Proteínas GSon moléculas polifacéticas que, alojadas en la.cara interna

de la membrana de la célula, coordinan las respuestas celulares

ante numerosas señales procedentes del exterior

ara que una persona pueda pen-sar, actuar o, simplemente,existir, las células de su cuer-

po deben comunicarse entre sí, co-municación que efectúan poniendoen marcha mensajeros químicos,como las hormonas circulantes y losneurotransmisores. Puede resultarsorprendente que sean contados losmensajeros que necesitan penetrar enel interior de la célula destinatariapara desencadenar los cambios fun-cionales; la mayoría hace llegar lainformación a su destino a través deintermediarios. En Ia superficie de Iacélula diana hay proteínas que lessirven de receptores específicos; elhecho de ligarse a ellas se convierteen una orden. Después, en un proce-so denominado transducción de seña-les, los receptores, que abarcan elespesor de la membrana. transmitena su vez la información a una seriede emisarios intracelulares que, porfin, la pasan a los ejecutores finales.

Se han descubierto docenas demensajeros extracelulares. Podríaconcebirse que cada uno desencade-nase una serie de interacciones mo-leculares propias y exclusivas, peroha resultado que buena parte de ellosse apoyan en una sola clase de mo-léculas, las denominadas proteínas G,para dirigir el flujo de señales desde

MAURINE E. LINDER Y ALFREDG. GILMAN forman parte del departa-mento de farmacología del Centro Mé-dico del Suroeste de la Universidad deTexas, Dallas. Linder se doctoró en bio-logía molecular y celular por la mismaUniversidad en 1987, donde ahora esprofesora ayudante. Gilman permanecióun decenio en la de Virginia antes dellegar a ser catedrático y director deldepartamento de farmacología del Cen-tro Médico del Suroeste en 1981 En1987 ocupó la cátedra de Neurofarma-cología Molecular y, en 1989, le fueconcedido el Premio Albert Lasker deInvestigación en Ciencias Médicas Bá-s icas.

Maurine E. Linder y Alfred G. Gilman

el receptor al resto de la célula. Lasproteínas G se llaman así porque li-gan nucleótidos de guanina, que, aligual que los demás nucleótidos, es-tán constituidos por una base orgáni-ca (en este caso la guanina), un azú-car y uno o más fosfatos.

Uno de nosotros (Gilman) y suscolaboradores caracterizamos las pro-teínas G como intermediarios funda-mentales de la transducción de seña-les a finales del decenio de lossetenta en la Universidad de Virgi-nia. Poco después, ya en el CentroMédico del Suroeste de la Universi-dad de Texas, en Dallas, hemos con-seguido descifrar mucho de 1o quehoy se sabe acerca del funcionamien-to de estas notables proteínas. Nossiguen fascinando sus habilidades yel papel central que desempeñan enuna gran variedad de funciones celu-lares, que cada día parece ampliarse:desde la reproducción sexual de laslevaduras o los movimientos, quími-camente inducidos, de los mohos dellimo, a la visión, el olfato, la secre-ción de hormonas, la contracciónmuscular o el reconocimiento entrelas personas.

A lo largo de estos últimos años,A r. há averiguado también quelas proteínas G transductoras de se-ñales forman parte de una gran su-perfamilia de proteínas: las reguladaspor nucleótidos de guanina. Ademásha quedado claro que las alteracionesen el funcionamiento de las proteínasG, y de otras emparentadas conellas, intervienen en el desarrollo deenfermedades como el cólera, la tosferina y el cáncer. No sería extrañoque, algún día, el empleo de fárma-cos selectivamente dirigidos a regu-lar proteínas G específicas llegase aconvertirse en habitual.

Quienes las estudian tienen con-traída una deuda importante conW. Rall y Earl W. Sutherland, Jr.,este último ya fallecido, cuyos traba-jos pioneros abrieron el capítulo de

I

1. PBIMERMENSAJEROADRENALINA

2. BECEPTORESPECIFICORECEPTORDE ADRENAL'-.

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I20

4. EFECTORADENILILCICLASA

7. CAMBIO FUNCIONALDE LA CELULALIBEBACION DE GLUCOSA

MEMBRANA CELULAR

6, CASCADAENZIMATICA

\FOSFORILASA

ACTIVADAa su receplo.r (malva), que insta a Ia proteína G" para que activea la .adenilil ciclasa (verde). Esta ánzimr. qu.' es un etector,:ql{.lt:. el {TP (citindro.naranla) en.t ,egrnáo mensajero,AMP cíclico (bucle noranjal. El AMi ciclico fr'".e qu" se dispareuna cascada de reacciones enzimáticas que acti;a la enzimafosforilasa (azul) para_que convierta .f glr.¿g.rá (cinfa ama_rutn) en gtucosa. que la célula vierte finalmente al ertericr.

OSA

l. ,I.,A

P_ROTEINA G (cúmulo rojo) de una célula hepática trans-mite señales (flechas) de la hormona adrenalina (esiera púrpuradel extremo izquierdo) hasta una serie de molécuias liberadorasde-gfucosa (cdpsulas amarillas del extremo derecho). La ruta se_guida por estas señales es típica de las reguladas por proteínasG; sus ras_gos básicos aparecen numeradoly en negritá. En estecaso, la adrenalina, un primer mensajero, ábre Ia-vía al unirse

la señalización celular a finales delos años cincuenta en la UniversidadWestem Reserve (hoy Ilamada CaseWestern). Actualmente sabemos quereceptores celulares muy diversos sehacen eco de las insirucciones dehormonas y otros "primeros mensa-jeros" extracelulares mediante Ia ex-citación de una u otra proteína G.Adosadas a la superficie interna dela membrana celular (la membranaplasmática), estas proteínas actúan, asu vez, sobre intermediarios unidosigualmente a ella, que reciben el nom-bre de efectores. A menudo, el efec-tor es una enzima que convierte Iamolécula de un precursor inactivo enun "segundo mensajero" activo; éstese_difunde por el citoplasma y puedeasí transportar la señal más-allá delos límites que marca la membrana.El segundo mensajero desencadena¡na cascada de reacciones molecu_tares que termina en un cambio:uncional de la célula; por ejemplo,que empiece a segregar una determi-rada hormona, o a liberar glucosa, alredio.

