación hereditaria que produce resistencia a múltiples hormonas causando síntomas de hipoparatiroidismo, hipotiroidismo, e hipogonadismo: baja estatura, cara redondeada, obesidad y osificación subcutánea. 3 Toxina Colérica ADP ribosila la subunidad αs disociándola del complejo βγ 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). 3 Toxina Pertussis ADP ribosila la subunidad αi, desacoplando la proteína Gi del receptor e inhibiendo la disociación de αi. Esto lleva a una activación constitutiva de la AC y a un aumento de AMPc. SUBUNIDAD αi: 3 Mutantes activadas (oncogén gip) Tumores ováricos y de corteza adrenal. Mutación del gen de αi2 (gip2). 3 Mutantes inactivadas En ratones con disrupción del gen αi2: desarrollo progresivo y letal de colitis ulcerativa (IgG en mucosa). En algunos casos, se observó adenocarcinomas de colon. SUBUNIDAD αq: No se han encontrado mutantes de αq en tumores humanos. ¡¡¡MUCHAS GRACIAS!!! BIBLIOGRAFÍA • ENDOCRINOLOGY. BASIC AND CLINICAL PRINCIPLES. P. Michael Conn, Shlomo Melmed (1997). Humana Press (Totowa, New Jersey) • WILLIAMS TEXTBOOK OF ENDOCRINOLOGY. 9th. Edition. Wilson, Foster, Kronenberg, Larsen (1998). W. B. Saunders Company. • MOLECULAR BIOLOGY OF THE CELL. Third Edition. Alberts, Bray, Lewis, Raff, Roberts, Watson (1994). Garland Publishing Inc. • BASIC AND CLINICAL ENDOCRINOLOGY. Third Edition. Greenspan (1991). Prentice-Hall International Inc. Proceso de secreción En el proceso de exocitosis la membrana del gránulo secretorio se fusiona con la membrana plasmática, la membrana intermedia se rompe y el contenido del gránulo es liberado al espacio extracelular. Los iones Ca++ juegan un rol importante en el control de la secreción. Mecanismo de liberación de insulina dependiente de glucosa en las células β del páncreas
