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CAPÍTULO 3 — TRADUCCIÓN DE SEÑALES 

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La mayoría de vías de traducción de señales usan “cascadas elaboradas” compuestas por proteínas de señalización para llevar información desde la superficie celular a los efectores en la membrana celular, en el citoplasma o en el núcleo. Efectos genómicos  son aquellas vías de traducción de señales que se relacionan con el núcleo y que pueden afectar la célula modulando la transcripción de genes. Por otro lado, los sistemas de traducción de señales que proyectan a la membrana celular o al citoplasma, producen efectos no-genómicos.

RECEPTORES QUE SE COMPORTAN COMO CANALES IONICOS “Ligand-gated ion channels” traducen una señal química a una señal eléctrica. La propiedad que define a esta clase de receptores con multisubunidades abarcadas por la membrana, es que la propia molécula de señalización controla la apertura y cierre de un canal de iones, por la unión a un sitio en el receptor. Por lo tanto, estos receptores también se llaman receptores inotrópicos para distinguirlos de los receptores metabotrópicos, que actúan a través de vías "metabólicas".    

La superfamilia de “ligand-gated channels” incluye los receptores ionotrópicos para ACh, serotonina, ácido gamma-amino butírico (GABA), y glicina. La mayoría de la información estructural y funcional de los receptores ionotrópicos proviene de los receptores nicotínicos de la ACh (AChR) presentes en el músculo esquelético. El AChR nicotínico es un canal de comunicación-catiónico que consta de cuatro (4) subunidades de que abarca la membrana: α, β, γ y δ, en una de estequiométrica 2:1:1:1. Este se llama receptor nicotínico ya que la nicotina contenida en el tabaco puede activar o abrir el canal y, por tanto, modificar Vm. El AChR muscarínico NO es un “Ligand-gated ion channel”.

 Ejemplos:  Receptor IP3  Canal de liberación Ca2+ (ryanodine receptor).  Ambos receptores son canales de Ca2+ tetramericos situados en la membrana de las organelas intracelulares. RECEPTORES UNIDOS A PROTEÍNAS G Los receptores unidos a proteínas G (GPCRs) constituyen la familia más grande de receptores en la superficie de la célula, con mas de 100 miembros. GPCRs medían respuestas celulares a una gran variedad de moléculas de señalización, tales como: hormonas, neurotransmisores, péptidos vaso-activos, odorantes, del tacto y otros mediadores locales. Estos receptores GCPRs consisten en una cadena polipeptídica simple que contiene: 1. Siete (7) segmentos α-hélice abarcados por la membrana (membranespanning segments). 2. Un N-terminal extracelular glicosilado. 3. Un gran loop citoplásmico que está compuesto principalmente, por amino ácidos hidrofílicos entre las hélices 5-6. 4. Un dominio hidrofílico en el C-terminal citoplásmico.

La mayoría de pequeños ligandos (ej. Epinefrina) se unen, en el plano de membrana, al sitio que involucra varios segmentos abarcados por membrana (membranespanning segments)  En el caso de las proteínas ligando grandes, una porción del N-terminal extracelular también participa en el ligando vinculante.  

El loop citoplásmico 5,6 suele ser el mayor sitio de interacción con la proteína G intracelular. Sin embargo, en algunos casos, el loop 3,4 y el C-terminal citoplasmático también contribuyen al proceso de unión. Unir el GPCR a su ligando extracelular regula esta interacción entre el receptor y la proteína G, lo que transmite una señal a los efectores.

PROPIEDADES GENERALES DE LAS PROTEÍNAS G Las proteínas G son heterotrímeros que existen en muchas combinaciones de las diferentes subunidades (α-β-γ). Las proteínas G hacen parte de la superfamilia de proteínas de unión a GTP. Esta superfamilia incluye la proteína G clásica heterotrimerica que se une a los GPCRs, así como la llamada pequeña-proteínas de unión a GTP, como Ras. Ambas proteínas, tanto las heterotrimericas como las pequeñas proteínas G, hidrolizan GTP y cambian entre dos estados: estado activo de enlace-GTP a un estado inactivo de enlace-GDP. Las proteínas G están compuestas por tres subunidades: α-β-γ i. α  al menos 16 subunidades alfa (42-50 kDa) ii. β  5 subunidades beta (33-35 kDa) iii. γ  11 subunidades gamma (8-10 kDa) 