En los años cincuenta, los entresi-os de la señalización intracelular

rvssncnclóN y Crsrcre, septiembre, 1992

permanecían en la más completa os_curidad. Se sostenía casi como ver-dad inapelable que los efectos de lashormonas sólo podían obsevarse encélulas intactas. Pero Rall y Suther_land, que estaban estudiandó cómo lahormona adrenalina (epinefrina) esti_mulaba Ias células hepáticas paraque liberasen glucosa, no pensába,así, sosteniendo más bien que, parallegar a entender un sistemaj hay quecomprender sus componentes.

El análisis de los fragmentos celu_lares _que llevaron a cabo reveló quela adrenalina provocaba ,n cambioen una enzima de la membrana plas_mática y la capacitaba para convertirel nucleótido adenosina trifosfato(ATP) en una sustancia hasta enton-ces desconocida, el AMp cíclico(adenosina-3',5'-monofosfato cícli-co). La enzima en cuestión era otramolécula, también desconocida hastaentonces, a la que se dio el nombrede adenil ciclasa (y hoy se denominaadenilil ciclasa).

Ateniéndonos a la terminología ac_tual, lo que descubrieron fue que unprimer mensajero (la adrenalina oepinefrina) actúa en parte a través de

la estimulación de un efector 0a ade_nilil ciclasa) y [e insta a que produz-ca un segundo mensajero (el AMpcíclico). Los pasos intérmedios entrela señal desencadenada por la adre_nalina en el exterior de la célula yla activación de la adenilil ciclasácontinuaban, sin embargo, sumidosen la oscuridad.

Qutherland pensó que la adenilil ci_tJ clasa y el receptor de la adrena_Irna podrían ser la misma molécula,lo que hubiera significado que el re-ceptor haría también las veces deefector, sin necesidad de ningún otrointermediario. Así sucede en algunasvías concretas: pero experiméntosrealizados a comienzos de los añossetenta dejaron bien claro que el re_ceptor de la epinefrina y la adenililciclasa eran, de hecho, dos entidadesdistintas.

Siendo esto así, ¿cómo se comuni_ca el receptor con la adenilil ciclasa?Dos pistas importantes sugeían quelos nucleótidos de guaniná andabande por medio, Io que permitió abrirun nuevo frente de investigación,que terminó por conducir al descu_

2t

CONDICION EXPERIMENTALSUPUESTA

ADENILILCICLASA

EXTRACTOPROTEINICO

ADENILIL

CICLASA

CONDICION DE CONTROLSUPUESTA

EXTBACTOCON LAADENILCICLASAINACTIVADA

+

CONDICION DE

CONTROL REAL

+ADENILILCICLASA ¡

PROTEINA G (G")

INSOSPECHADA

1.1.

+

RECEPTOR CICIv\

\-,^)\ r=r""o*o

""a,[,üü

2.2.2. FALTA DE

ADENILILINA CTCLASA

G.

€\ .Á [-)\r§ wV

Descubrimiento de la Proteína G'

Las condiciones del experimento de Elliott M' Ross, del laboratorio

¿e cllman, consistían e, a¡adi. un extracto de proteínas_ de membrana

á-membranas cyc- (izquierdn, 1), que se suponía carecían de adenilil

ii"luru, l,a enziÁa que-sinretiza AMP cíclico (D. l-a adrenalina^provocó

il;ñr*ió, de Atytp cíclico por pafie de las membranas deficitarias,

io tru" puecía indicar que la aáenifit-ciclasa (verde) se había..insertado

", "ttui. En la situación oe control, se desrruía Ia adenilil ciclasa

presenteenelextracto(centro,1).Pero,.aunsinella'IaadrenalinaiániieuiO que las membianas cyc produjeran AMP cíclico (2)' Este

i.rrft?áo sorprendente condujo ai desiubrimiento de que las membranas

cyc siemp.e habían conteniáo adenilil ciclasa (derecha' 1)' pero -care-

cían de un tercer componente necesario para activarla, una proteína G

(esferas rojas), que persistía en el extracto aun después de- haber

itimina¿o ü a¿enitlt óiclasa. Fue 1a incorporación de proteína G a las

membranas 1o que permitió a la adenilil ciclasa oculta producir AMP

cíclico (2) en la situación de cont¡ol.

brimiento de la importancia de lasproteínas G en la transducción de

señales. En primer lugar, MartinRodbell, Lutz Birnbaumer Y sus co-laboradores, que trabajaban en losInstitutos Nacionales de Sanidad es-

tadounidenses (N.I.H.), demostraronque la presencia de la hormona glu-cagón (que también ejerce efectos através de la adenilil ciclasa) y de su

receptor no era suficiente para acti-var la adenilil ciclasa; tenía que estarpresente también el nucleótido gua-nosina trifosfato (GTP) .

