Federico Rivadeneira

CAPÍTULO III

Comunicaciones IntercelularesDebido a la importancia que tiene el reconocimiento del medio por parte de una célula en un

organismo multicelular, existen, analíticamente, tres tipos de mecanismos responsables de esta tarea, estos son:

1. Segregación o productos químicos que actúan como señal para células diana. 2. Presencia de moléculas de señalización en la membrana que ejercen su efecto mediante

contacto directo.3. Uniones Gap que permiten el intercambio de moléculas de menos de 1000 D.

Entonces, tenemos que la señalización química puede actuar de tres formas diferentes:

1. Señalización paracrina: Tipo de señalización donde se actúa sobre las células vecinas o sobre la misma célula emisora (autocrina) donde las señales deben, necesariamente, ser rápidamente destruidas o absorbidas.

2. Señalización sináptica: Las células nerviosas poseen axones que se prolongan hacia una célula diana y mediante un estímulo liberan neurotransmisores desde las dendritas. La velocidad, eficacia y complejidad de la señalización también depende de factores anatómicos. Es importante saber también que no toda señal liberada por los terminales axónicos son neurotransmisores sino también que pueden ser mediadores químicos locales pertenecientes a mecanismos de señalización más complejos.

3. Señalización endocrina: Esta depende de tejidos especializados conocidos como glándulas endocrinas que liberan señalizaciones a células lejanas. En el humano, la señalización depende del SNC y del endocrino interactuando entre estos.

Concepto de receptorEl receptor es una proteína que actúa mediante la unión con la señal induciendo una respuesta

química. Tanto hormonas, neurotransmisores, prostaglandinas e histamina pueden ser consideradas como moléculas que transfieren información de un grupo de células a otro.

Tenemos que en toda acción hormonal tenemos dos procesos, el primero, el reconocimiento y formación del complejo hormona-receptor y el segundo el proceso de respuesta celular. La evaluación del complejo hormona-receptor implica analizar los criterios:

Saturabilidad Afinidad Reversibilidad Relación dosis-respuesta biológica Distribución tisular y subcelular de los receptores.

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La saturabilidad es análoga al concepto antes visto en enzimas, luego de la afinidad podemos afirmar que depende de la estabilidad del complejo RH. La reversibilidad se refiere al equilibrio entre hormona libre Hlib y Rlib y el complejo RH definido por la constante de disociación KD.

K D=[H ]lib+[R]lib

[HR ]

Las señales generalmente actúan a concentraciones muy bajas y la mayoría son hidrosolubles (demasiado hidrofílicas por lo que no ingresan libremente a las células) a excepción de las hormonas esteroideas y tiroideas que se unen a proteínas para su transporte vascular.

La transferencia de la señal luego de la formación del complejo RH se hace mediante un mecanismo de transducción de señales y la formación de un segundo mensajero que activa la respuesta. Ahora, no todas las señales son lo suficientemente hidrofílicas por lo que ingresan libremente a través de la membrana como es el caso del NO sintetizado por la NO sintetasa a partir de la desaminación de la arginina. El NO es de vida media corta debido a la formación de nitratos y nitritos y activa la guanilato ciclasa que produce el mediador GMPc. Es posible que similar a esta función sea la del CO.

RECEPTORES DE SUPERFICIE CELULAR

La formación del RH conduce a una respuesta mediante una o más señales intracelulares. Los receptores pueden ser:

1. Canales iónicos2. Asociados a proteínas G3. Asociados a enzimas

Receptores asociados a canales iónicos

Estos receptores pertenecen a una familia de proteínas multipaso que se asocian a canales iónicos generalmente de células nerviosas eléctricamente excitables que promueven la apertura de un canal iónico alterando la permeabilidad y excitabilidad.

Receptores asociados a proteínas G

Es la mayor familia de receptores de membrana. Las señales que los activan son también variadas, desde ácidos grasos a péptidos donde una sola señal puede activar a más de un miembro de la familia. Y aunque las señales son muy diferentes, activan todas el mismo efector, la adenilato ciclasa que produce AMPc.