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El complejo βγ funciona en la traducción de señales mediante la interacción con ciertas moléculas efectoras. La subunidades α (es sostenida en la membrana por un grupo myristyl o uno palmitoyl) y la γ (es sostenida por un grupo frenilo) están involucradas en el anclaje de este complejo a la membrana. Las múltiples subunidades demuestran una distribución tisular diferente e interactúan con receptores y efectores diferentes. En conjunto, muchas de las clases de proteínas G con la presencia de varios tipos de receptores para un solo ligando, proporcionan un mecanismo, por el cual una señal común puede obtener, en distintos tejidos, los cambios fisiológicos correspondientes.

Ejemplo: Cuando la epinefrina, en el corazón, se une al receptor β1-adrenérgico causa la estimulación de la adenilil ciclasa, la cual aumenta el ritmo cardiaco y la fuerza de contracción. Sin embargo, en la periferia, la epinefrina actúa en el receptor α2-adrenérgico que está unido a la proteína G, y causa la inhibición de la adenilil ciclasa, por tanto, aumenta la resistencia vascular periférica y lo mismo ocurre con el retorno venoso y la presión sanguínea.   

Los primeros efectores sensibles a las proteínas G, que se encontraron, fueron los adenilil ciclasa. La proteína G heterotrimerica conocida como Gs, fue nombrada así porque estimula la adenilil ciclasa. La proteína G, Gi  inhibe la adenilil ciclasa.

Estas clases de proteínas G se identificaron gracias a que las subunidades α son substratos para la ribosilación catalizada por toxinas bacterianas, del adedosin fosfato (ADP). LA ACTIVACIÓN DE LA PROTEÍNA G SIGUE UN CICLO El ciclo enzimático de las proteínas G, el ocurre a lo largo de cinco (6) pasos: En su sitio inactivo, las proteínas G son un complejo de subunidades ( α-β-γ), en el cual GDP, en la subunidad α, ocupa el sitio de unión del nucleótido guanina. Paso 1: La unión del ligando al GCPR y activación del receptor. Paso 2: Una vez el receptor está activo, interactúa con el heterotrimero αβγ para promover un cambio conformacional que facilita la liberación del enlace-GDP y la unión simultanea al GTP. Paso 3: Este intercambio de GDP-GTP estimula la disociación del complejo desde el receptor. Paso 4: La disociación del complejo, causa desensamblaje del trímero a una subunidad α- libre y a la subunidad βγ. Paso 5: La subunidad α-libre enlazada con GTP activo interactúa, en el plano de la membrana, con los efectores tales como adenilil ciclasa (E1) y fosfolipasas (E2). De manera similar, el complejo βγ activa los canales iónicos y otros efectores. Paso 6: La subunidad α termina los eventos de señalización, mediados por los productos del paso 4, hidrolizando GTP a GDP y fosfato inorgánico (Pi). Esta hidrólisis catalizada causa la desactivación de α, promueve el re-ensamblaje del trímero nuevamente y se completa el ciclo (paso 1). La familia de proteínas RGS (para “regulación de la proteína G de de señalización”) aparece para mejorar o intensificar la actividad intrínseca de guanosina trifosfato (GTPasa) de algunas pero no todas las subunidades alfa.  Hay la menos 15 proteínas RGS en mamíferos y son especificas para cada subunidad α.  Las proteínas RGS se unen al complejo Gα/GDP/AlF4, el cual es el análogo estructural del estado de transición de la GTPasa.  Al estabilizarse el estado de transición, las proteínas RGS pueden promover la hidrólisis de GTP y entonces, se termina la señalización.  La activación puede resultar en la eliminación de los grupos myristyl o palmitoyl y en la liberación de la subunidad α en el citosol. La perdida de α desde la membrana puede disminuir la interacción de las proteínas G con los receptores y efectores. LA SUBUNIDAD α ACTIVADA SE UNE A UNA VARIEDAD DE EFECTORES, INCLUYENDO LAS ENZIMAS, LOS CANALES IÓNICOS, Y LA MEMBRANA DE LA TRATA DE MÁQUINAS Las subunidades α activadas pueden emparejarse o unirse con una gran variedad de encimas. La encima principal que actúa como un efector de estas mismas subunidades es la adenilil ciclasa  esta encima puede ser activada o inhibida por la proteína G de señalización, pero esto depende si se asocia con el enlace-GTP de la forma Gαs (estimulatoria) o de la forma Gαi (inhibitoria).  Las proteínas G pueden también activar encimas que rompan nucleótidos cíclicos: Ejemplo: La proteína G, llamada transducin, juega un papel en la foto-traducción y activa la cGMP fosfodiesterasa. Esta última, descompone el cGMP a GMP. En las células de la retina se expresa transducin y la luz lleva a la disminución de la concentración de cGMP.