Luego, Danny Cassel Y Zvi Selin-ger, de la Universidad Hebrea, des-

cubrieron que, cuando se añadíaadrenalina a fragmentos de membra-na plasmática, no sólo se activaba laadenilil ciclasa, sino que se provoca-

22

ba también la conversión del GTP enguanosina difosfato (GDP)' La con-versión se producía porque una enzi-ma llamada GTPasa hidrolizaba elGTP (es decir, romPía la molécula,al facilitar la interacción del agua

con ella), con la consiguiente libera-ción de uno de sus tres fosfatos. Laidentidad de la GTPasa Y la funciónespecífica del GTP habrían de tardaren esclarecerse. Pero, al menos, am-

bos resultados indicaban que losnucleótidos de guanina participabanen la transmisión de la señal de laadrenalina.

A mediados de los años setenta,

Gilman y Elliott M. Ross, que enton-ces trabajaba en su laboratorio, se

encontraban entre los investigadoresintrigados por el problema de las co-

nexiones entre receptores de adren"-lina, GTP y adenilil ciclasa. Coinc.-dían con Randall y Sutherland e-pensar que la mejor manera de lleg::a comprender el funcionamiento c;un sistema biológico era desmern-brarlo y recomponerlo de nuevo. Le.hubiera gustado aislar las distinta,proteínas vinculadas con la membr:-na plasmática para después añadirla.sistemáticamente a una membrana ar-

tificial, o desprenderlas de ella. A..hubieran podido desenmascarar e

conjunto-mínimo de moléculas nece-sario para la activación de la adenil:.ciclasa y hubieran podido identificrel papel del GTP en la secuencia d.reacciones que integran el proceso.

or aquellos años, sin embargo, nise disponía de técnicas que Per'

mitiesen purificar con facilidad los corr.-ponentes de la membrana sin alterar-los, razón por la cual Gilman y Ros,se dispusieron a ir probando divers,técnicas para tratar de incrustar prc-teínas en membranas sin una Prer i,purificación del material insertadt-La suerte les acompañó Y, en tale,tentativas, encontraron la solucio---del problema de la señalización.

Ross había diseñado un exper,-mento para ver si podía restaurar i.adenilil ciclasa en una línea de célu-las mutantes que conservaban los r.-ceptores de adrenalina pero que, ¿

parecer, eran incapaces de produc,:adenilil ciclasa (véase el recuadroGordon M. Tomkins, ya fallecidiHenry R. Bourne y Philip Coffin,,de la Universidad de California :-San Francisco, habían descubier:esas células deficientes, o cyc-. i-t91 5.

Ross confiaba insertar 1a aden:.ciclasa en membranas cyc- al m;-'clarlas con un extracto de proteír..derivadas de membranas que sí la cc '

tenían. Si lo conseguía, el segun:mensajero, eI AMP cíclico, se proü-ciría al exponer las membranas cr-'tratadas a la adrenalina (así comti -

ATP y GTP, elementos que se hab'.-demostrado imprescindibles paraproducción del segundo mensaje:Y efectivamente, cuando hizt'prueba, apareció el AMP cíclico

Naturalmente, se quedó bas:.-satisfecho con este logro téc:. -

Pero los resultados de su exPer:-.-to control resultaron ser aún mi'tisfactorios.

En las condiciones prefijadas -

control, Ross inactivaba de n:--,-inequívoca la adenilil ciclasa d¡ .

tracto mediante un calentanl:. -

suave, o por adición de comPu.'químicos. Supuso que la mezc-:proteÍnas no tendría entonces ;l: -

INVESTIGACIóN Y CIENCIA, septiembr:. '

i

sobre la actividad de las membranascyc-. En. otras palabras, Aespues áesu exposición al extracto, Iai mem_branas continuarían sin adenilil cicla_sa y, por tanto, no debería producirsereryIlsrl

-alguna a la adrenálina, ATpy GTP. No sucedió asi, y tas mem_branas sintetizaron de manera inespe_rada AMP cíclico, exactamente comost nublesen adquirido adenilil ciclasaactiva del extracto.

La explicación de este hallazgosorprendente se alcanzo muy pronto:las- cé_lulas cyc- contienen en reali_clad adenilil ciclasa, pero había pasa_do inadvertida porque estaba inactiva.Y estaba inactiva porque otro com_ponente celular _una adenilil ciclasanecesaria para su activación_ estabaausente de las células. por fortuna,ese componente permaneció en elextracfo después de que fuera elimi_nada Ia adenilil ciclasa, y su presen_cia ."despertó" la enzima que perma_necía dormida en las céluias ¿y;_.

-

Los y Gilman demosraron ense-guida que la sustancia activadora eiauna proteína que, a su vez, se acti_vaba gracias al GTp. Sn ,á, ¿"-."_ferirse a ella con el .ornpf i.uao,.oTql" de ..proteína

ligadora'ae nu_cleótidos de guanina,,I lu Ifurnu.Lnsrmptemente proteína G. No hizo fal_ta mucha_ imaginación para deducirque la adrenalina llevaba a fa fro_ducción de AMp cíchco transmitien_do información, mediant" .u ."""r_tor. a una proteína G, que, .uunáose-.une a GTp, estimularíá a la ade_nilil ciclasa para que convirtiera elATP en AMP cíclico.

