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Elementos Básicos de los sistemas
de señalización celular
Las células generalmente se comunican entre sí a través de moléculas mensajeras extracelulares. Los mensajeros extracelulares pueden viajar una distancia corta y estimular las células que están muy cerca del origen del mensaje En el caso de la señalización autocrina, la célula que está produciendo el mensajero expresa receptores en su superficie que pueden responder a ese mensajero En consecuencia, las células que liberan el mensajero se estimularán (o inhibirán) a ellas mismas. Durante la señalización paracrina , las moléculas mensajeras viajan sólo distancias cortas a través del espacio extracelular a las células que están muy cerca de la célula que está generando el mensajero. Las moléculas mensajeras paracrinas por lo regular tienen una capacidad limitada para viajar alrededor del cuerpo porque son inherentemente inestables durante la señalización endocrina, las moléculas mensajeras alcanzan sus células blanco a través del paso por el torrente sanguíneo. Los mensajeros endocrinos también se llaman hormonas, y generalmente actúan sobre las células blanco ubicadas en sitios distantes en el cuerpo Pasos
- La señalización celular se inicia con la liberación de una molécula mensajera por una célula que se dedica a enviar mensajes a otras células en el cuerpo
- Las células sólo pueden responder a un mensaje extracelular particular si expresan receptores que reconocen específicamente y unen esa molécula mensajera
- La molécula que se une al receptor se llama ligando. Los distintos tipos de células poseen diferentes complementos de receptores que les permiten responder a diversos mensajeros extracelulares. Los tipos de actividades en los que una célula participa dependen de los estímulos que recibe y de la maquinaria intracelular que posee en ese momento particular de su vida. la molécula mensajera extracelular se une a un receptor en la superficie externa de la célula que responde. Esta interacción induce un cambio conformacional en el receptor que causa que la señal sea retransmitida a través de la membrana hasta el doinio citoplasmático del receptor, hay dos vías principales por las cuales la señal se transmite al interior de la célula. La vía particular tomada depende del tipo de receptor que se active. 4. Un tipo de receptor transmite una señal desde su dominio citoplásmico a una enzima cercana 5. que genera un segundo mensajero. Debido a que provoca (efectúa) la respuesta celular mediante la generación de un segundo mensajero, la enzima responsable se conoce como un efector. Los segundos mensajeros son pequeñas sustancias que normalmente activan (o inactivan) proteínas específicas. Dependiendo de su estructura química, un segundo mensajero puede difundirse a través del citosol o permanecer incrustado en la bicapa lipídica de una membrana. Otro tipo de receptor transmite una señal transformando su dominio citoplásmico en una estación de reclutamiento para proteínas de señalización celular (paso 4a). Las proteínas interactúan entre sí, o con componentes de una membrana celular, por medio de tipos específicos de dominios de interacción, como el dominio SH3. 6. Si la señal se transmite por un segundo mensajero o por reclutamiento de proteínas, el resultado es similar; una proteína que está posicionada en la parte superior de una vía de señalización intracelular se activa 7. Cada vía de señalización consiste en una serie de proteínas distintas que operan en secuencia (paso 7). 8. La mayoría de las “proteínas de señalización” están construidas de múltiples dominios. Las señales transmitidas a lo largo de tales vías de señalización finalmente alcanzan las proteínas blanco involucradas en los procesos de las células básicas 9. Este tipo de construcción modular se ilustra por las proteínas Grb2 e IRS- 1
Cada proteína en una vía de señalización actúa generalmente alterando la conformación de la proteína posterior (o corriente abajo) en las series, un evento que activa o inhibe esa proteína. El genoma humano codifica más de 5 00 proteínas cinasas diferentes y aproximadamente 150 proteínas fosfatasas diferentes. Mientras que las proteínas cinasas normalmente funcionan como una subunidad única, muchas proteínas fosfatasas contienen una subunidad reguladora clave que determina la especificidad del sustrato. Como resultado, una sola subunidad catalítica de fosfatasa puede formar un huésped de diferentes enzimas que eliminan grupos fosfato de diferentes sustratos proteicos. Algunas proteínas cinasas y fosfatasas son proteínas citoplasmáticas solubles; otras son proteínas integrales de membrana Muchos de los sustratos proteicos de estas enzimas son enzimas en sí mismas, pero los sustratos también incluyen canales iónicos, factores de transcripción y diversos tipos de proteínas reguladoras. La fosforilación puede activar o inactivar una enzima, puede aumentar o disminuir las interacciones proteína-proteína, puede inducir que una proteína se mueva de un compartimiento subcelular a otro, o puede actuar como una señal que inicia la degradación de la proteína. Este proceso general, en el que la información transportada por moléculas mensajeras extracelulares se traduce en cambios que ocurren dentro de una célula, es referido como transducción de señal.