Las proteínas G puede unirse también a las fosfolipasas. Estas encimas catabolizan fosfolípidos. Esta superfamilia de fosfolipasas puede agruparse en fosfolipasas A2, C, o D, teniendo en cuenta el sitio en donde la encima cliva al fosfolípidos.  La subunidad αq de la proteína G  activa la fosfolipasa C, esta rompe fosfatidillinositol bifosfato (IPP2) en dos mensajeros intracelulares: diacilglicerol asociado a membrana (estimula la proteína quinaza C) e IP3 citosólico (se une a un receptor en la membrana del retículo endoplasmico y desencadena la liberación de Ca2+ desde las reservas intracelulares).  Algunas proteínas G interaccionan con canales iónicos. Agonistas que se unen a receptores β-adrenérgicos activan los canales de Ca2+ de tipo L en el corazón y en el músculo esquelético. La proteína Gs, estimula directamente este canal igual que la subunidad α de la proteína Gs se une al canal y, la Gs también estimula, pero indirectamente, el canal a través de una traducción de señal en cascada que involucra la proteína quinaza cAMP-dependiente.  El indicio que las proteínas G tienen funciones adicionales en “membrane trafficking” en la célula, proviene de la observación de que muchas células contienen piscinas intracelulares de las proteínas G heterotrimericas, algunas vinculadas a las membranas internas y otras libres en el citosol  implicaciones en la gemación de vesículas secretoras desde la red trans del Golgi, fusión de endosomas, etc. LAS SUBUNIDADES βγ DE LA PROTEÍNA G PUEDEN TAMBIÉN ACTIVAR LOS EFECTORES Las subunidades βγ también interaccionan con efectores. El neurotransmisor ACh, liberado desde el nervio vago, reduce el ritmo y la fuerza de la contracción del corazón. Esta acción en la aurícula del corazón está mediada por el receptor muscarínico M2 AChRs. La unión de ACh al receptor muscarinico M2 en la aurícula activa una proteína G heterotrimerica, lo que resulta en la generación tanto de Gαi como del complejo de subunidades βγ. Luego este complejo interactúa con una clase particular de canales de K+, aumentando su propia permeabilidad. Este aumento en la permeabilidad mantiene el potencial de membrana negativo, entonces esto hace que la célula tenga más resistencia a la excitación.   

Este complejo βγ también modula la actividad de la adenilil ciclasa y de la fosfolipasa C, y estimula la fosfolipasa A2. Tales efectos del βγ pueden ser independientes de, sinergista con, o antagonizar la acción de una subunidad α. Diferentes combinaciones de isoformas de βγ pueden realizar diversas actividades. Por ejemplo, β1γ1 y el β2γ2 estimulan efectivamente la adenilil ciclasa tipo II. Los complejos βγ se unen a una quinaza especial llamada receptor quinaza βadrenérgico (βARK). Como resultado de esta interacción, βARK se transloca a la membrana plasmática, donde este fosforila el complejo ligando-receptor  esta fosforilación resulta en la contratación de una β-arrestina al GPCR, el cual media la disociación del complejo ligando-receptor, atenuando la actividad de los mismos receptores β-adrenérgicos que dan lugar al complejo βγ. Esta acción es un ejemplo de desensibilización del receptor.