TJU:i? 1980, paul C. Sternweis yI I. John K. Northup, miembros eí_tonces del laboratorio de Gilman,consiguieron purificar la proteína dque activa la adenilil ciciasa, cono_cida. ahora como G5. O"rprér,

-rr"u

vez logrado el aislamiento del receo_tor de adrenalina y la adenilil cicll_

sa, Gilma¡ y Ross prepararon mem_branas celulares artificiiles constitui_das por las tres proteínas ir.;;;;;;:en tostolípidos, Ios componentes es_

. tructurales principales Ai las mem_oranas plasmáticas. Cuando se aña_

{igron la adrenalina, et afe y "Jl

GTP, se produjo el AMp cíclico'.. Así pues, a mediados de esa déca_da, este experimento constituyó iaprueba concluyente de que todás los

erementos esenciales de Ia vía queva desde la adrenalina trasta ta p=rilducción del segundo mensajero, elAMP cíclico, hóian quedado i¿énti_ficados. Hacia las mi..na, f;;;;,otros investigadore-shabÍun uu.riltru_oo. ya que el AMp cíclico aciiva::ll^Tir de

_ proteína, .nri*a, qu.rosionlan (añaden grupos fosfatoj a

otras proteÍnas. y habíán comptetáaoel resto de Ia vía ¿e la adrenalina ánras celulas hepáticas, demostrandoque el AMp cíclico pone en marchauna cascada enzimática que, al final,

Las proteínas G activan y desactivan ros efectores

RECEPTOB EFECTORnn \."'-.,\\GB ) l\4)li-\ .^rr ,.

I PROTEINA GGDP

1. E" pg estado de reposo, Ias proüeínas G,que están constituidajpor subuiúdades aliJ

Í,?ts*T :, fl "¿. ger ?i,S**i;áld';i",t(CDP) y no estián en Sontacto

2. Cuando una hormona u otro primermensarero se une al receptror, el reieotoi

itri ñT " i i J.t::";H,k:::r *¿ulto (GTP), que acriva la "proteÍna

G.

l. F.piot"¡nu G se dis66i¿ entonces; la su-bunidad alfa, unida a Cip, ;"-á,iüaá pJ.la membrana y se une a un etector, acti_v¿índoro. se há conectaaó á'iii"rii,]it"ii,-

g-z PRTMER MENSAJERO

"Ún

-fu",,.,'^-]>\-GDP

4..Tras unos pocos segundos, la subtrnidada.tta convierte el CTp en GDR con lo que seinactiva a sí misma, qr"au.,ao- tirt"'"ri,reasoclarse con el complejo beta_gamira.

con los- receptores.

=sTrcACróN y CrENcre, septiembre, I 992

23

activa la fbsforilasa, la enzima querompe el glucógeno (el almidón ani-mal) convirtiéndolo en glucosa. En

otros tipos de células, el AMP cícli-co, aun actuando a través de las mis-mas quinasas, ocasiona efectos dife-rentes, como puede ser la síntesis Y

liberación de hormonas esteroideaspor las glándulas suprarrenales y lasgónadas.

No resulta inusual en la actividadcientífica que, casi al mismo tiempoque Gilman y sus colaboradores es-

trechaban el cerco sobre la G' comoactivador de la adenilil ciclasa, otrosinvestigadores estuviesen a punto dehacer un descubrimiento semejantemientras estudiaban un problema de

apariencia muy diversa: el mecanis-mo de respuesta a la luz de los bas-

toncillos de la retina. Los experimen-tos de Marck W. BitenskY, entoncesen la Universidad de Yale, e, inde-pendientemente, los de Lubert Stryery sus colaboradores, de la Universi-dad de Stanford, revelaron una se-

gunda proteína G, conocida ahoracomo transducina, o Gt.

Esta proteína hace el PaPel de in-termediario entre el receptor de laluz (rodopsina) y una enzima efectora

(fosfodiesterasa), que regula los ni-veles de un segundo mensajero (gua-nosina-3'.5'-monofosfato, o GMP cíclico). Cuando la rodopsina recibe elimpacto de los fotones, activa la Gt,que instruye a la fosfodiesterasa paraque convierta el GMP cíclico en

GMP. Como ei GMP cíclico mantie-ne abiertos'los canales de sodio, su

conversión en CMP los cierra' evi-tando la entrada de iones sodio(Na+). Aumenta entonces la carganegativa del interior de la célula, ha-

ciendo que se hiperpolarice y genere

una señal eléctrica. que se transmitehasta el cerebro. El extraordinarioparalelismo entre la estimulaciónhormonal de la adenilil ciclasa y laactivación de la fosfodiesterasa porla luz despertaron pronto el interésde otros investigadores. que se unie-ron a la búsqueda de nuevas Proteinas G. La época de la recolecciónno llegó, empero, hasta 1984, fechaen que se clonaron los Primerosmiembros de la familia. Melvin Si-mon y sus colaboradores del Institu-to Tecnológico de California han

sido especialmente prolíficos en elaislamiento de genes de nuevas pro-teínas G, hasta tal Punto que ahora

asignan números en vez de nontb:.a los recién llegados.

Hasta ahora se han descubre:más de cien receptores (o quizá :'les. si se incluyen los del olfatol;-,transmiten mensajes a través de p: '

teínas G, de las que se han aisl;-al menos veinte formas distintas. Imismo sucede con los efectores ::'pendientes de ellas; además de

adenilil ciclasa y Ia fosfodiester;'-del GMP cíclico. existen otras en: -

mas y canales de membrana que :;-gulan el paso de iones inorgánico. -

través de la célula. Una de e.:.enzimas, la fosfolipasa C, tiene - -

interés especial, ya que rompe - -

fosfolípido de la membrana plasn-.-'tica y lo convierte en dos segund '

mensajeros, uno de los cuales libe:-los depósitos intemos de otro segL:'do mensajero más, el calcio.