Las proteínas G asociadas al receptor tienen casi todas la misma estructura general, un polipéptido que atraviesa siete veces la membrana. El proceso de transducción es también similar para toda la familia, lo hacen mediante la proteína G heterotrimérica. La subunidad α se une a GDP o GTP, la subunidad β y la subunidad γ. Estas proteínas en el estado inactivo tienen su subunidad α unida a GDP. En el momento que la señal se une al receptor, el último cambia de conformación y se une a la proteína G mediado por las asas intracelulares del receptor del lado citosólico. Entonces el GDP se intercambia por GTP y se disocia el heterotrímero en la subunidad αGTP y la βγ. La subunidad αGTP interacciona con la adenilato ciclasa o la

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fosfodiesterasa activando el segundo mensajero. Luego, debido a que la subunidad αGTP posee actividad de GTPasa al hidrolizarla vuelve a la conformación αGTP que se combina nuevamente con las otras subunidades. Es notable también que la señal se amplifica mediante la interacción de un complejo HR con varias proteínas G.

Producción de AMPc

La concentración de AMPc puede aumentar rápidamente la concentración lo que implica que debe haber también una rápida degradación del mismo.

La adenilatociclasa cataliza la conversión de ATP a AMPc, la misma es una proteína integral de membrana que posee el sitio activo del lado interno y es regulado por proteínas G. Esto se hace debido a que hay receptores acoplados a proteínas G inhibidoras Gi o estimulantes Gs por lo que se forman los complejos αsGTP y αiGTP.

La adenilatociclasa es un tetrámero compuesto por dos subunidades regulatorias y dos catalíticas.

La rápida respuesta que produce gran cantidad de AMPc se debe a que el valor de Km de la subunidad catalítica de la adenilatociclasa es mucho mayor a la concentración fisiológica de ATP, esto demuestra que la velocidad de reacción es muy baja o nula. La unión del complejo αsGTP cambia la conformación de la proteína y disminuye el valor de Km aumentando la afinidad por ATP.

Acción de AMPc en la célula:

La función del AMPc es la de activar una proteína quinasa, la quinasa A que cataliza la transferencia de un fosfato terminal del ATP a un residuo de serina o treonina en el grupo amino terminal, los cuales son básicos.

El enlace éster puede ser hidrolizado por proteínas fosfatasa, proceso catalizado por cuatro grupos de fosfoproteínas (Ser/Thr) fosfatasas (I, IIIA, IIB y IIC).

El efecto de AMPc puede ser atenuado también por la acción de fosfodiesterasas que catalizan la conversión de AMPc a AMP.

Producción y acción de inositol trifosfato

El IP3 es un segundo mensajero derivado del PIP2 que se encuentra en una proporción del 2 al 8% en la hemicapa interna de la membrana. El proceso de formación del IP3 a partir del PIP2 comienza cuando un receptor unido a una proteína G llamada Gq se activa y libera una subunidad αsGTP que activa a su vez a la fosfolipasa C-β que hidroliza la unión fosfodiéster liberando el 1,2-diacilglicerol del 1,4 fosfatidilinositol liberando el diacilglicerol y el 1,4,5-inositol trifosfato. Este IP3 formado es hidrosoluble y difunde rápidamente en el citosol llegando al RE y activando los canales de Ca ++ activados por IP3.

A su vez el 1,2-diacilglicerol ejerce también ciertos efectos como:

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1. Degradación formando ácido araquidónico utilizado en la síntesis de eicosanoides (prostaglandinas, prostaciclina, tromboxanos y leucotrienos).

2. Tomar parte en la activación de la proteína quinasa C que fosforila residuos de Ser o Thr junto al Ca++ y la fosfatidilserina.

La concentración normal de Ca++ citoplasmático es menor a 10-7 M y no aumenta por encima de 6 . 10-6 M. El Ca++ tiene sitios de unión en muchas proteínas como en la troponina C y en la calmodulina que actúa como receptor polivalente (cuatro sitios) de Ca++ y media los procesos regulados por Ca++. Una vez formado el complejo Ca++-Calmodulina, esta ultima cambia de conformación uniéndose a ciertas proteínas como enzimas o proteínas de transporte transmembrana. Estas proteínas activadas por este complejo son llamadas quinasas CaM.