Estos receptores fosforilados eventualmente, se someten a endocitosis, proceso que reduce el número de receptores que están disponibles en la superficie celular. Este proceso de endocitosis es importante en el paso de re-sensibilización del sistema del receptor.

PEQUEÑAS PROTEÍNAS DE UNIÓN A GTP ESTÁN INVOLUCRADAS EN NUMEROSOS PROCESOS CELULARES Un grupo distinto de proteínas G que están estructuralmente relacionadas a la subunidad α de las proteínas G heterotrimericas son las pequeñas proteínas de unión a GTP  Se dividen en 5 grupos: 1. Ras Proteínas de 22kDa que pueden estar 2. Rho asociadas a membrana (Ras) o 3. Rab pueden translocarse entre la 4. Arf membrana y el citosol (Rho). 5. Ran  La proteína Ras tiene tres isoformas: N, Ha y Ki. Está manda señales desde la membrana plasmática hasta el núcleo a través de una cascada de quinazas y así, se regula la transcripción de genes.  En algunos tumores, mutaciones de genes que codifican las proteínas Ras resultan en Ras activo. Estos genes mutados se llaman oncogenes porque el gen Ras alterado promueve la transformación maligna de una célula y puede contribuir al desarrollo del cáncer  oncogenesis.  A diferencia, los miembros de la familia Rho están primariamente involucrados en el re-arreglo del citoesqueleto de actina.  Las proteínas Rab y Arf, regulan el trafico-transporte de vesículas.  Similar a las proteínas G heterotrimericas, las pequeñas proteínas de unión a GTP también pueden cambiar de estado: de estado activo de enlace-GTP a un estado inactivo de enlace-GDP.  Dos clases de proteínas reguladoras modulan la actividad de estas proteínas de unión a GTP o Proteínas activadoras de GTPasa (GAPs) y neurofibromina: Incrementan el ritmo con el que las pequeñas proteínas de unión a GTP hidrolizan el enlace GTP y esto resulta en una desactivación más rápida. o Proteínas de intercambio de nucleótido de guanina (GEFs): promueven la conversión de Ras-GDP inactivo a Ras-GTP activo.  cAMP activa directamente varios GEFs, tales como Epac (proteína de intercambio activada por cAMP), demostrando interferencia entre una vía de señalización de proteína G heterotrimerica clásica y las pequeñas proteínas Ras, parecidas a las proteínas G. SEGUNDOS MENSAJEROS DE LAS PROTEÍNAS G: Nucleótidos Cíclicos cAMP usualmente ejerce su efecto mediante el aumento de la actividad de la proteína quinaza A: La activación de los receptores unidos a Gs resulta en la estimulación de la adenilil ciclasa y sube las concentraciones intracelulares de cAMP. Ejemplo: en la corteza suprarrenal la ACh estimula la producción de cAMP, lo que resulta en la secreción de aldosterona y cortisol. En el riñón, la inducción de la vasopresina cambia los niveles de cAMP, facilitando la reabsorción de agua.  

El exceso de de cAMP es también responsable de ciertas condiciones patológicas: Cólera Síndrome de McCune Albright, caracterizado por: 1. Función variable de las glándulas endocrinas, incluyendo en las mujeres una pubertad precoz. 2. Lesiones en los huesos. 3. Lesiones pigmentosas en la piel (café au lait spots)

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Este desorden es causado por una mutación somática que constitutivamente activa la subunidad alfa de la proteína G en un patrón de mosaico. cAMP ejerce cada uno de sus efectos a través de la proteína Kinasa A -cAMP dependiente (PKA): Esta encima cataliza la transferencia del fosfato terminal del ATP a ciertos residuos de serina o tirosina en proteínas selectivas. Los sitios de fosforilación de PKA están presentes en una multitud de proteínas intracelulares: canales iónicos, receptores y vías de señalización de proteínas. La fosforilación de dichos sitios puede influenciar tanto la localización como la actividad del substrato. Ejemplo: la fosforilación del receptor β2-adrenérgico causa la desensibilización de receptores en las neuronas. De la misma manera, la fosforilación del regulador de la conductancia transmembrana de la fibrosis cistica (CFCTR) incrementa la actividad de su propio canal de ClPara facilitar la regulación de los eventos de fosforilación, la célula controla la actividad de la PKA, y con esto la encima puede responder a variaciones locales en los niveles de cAMP.