A medida que se tomaba concre:.cia de la importancia de las prot. '

nas G en la casi totalidad de las '.lulas. se hizo más urgente la necesic,-de comprender cómo regulan el t1:-

de información entre recePtoresefectores. Pocos años después del c.'cubrimiento de G. y de la transdu-na. ya se había conseguido escl¡:.cer su mecanismo de operación.

f as proteínas G que participan :

l- la señalización a través de

membrana plasmática están unida,su superficie intema Y formadas :tres cadenas de proteínas, o subu:dades, que de mayor a menordenominan alfa (a), beta (B) y g"

ma (y). La subunidad alfa difierecada una de las proteínas aislr:hasta la fecha. El par constituido :las subunidades beta y gamma n.necesariamente distinto; cadena-s .diferentes pueden estar unidas e

par beta-gamma idéntico o difereHasta ahora se han encontrado c':estructuras diferentes de la subun.:-beta y posiblemente más de diezla -gamma. lo que sugiere que

drían darse hasta más de mil co:naciones de alfa, beta y gamma

Las proteínas G llevan a cabt-funciones de una manera curio.'estado de reposo, las cadenas ,beta y gamma lorman un conl[y el GDP está unido a la subu.- -alfa. Cuando una hormona u

primer mensajero establece cor:-con un receptor, éste sufre un -,bio conformacional y se une -proteína G. A causa de ello. -'bunidad alfa libera el GDP. t:-que el GTP, más abundante ;células, se une al lugar de ligar--' ,

que queda abierto. alterando la :

de la subunidad alfa y acti\'ár.-En esta condición. la suL,*-

2. PROTEINA P2l"' (estructura en forma de cinta) unida al nucleótido guanosina

trifosfato (GTp) (r¿"lo), que la activa. se considera que la región del ras que liga el

GTP se asemeja mucho a la de las proteínas G transductoras de señales, pendiente

de descifrar tódavía. Los rizos, flechas y lazos indican, respectivamente, que su es-

pinazo es helicoidal, extendido o de naturaleza menos estereotipada. Las áreas azules

convierten el GTP en GDP, lo que provoca un cambio de forma de las regiones verdes

y la inactivación de la molécula. (Las áreas verde-azuladas interactúan con los nu-

.t.ótido. y cambian de forma.) Alfred wittinghofer, del Instituto Max Planck de

Investigaciones Médicas de Heidelberg, y Sung-Hou Kim, de la Universidad de Ca-

lifornia en Berkeley, determinaron esta estructura.

24 Irvrsrc.qcrrir y CIENCIA. septiembr.

ADENILILCICLASA ,NTERCAMBIO

DE ACETILCOLINA

NOBADBENALINA

AMP --CICLICO

\\\\\\.r ri^r I

REPOSO

. DE LA VIADE EXCITACION

AUMENTODE LA FUERZA DISMINUCION

DE coNrnAccróN ,.r|áif.r^.¿?N ^"?tüIi:l"IvlAs DE ExctTActoN DE coNTRAcctoN

i L,A v4 ExcITADoRA de las cérr¡lec ¡ror -,^^_ r. vlAs DE rNHrBrcroN

:;' !:: :! i i;i i :''ff*fi

;,,1l¡ruffi ¿p5[pfii,.:ií,,*,,,ufu$iffi #;,

er proceso de intercartlusfración derechal.

:,1üx,ilT¿,.:lí: ¿:quterdo). La tuerza disminuye w,,ii.,',,¡^'i",,oro continui) í;¿i: {;:¡{";iír?d?:Ti#,:ffi::iiXtJ;,;i,ilJi:*: ,,r;rlla unida ar GTp se

.disocia de las 6rs G.. una subunidad alfbera v 8amma. dif,undrendose por ra ,nu*;,JI1,,.::T.:119,,.[a.unida a en ros orr

;iffi!i,,j,'l','.',:' j' ', ,.;b*;; #".LX';:]l'"1,:.t';:',iiili',0,.- i,¿r", I#e"'o' de señarización Es-

.on un efecror, .or.'! .. engancha [.r,u. de AMp cícrico ,n,llhlt

'ro- ;;;;'.;;i"'ados en nuesrro labora-

-rdenirir cicrasa. ¡.lo^-f"ou ""' ii .i'i.rportrrdor se ¡n,.r.r'lt-9t c': ;;;;;"?:ten que la unidad bela-

l:*-, i;-;;;;,ñ;:*t'r",r.Hfl:i Eri;.on,i",tu-á.';il:'Jf C;i] *::tlfu: x*:fi:;'&.1'1'rÍ!i : ll ¿ il: * *' tt'l;,,,,:H,,""f:,§

{ :;,, kfl ,"¡$im }"j x- **+ }I-i* *iffiI I; : !"",' [,:J,:|;; l:'" :,: c, JJ' i iri, J i',,,1 f, , ni"iJ'Í:i li¿',,-'',ie,?

clpá'.'", ,*[:TT:JÉ!, ;H' .T'i: 4il,:Xi[::";¡ o.¡,.,- ;. ;: í;';rillÍ.i:m:¿:nf..naflcas estimuladas r

*, x.fui'* :'düj.#,'1,iilxt i:l.lllni.u;:[n,1ffrf,:i,i:F fr?,i;i'ii.*:'tii;';*il,J:;se reasocia .on .rb.:]l,del

efle.ctor familia o. crÉr.rr.'X*;#" t'r*- algunas ner:i-bera y de gamma.

unidades liÜrJs ;;;;;r", parricipan "n ¡u.rl.-d:

tYt t;;;;r; uutrronás' probablemenle Ii-

, ?:,.,:ü,,0,."ü;";;;,..^,:", 9-r,e,n Blfff*";tilHn#:,,rrj*|i il*"Til":rÉi:{ ,1i1,'i',lT,t-1 orrcto de interruptolJdores. dererminando

tlL,L't'pá'i- ,"t. 'r¡,ygr, a conrrorar .r ,]:--ctn9t "ot,il¡r :i:i:l:.

sobre olros tipos de

j:j. ,::áile ii;;;" :.';fli"',i J.1X- ''.'J"J.;..?,.,:,iiÍ, ;;.,r,, ilT ,_".if#iii::.::,, ,r;TJJ:l;.-Jn las vÍas de com