Regulación del Ca++ intracelular

Como la concentración intracelular del Ca++ es menor que la del LEC, hecho que permite la regulación de los procesos que involucran el Ca++. Esto se consigue por la relativa impermeabilidad de la membrana al Ca++ y también por una bomba de Ca++ con actividad ATPasa. Las neuronas y células musculares poseen un sistema

adicional que se activa considerablemente cuando las concentraciones de Ca++ son diez veces superiores, utilizando una bomba intercambiadora de Ca++-Na+. En la célula también existe otra ATPasa-Ca++ dependiente en el RE y también existe un mecanismo de bombeo cuando las concentraciones son mayores a 10 -5 M en la membrana interna de la mitocondria usando la energía producida por la fosforilación oxidativa bombeando Ca++ hacia la matriz.

Receptores asociados a enzimas

Estos receptores poseen el sitio activo de unión del lado LEC y del lado citoplasmático poseen actividad enzimática directa o asociada. Estos pueden ser

1. Guanilato ciclasa2. Tirosina quinasa3. Asociados a tirosina quinasa asociados a proteínas con actividad tirosina quinasa4. Tirosina fosfatasa que hidrolizan fosfatos de residuos de Tir de proteínas señal intracelulares.5. Serina-Treonina quinasa que fosforilan esos residuos de proteínas intracelulares.

Receptores guanilato ciclasa

Los péptidos natriuréticos atriales (ANP) son una familia de hormonas segregadas por las células musculares del natrium cuando la presión aumenta. Disminuyen la misma mediante el aumento de la micción de Na+ por parte del riñón y mediante la relajación de las células musculares lisas de los vasos sanguíneos. El receptor de ANP en las células del riñón y de los vasos sanguíneos es una proteína que atraviesa una sola vez la membrana y al formar el complejo HR activa a la guanilato ciclasa que produce GMPc que luego se une a una proteína quinasa dependiente de GMPc que fosforila residuos de Ser-Thr de otras proteínas.

Receptores tirosina quinasa

El factor de crecimiento epidérmico (EGF) se une al dominio glicosilado del lado externo de la membrana activando el lado interno que tiene actividad tirosina quinasa transfiriendo un fosfato del ATP a

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residuos de tirosina de la misma proteína y de otras intracelulares. Otros factores de crecimiento utilizan estos tipos de receptores como el plaquetario (PDGF), de fibroblastos (FGF), hepatocitos (HGF), el factor de crecimiento 1 para insulina (IGF-1), neuronal (NGF), crecimiento endotelial (VEGF), etc.

Los receptores de insulina se conoce como receptor tirosinaquinasa (RTK) es una proteína tetramérica compuesta por dos polipéptidos α y dos β. Los α son extracelulares y son el sitio de unión a insulina y los β son los transmembrana. La activación del receptor supone la actividad tirosina quinasa en las cadenas β (autofosforilación) y de una docena o más de residuos Tir en proteínas sustrato llamadas sustratos receptores de insulina (SRI). Las proteínas SRI poseen determinados dominios donde se fosforila la Tir llamados motivos de tirosina, y las proteínas efectoras a las cuales se unen las SRI y desencadenan diversas vías poseen dominios SH2 que poseen una gran afinidad por motivos de tirosina fosforilados únicamente.

Los RTK cumplen diversísimas funciones, pero lo importante es que no todo RTK es igual al visto; muchos otros son monoméricos que al activarse dimerizan fosforilando al otro y activando una cascada de reacciones donde la proteína Ras cumple una función importante.

Importancia de la proteína Ras

La proteína Ras es una GTPasa perteneciente a una gran familia que incluye a las Rho y Rac que participan de la transmisión de señales desde receptores en la superficie al citoesqueleto y la Rab que controla el tráfico intracelular de vesículas.