Estos mecanismos de control de la célula se dividen en dos: El Uso de Subunidades Regulatorias

Orientación de la Encima a lugares Específicos Subcelulares

° Estas subunidades constitutivamente inhiben a PKA: en la ausencia de cAMP, dos subunidades catalíticas de PKA asociadas con dos de estas subunidades regulatorias, resultan en un complejo de proteínas heterotrimericas que tiene un nivel bajo de actividad catalítica.

° Otro mecanismo que contribuye a la regulación de PKA es la orientación de la encima a lugares específicos subcelulares. Esta focalización preferencial promueve la fosforilación de sustratos que se limitan a un lugar preciso dentro de la célula.

° Uniendo el cAMP a las subunidades regulatorias, se induce un cambio conformacional que disminuye su afinidad con las subunidades catalíticas y la disociación subsecuente del complejo resulta en la activación de la actividad de la kinasa.

° La orientación de PKA se logra por la asociación de una subunidad regulatoria de PKA con una proteína kinasa A de anclaje (AKAP), que a su vez se une a elementos del citoesqueleto o a los componentes de los subcompartimentos celulares. Más de 35 AKAPs se conocen.

° La subunidad catalítica libre de PKA puede entrar al núcleo, donde la fosforilación del substrato puede activar la transcripción de genes PKA-dependientes específicos.

° La especificidad de la orientación de PKA se pone en relieve por la observación de que en las neuronas, PKA está localizado en una densidad postsináptica a través de su asociación con AKAP79.

° Aunque muchas células usan las mismas subunidades catalíticas, subunidades regulatorias diferentes se encuentran en diversos tipos de células.

° Este anclaje de proteínas también orienta la calcineurina – una fosfatasa al mismo sitio. Esta orientación de PKA y calcineurina al mismo sitio postsináptico hace posible que la célula regule bien el estado de fosforilación para importante sustratos neuronales. El cAMP generado por la adenilil ciclasa no solo interactúa con PKA.

Ejemplo: receptores olfatorios interaccionan con un miembro de la familia Gs llamada Golf: el aumento en la concentración intracelular de cAMP que resulta de la activación de estos receptores olfatorios, activa un canal catiónico, miembro de la familia de cyclic nucleotide – gated ion channels (CNG).  La afluencia (entrada) de Na+ a través de estos canales se relaciona con la despolarización de la membrana y la iniciación del impulso nervioso. Estas reacciones de fosforilación y desfosforilación tienen múltiples ventajas fisiológicas: permite a un molécula simple (cAMP) regular un rango de ciertas reacciones enzimáticas; suministra una gran amplificación para una señal pequeña; la concentración de epinefrina que se necesita para estimular la glucógeno-lisis en el músculo es 10 a la -10 nM; el nivel subnanomolar de una hormona puede subir la concentración de cAMP intracelular a 10 a la -6 M; la cascada catalítica amplifica la señal de la hormona 10.000 veces, lo que resulta en la liberación de glucosa suficiente para elevar los niveles de glucosa en la sangre de 5 a 8 mM. Aunque los efectos de cAMP en la síntesis y degradación del glúcogeno están confinados al músculo y al hígado, una gran variedad de células usan cAMP la activación de cascadas mediadas por cAMP en respuesta a mucha variedad de hormonas. LA FOSFATASA REVERSA LA ACCIÓN DE LAS KINAZAS Una forma en que la célula puede terminar una señal de cAMP es usando una fosfodiesterasa para degrada cAMP. Sin embargo, debido a los efectos de la cAMP a menudo implican la fosforilación de proteínas efectoras en residuos de serina y treonina quinazas, tales como PKA, otra poderosa manera de poner fin a la acción de la cAMP es defosforilar estas proteínas efectoras. Tales eventos de desfosforilación están mediados por enzimas llamadas serina-treonina fosfoproteína fosfatasas.  4 grupos de serina-treonina fosfoproteína fosfatasas (PP) se conocen: o 1 o 2a Estas encimas están reguladas por la fosfor...