,llTlt,"' ;;;. :il',ffi i;':il"fl ,d;.J,1x proreínai o ;;;*.,1xi,''Jl #,lff:ll""que quizás &;iilil.'",

-rr'r un¡da a GTP se une a un .rá"á.'" :"::l",t oe-sempeña un papel run¿rl ;;'X-'^Y..:t como consigue su efecro.\conec,a cuando J ""ilTETi; ffid-*.lH;:l J,h*1.;*::d, ,T'ü:1,S:;

'a a cDp. r-u u.ro.iojli:{lüi á'ill''.,...res. pero ,u .,..lilluj?' ¿. ll ,o.,liffi':::;§\'#":nit:';',::,x.:iiT:ü".ift:frIÍi',: iiiÍ :I il,:,5.ff{;n"il§:'l1i:ü: lU:":Tt[x

p^" "]:t Y1 a sererar

f:'. {,,' i't ü. ffitrü iljl i,}'fi' ;*;fifir* *l*[. "*; fr ff],,':;,r * Fifü[rra vrsual. de eficaciá rrn ,on.","- :::..1':' ,necho acopio o" aatos or. ;;;:,:",l"l1orr la _adenilil ciclasa me-

una moléculu o. roolll.portento- apoyan el punto a.'"1r,á"0]"lot 9" diante Ia libe.i. simurtáne;;;;,;??'tn1 acliya comprej,récu'|as ¿' 'i,,.i,i'¡,;lt, i: .x3 ;: :lri::ti¡¡.idfxllt"lii| s;*f il|;

ac¡on de su subunidad

iaa p,.o.n J.,':;;:"::t: ;lhi,,,*:,,iü,{l*lti;1#í::srrcAcróN y CIENCIA. septiembre, I992

GTP

HECEPTOR

de la Gi para inhibir la adenilil ci-.-lasa en membranas plasmáticas, se

encontraron con que la proteína alfa3ra un inhibidor mucho más débilque el complejo beta-gamma.

Pero. curiosamente, la inhibiciónprrr la unidad beta-gamma sólo teníalugar en presencia de la G'. Esterl))uzgo llevó a Gilman a sugerirque podría estar operando un pro-;eso denominado intercambio de su-bunidades. Según esta hipótesis, lassubunidades beta y gamma de molé-culas Gi activadas podrían combinar-se con subunidades alfa liberadas deG.. lo que podría muy bien ocurrirsi los complejos beta-gamma de G'I de G¡ fueran idénticos. Secuestran-do a la subunidad alfa activadora, elcomplejo beta-gamma inhibitorioobstaculizaría su unión con la adeni-lil ciclasa.

T as células del miocardio ofrecenL ,n ejemplo de cómo tal inter-cambio de subunidades podría influirsobre las funciones celulares (véasel¿ ilustración J). El neurotransmisornoiadrenalina aumenta la fuerza y elritmo de la contracción a través dela subunidad alfa de G., adenilil ci-

clasa y AMP cíclico. Cuando el neu-rotransmisor acetilcolina actúa tam-bién sobre las células, bloquea lacontracción, al parecer mediante dosmecanismos. Birnbaumer, Arthur M.Brown y sus colaboradores de la Fa-cultad de Medicina de Baylor handemostrado que. la acetilcolina esti-mula la subunidad alfa de Gi y leinsta a que abra los canales de lamembrana que permiten la salida deiones potasio (K+) fuera de la célula,lo que termina por impedir la con-tracción. La acetilcolina inhibe tam-bién la adenilil ciclasa, obstruyendoasí la vía de activación puesta enmarcha por Gr.

La inhibición de la adenilil ciclasaen las células del corazón podríamuy bien ser obra de la subunidadalfa de Gi, aunque algunos datos su-gieren que el responsable es el com-plejo beta-gamma, que podría conse-guir tal efecto por ligamiento a lasubunidad alfa de G', impidiendo asísu acceso a la adenilil ciclasa. No-sotros no defendemos a toda costa elintercambio de subunidades en la cé-lula. pero la hipótesis sigue viva porsu congruencia con muchos datos ex-perimentales y porque, hasta ahora,

nadie ha demostrado que la sub--dad alfa de G¡ pueda inhibir dir::-mente la adenilil ciclasa.

Una comprensión más detallad. ::cómo se transmiten las señales d:.':los receptores hasta los efectore.:,.-medio de las proteínas G está " ,espera de que se esclarezca la =,'tructura tridimensional de tales m:-:-culas mediante cristalografía de -.-yos X. El conocimiento de la fo:::.puede revelar qué partes de una ::..-lécula podríaq encajar bien con or:.moléculas.

Mientras tanto, se avanza algo ::el conocimiento estructural valoranc-las pistas proporcionadas por las s:-cuencias de los aminoácidos en lasproteínas y comparándolas con las dcproteínas relacionadas cuyas forma.tridimensionales ya se conocen. Po:ejemplo, el análisis de los receptore.que interaccionan con proteínas C'

indica que la mayoría de ellos inclu-ye siete regiones separadas ricas e:.

aminoácidos hidrofóbicos. Estos seg-mentos abarcan casi con segurida:todo el espesor de la membrana pla.-mática, que es hidrofóbico (huyend,así del medio acuoso del citopla.-ma), y crean una oquedad accesil,..