Debido a que un gen mutado de Ras se encuentra en el 30 al 40% de todos los tumores humanos se le presta especial atención.

Es una proteína pequeña monomérica del lado interno de la membrana celular que induce a efectores de señales y participa de varias vías diferentes. En su forma activa (teratogénica) está unida a GTP y en su forma inactiva a GDP. La proteína Ras, en una de sus tantas vías juega un papel importante en una que va desde la superficie celular hasta el núcleo. Este proceso puede esquematizarse de la siguiente manera:

1. EGF o PDGF se unen a receptores RTK que se autofosforilan.2. Una proteína SH2 llamada Grb2 enlazada a la membrana interna se enlaza con RTK junto con

otra proteína llamada Sos. 3. El complejo RTK-Grb2-Sos activa mediante Sos a Ras a su forma fosforilada. 4. Ras-GTP activa a Raf que es una proteinquinasa que inicia una cadena de reacciones de

fosforilación llamada “Cascada de proteinquinasa activada por mitógeno” (cPAM).5. La última proteinquinasa de cPAM activa factores de transcripción que inducen la división

celular.

Señalización a través de receptores intracelulares

Las hormonas esteroidales y tiroideas son de bajo PM (≈300) por lo que difunden libremente a través de la membrana por su carácter hidrofóbico. Allí se unen como un efector alostérico a ciertos receptores con aumentando la afinidad del mismo por el DNA. Estos mismos receptores son pertenecientes a una gran familia de factores de transcripción activados por ligando.

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La familia de receptores puede ser funcionalmente clasificada de acuerdo a su interacción con la proteína de shock del calor (hsp90) y por su tendencia a formar heterodímeros u homodímeros.

El receptor en ausencia de hormona está enlazado a una hsp90 y este complejo puede ser citosólico o asociado al núcleo. En el momento en que la hormona se une al receptor, esta se disocia de hsp90, el receptor dimeriza y se une a una secuencia consenso de nucléotidos consenso o interactúa con otras proteínas para activar un factor de transcripción específico o desactivarlo.

Los receptores nucleares poseen un dominio muy conservado de unión al DNA por lo que las subfamilias de los mismos se clasifican según variaciones en ese dominio y un dominio funcional que incluye el sitio activo de hormona, el de dimerización y con el factor transcripcional.

Los receptores nucleares se unen al DNA como dímeros pero cada monómero se une en regiones diferentes determinando la especificidad del mismo.

Dominios funcionales de los receptores nucleares

Dominios de unión a DNA: Compuestos por dos distintos dedos de zinc formados por una vuelta de aminoácidos separados por 15-17aas en los cuales solo un Zn está coordinado con cuatro Cis.

Dominios de dimerización: Secuencias hidrofóbicas repetidas en el extremo carboxilo que determinan la afinidad para el apareamiento y la modulación de la unión con DNA.

Dominios de transactivación: Regiones que interactúan con otros factores de transcripción estimulando o inhibiendo la transcripción. Generalmente se encuentran en el extremo carboxilo pero se han encontrado segundos dominios de transactivación en la región amino que se pueden activar en ausencia de hormona.

Dominios de unión a la hormona: Localizados en la región carboxilo.

Adaptación de las células diana

Las altas concentraciones de ligando producen la desensibilización de la célula para el ligando. Este proceso puede durar de minutos a horas. El más lento que implica la disminución progresiva de la concentración de receptores es llamado down-regulation. La adaptación rápida se encuentra mediada por la fosforilación del receptor inducida por el ligando. Un ejemplo es el receptor adrenérgico asociado a proteínas G que puede seguir dos vías.

La primera:

1. El aumento de AMPc causado por la adrenalina activa la quinasa A que fosforila al receptor β 2

inhabilitándolo para activar la proteína G.

En el segundo:

1. El receptor β2 activado es sustrato de la quinasa β adrenérgica2. La quinasa fosforila el extremo carboxilo del receptor activado3. El dominio fosforilado se une a la proteína inhibidora β arrestina. 4. La β arrestina inhibe la capacidad del receptor para activar la Gs.

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