Ejemplos de efectos fisiológicos mediados por proteínas G

ESTIMULO

Adrenalina,glucagón

Adrenalina,glucagón

Olores

Hormona Folículo ováricolutein¡zante

Hormona Células renalesantidiurética

Acetilcolina Células del miocardio

Encefalinas, Neuronas cerebralesendorfinas,opioides

Angiotensina Célulasmusculareslisasde los vasos sanguíneos

EFECTOR

Adenilil ciclasa

Adenilil ciclasa

Adenilil ciclasa

Adenilil ciclasa

Canal de potas¡o

Canales de calcioy de potasio, adenililciclasa

Fosfolipasa C

Adenilil ciclasa

Fosfodiesterasade GMP cíclico

Desconocido

EFECTO

Degradación de glucógeno

Lipolisis

Aumento de la síntesis de estrógenoy progesterona

Conservación de agua por el riñón

Descenso del ritmo cardiacoy de la fuerza de contracción

Cambio de actividad eléctricade las neuronas

Contracción muscular; elevaciónde la presión sanguínea

Detección de olores

Detección de señales visuales

Beproducción celular sexual

TIPO CELULARAFECTADO

Células hepát¡cas

Adipocitos

Células neuroepitelialesde la nariz

Conos y bastonesde la retina

Levadura de panadero

PROTEINA G

)6

Feromona

INvesrlcecróu v Crencra, septiemb:= -ui'

7ftY ñEüEPToR

romrl .

4,. LA MEIIBRANA CELI

ffi##*#rffilHttrHHffi*fiffia los primeros ncara eir.ace,,,;,'t?' ij'lx:,ffi:,11 Il'l?,._ _,9"i

..pe gajosa..:

}l"lli'^ rl'f,i,.rr", citoprásmicos ,n ,u ,.r9,.Ír"'gil;; ' un extremo sea also^más que una enzima y sirvaque coneoan ,". ,Jj?,1"1'.1"P,Y.':11:. una mólécurr-liñjji., i''1 :''o,o a tambié"n

ii' .,1*t"i.,it"{?,'^'.,^1fi1$ r,iCX=.};:j::;, **fi,ir+ :ffi. ;, ::T.;1,' H;específicas. -n a proteínas G al

^J:9: sabe rodavÍa qué sitios de ¡,;J#¡:ii!;*iiih,'{:i1,},,: IH''Jr;:'lirn" 'o iá'""u1'inoi''-

1as proteínas G trar

,i{,"ü:::i'::}f:'#,i::-r¿ix;fl ill'i;;ffi '-iT*i jttti,l:tüli:'";",'ffi t$i;:i#r-"+i+y"','-t**ii.r1li,lld1 ;t;:: i¡ill*i',,,r ffi:.T# ilt,li;hl.r":'::t"'ÍJ ffi;;:, ,..Lel tugar- ;; ;;i:;"t'" bastante clara sun

,tlii¡,ffo.", 1,".,:*. ll*:i §#*i:'il,x*iri:iiil"tr $q:;*t*d[qi;l?{;.,:T;:nacrivo 1,¡,i'i,",ffi,Tl"irj i:r*;, segundo rípido.'n.laá:vid'; :#fi..."*[::"{:É*f".8'i,?jl'r",H;:'"l""tr,o""t;.t" .lu .rt.u.t*i """t'j'. a. p.oáu.o ra misma respuesra (aun_jescirraron--,rá.0.íl?ji,1?r#; iT E' ,r., poco ro que se r^' que con slred Wittinghofer. de

r+d"..r.,ffi ''":'ffi g-5 *-r;¡[*¡}".1*a;,,,,,",5; fr-*;j*s#5:¿ffi.t_unlversidad de Cal

' .r.v. r-, pái.-"o.vcf lrornla en Ber- en relacrón con la adenili

-re liga.er-nucreótidoa,proteína üs eáránd^ono, en ra secuen,,tl ,titruü' il;;;;,; ff:riffi1rt""rtt;r1f,',g:

r: %tl*:'iil",#{l#: f * g : i1", * ,,. *'

LJ #',i, ü*; Ji:'i'., fi 3'} [ t"' T,',:r tr . :;f

.o,.ínu, Gr,; il::,";¡[p:u¡r ;:#: T#? .:É:,1m.;r\Éiii i:Th:8.I *i],i::"gj'[r;*;;---'s,. tuertemente hidrorobrcas, que n",, ,rlo[Xt"ll,.".,: ,ll.rre ,un rú- l^'.r'1"r ]f, '!u especie ¿. *oü.u-:rvtrlan para explicar *,, -^r^"I] i'"" 9" se asemeja a los canal". ^i. ll^"-tl' "l .lnterlor de Ia célula "io,..,,on a ra membrána,,ilT.o¿o^á. ;;';r:'l'o'r''T#:ii;,.'1"'Tiil:'o?' ri""-l"rliii'erior de Ia célula sieni-

i;í:+i"ft:T'lJ^ff,,'f:,*.'*¡I i[,:.f,;;.?iiii",,üilaj,,Tlttd: i*T;:ixffti"*i,,'i#Hk:.,ohn A. Gromset ,

'L ]ubo'uto'io, 'u.io. pá'u-i;";,;;;:iJtliill :::: eue. en

"i;;. i; #i";:':',,3"::i': res, det. ü,t""iirJ,.':: ffi3f,"# ::,,1:i1iit"iÍi# ?tiya"'¡t l.x:;;'"1;1 iJH;'T':''H"lli;, r,un a.,.ifi.#ffi separado uña ;#;i,:'J,:rc#;ij:i*iili:i:j:: ,"i."lxi:x ::o:g,bl. ,que ra membra_

c i crasa ;;,; ";ffio[j,

]lol lloJ"..li #,#," .1:asrrcAcróN y CrENcra, septiembre, 1992

MEMBRANA CELULAR

aa"arro, \

ffiA\EFECTOB

,w*

27

MENTEY CEREBRO

es el tema monográficoal que estará ded¡cado nuestro

NUMERO EXTRAOHDINARIODE NOVIEMBRE

Poco a poco, aumenta nuestro co-nocimiento sobre el órgano másespecífico del ser humano, Y sevan desvelando su constitución, su

funcionamiento Y las facultadespsicológicas con él asociadas.Como ya es habitual, autores deprimera fila expondrán diversasperspectivas recientes sobre asun-to tan apasionante Y actual.

. lntroducciónGerald Fischbach, HarvardMedical School

. El desarrollo del cerebroCarla Schalz. Universidad deCalifornia, BerkeleY

. Percepción v¡sualSemir Zeki, UniversitY College,Londres

. MemoriaPalricia Goldman-Rakic,Universidad de Yale

. Plasticidad y aprendizajeEric Kandel, lnslitulo HowardHugues, Colegio de Médicos YCirujanos de Columbia

. LenguaieAntonio y Anna Damasio,Universidad de lowa

. Sexo, cerebro y menteDoreen Kimura, Universidad deWestern Ontario

. Trastornos cerebrales,mentales y del humor

Elliol Gershon, NIMH, Y RonaldFleider, Colegio de Médicos YC¡ruianos de Columbia

. Enveiecimiento del cerebroy de la mente

Dennis Selkoe. HarvardMedical School

. Mente, cerebro y ordenadorGeoffrey Hinton, Universidadde Toronto

. EpílogoFrancis Crick. lnslilulo Salk

CIENCIA

versidad de señales, valora su luerzarelativa y las tr¿lnsmite a segundosmensajeros que asegurarán la reac-

ción adecuada de Ia célula ante unentomo cantbiante. Sus respuestas es-

pecíficas dependen tanto de la com-binación precisa de señales externasque le ifecten como de su dotacióninterna de receptores, proteínas G yefectores, más el repertorio de otrasproteínas especiales que ella mismaproduzca. De ahí que una célula delhígado, que contiene fbsforilasa y al-macena mucho glucógeno, resPondaa la adrenalina, a través de G'. con

la liberación de glLrcosu. lllienlrusque las del miocarclio. dotadas de

canales especializados y productorasde proteínls contráctiles. reltccionenante el mismo estímulo. mediadotambién por G.. contraYéndose con

moyores l'uerza Y l'recuencia.E,l esclarecimiento de los mecanis-

mos de señalización a través de lasmembranas produce una indudablesatisfacción intelectual, pero estasexploraciones tienen también su ver-tiente práctica. Estudios de vías de

señalización determinadas, depen-dientes de las proteínas G, Ya han

enriquecido nuestros conocilnientossobre varias enl'ermedades, lo que

representa un primer Paso hacia su

tratamiento racional.La bacteria responsable del cólera

segrega un¿r toxina que Penetra en

las células intestinales, donde obsta-culiza la conversión del GTP en

GDP por parte de la subunidad alfhde G.. La toxina irnPide así que laG, se des¿rctive. El resultado es que

las células acumulan un exceso de

AMP cíclico, lo que las hace segre-gar grandes cantidades de electrólitosy agua a la luz intestinal. La gravediarrea que se produce [[eva a unadeshidratación que puede ser leta[.

La bacteria que Produce la tos 1'e-

rina elabora una toxina affu. que inl-pide que los receptores activen la G¡.

Sin un inhibidor, la vías perÍnanecen'activas durante un tiempo igualmenteexcesivo. Esta toxina af'ecta a mu-chos tipos de células. lo que puecle

que contribuya a la inmunodeficien-cia que a veces acomPaña a esa tostan característic¿1.

En fin, lnutaciones de las proteínasG, entre ellas las G' Y G¡, Parecenparticipar en el desarrollo de algunoscánceres. Por ejemplo. Bourne y sus

colaboradores, en San Francisco, han

encontrado, en células de algunos tu-mores hipofisiarios, mutaciones en elgen que especifica la srrbunidad alfade G,. Tales mutaciones la hacen ac-

tuar sobre los ef'ectores durante mi-nutos, en vez de segundos, lo quepuede promover una replicación ex-

cesiva de las célul¿rs liipoii..,-.Algo parecido, pero nrás h¿: .- -

son los det'ectos que reducen . - . -

pacidad de las proteínas ra. . -convertir GTP en GDP. cu¡o rt',do es una prolil'eración ineont:de las células.

f, I hecho de que las Proterr:-'D gobiernen funciones ton c.[:-lizadas de la mayoría de las ce - -

ha hecho que se empiece a cot:' -:rar si alteraciones funcionales p":. -

das ni poclrían participar en .,. ,

ciones tan diversas como el :-cardíaco, la diabetes o la dePr.'psicológica. Conforme &u[lerte r.-:tro conocimiento sobre la eslru;: -- -

y actividad de las proteínas G. c. ',

ría llegar a ser posible el diseñ¡ -,fármacos que actuasen selectivac .-te sobre tipos concretos de ella.. 'rrigiendo el funcionamiento de :. -

tuoso de las células enf'ernrasafectar a las sanas. Con el tier.:'acabará compilándose un maPa . -pleto de la membrana plasllt:: - -

para cada uno de los miles de t.:celulares del organismo hunlutto. :-cada caso se sabrá cómo se relr-nan entre sí las docenas de rece:'res, proteínas G y eI'ectores diver'Y podrá predecirse cómo re¿lcci!':-rán las células en respuesta a .--.quier combinación de señales. irl;-en broma. alguien ha dicho que .'representaría para quienes se aia: -en el desarrollo de nuevos fárrllr-lo que para un ladrón recibir el .

quema completo del sistema de r.--ma de un banco.

BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTAR

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28 Irv¡srrc;,rclóN y CIENCIA. septiembre