MENSAJEROS EXTRACELULARES Y SUS
RECEPTORES
Una gran variedad de moléculas puede funcionar como portadores extracelulares de información. Estas incluyen: Aminoácidos y derivados de aminoácidos Gases, como el NO y el CO Esteroides que se derivan del colesterol Eicosanoides, que son moléculas no polares que contienen 20 carbonos que se derivan de un ácido graso llamado acido araquidónico Una amplia variedad de polipéptidos y proteínas. Los receptores que han evolucionado para mediar la transducción de señal se indican a continuación Los receptores acoplados a proteína G (GPCR, G protein-coupled receptors) son una gran familia de receptores que contienen siete hélices alfa transmembrana. Estos receptores traducen la unión de las moléculas de señalización extracelular en la activación de proteínas de unión a GTP. La proteína tirosina cinasa receptora (RTK, receptor proteintyrosine kinases) representa una segunda clase de receptores La unión de un ligando extracelular específico a una RTK por lo general da como resultado la dimerización del receptor seguida de la activación del dominio del receptor de la proteína cinasa, que está presente dentro de su región citoplásmica. Tras la activación, estas proteínas cinasas fosforilan residuos de tirosina específicos de las proteínas citoplásmicas de sustrato, alterando así su actividad, su localización, o su capacidad de interactuar con otras proteínas dentro de la célula Los canales activados por ligando representan una tercera clase de receptores de superficie celular que se unen a ligandos extracelulares. La habilidad de estas proteínas para conducir un flujo de iones a través de la membrana plasmática está regulada directamente por la unión del ligando. Un flujo de iones a través de la membrana puede dar como resultado un cambio temporal en el potencial de membrana, que afectará la actividad de otras proteínas de membrana, Los receptores de hormonas esteroides funcionan como factores de transcripción regulados por ligandos. Las hormonas esteroides se difunden a través de la membrana plasmática y se unen a sus
Las vías MAPK que se discuten a plenitud luego en el capítulo, se considera que están activadas por GPCR unidos a arrestinas localizadas dentro del endosoma las señales transmitidas por los endosomas tienen diferentes propiedades y funciones fisiológicas de aquellas que surgen de la membrana plasmática. En un segundo resultado, los receptores internalizados pudieran traficar desde los endosomas a los lisosomas donde ellos se degradan Si los receptores se degradan, las células pierden, al menos de modo temporal, sensibilidad por el ligando en cuestión. Finalmente, de acuerdo con un tercer esquema, GPCR unidos a arrestina pudieran desfosforilarse y retornar a la membrana plasmática La señalización por la subunidad Gα activada se termina por un mecanismo menos complejo: la molécula de GTP unida simplemente se hidroliza a GDP Una vez que el GTP está hidrolizado, el Gα-GDP se reasocia as subunidades Gβγ para reformar el complejo trimérico inactivo. Esto devuelve al sistema al estado de reposo
SEGUNDOS MENSAJEROS
AMP cíclico es un segundo mensajero capaz de difundirse a otras partes dentro de la célula. La síntesis de AMP cíclico sigue la unión de un primer mensajero —una hormona u otro ligando— a un receptor en la superficie externa de la célula. Los segundos mensajeros permiten que las células organicen una respuesta coordinada a gran escala después de la estimulación por un único ligando extracelular. Otros segundos son Ca2+, fosfoinosítidos, inositol trifosfato, diacilglicerol, cGMP y óxido nítrico. SEGUNDOS MENSAJEROS DERIVADOS DEL FOSFATIDILINOSITOL Los fosfolípidos de las membranas celulares se convierten en segundos mensajeros por una variedad de enzimas que están reguladas en respuesta a señales extracelulares. En estas enzimas se incluyen las fosfolipasas (enzimas que hidrolizan a los lípidos), los fosfolípidos cinasas (enzimas que fosforilan lípidos), Derivados fosforilados,n los cuales en conjunto se denominan fosfoinosítidos. Esto sugiere que los lípidos que contienen inositol pueden ser fosforilados por cinasas lipídicas específicas que se activan en respuesta a moléculas mensajeras extracelulares, como la acetilcolina El anillo de inositol, que reside en la superficie citoplásmica de la bicapa, tiene seis átomos de carbono. El carbono número 1 está involucrado en el enlace entre el inositol y el diacilglicerol. Los carbonos 3, 4 o 5 pueden ser fosforilados por cinasas de fosfoinosítidos específicas presentes en las células para generar 7 fosfoinosítidos distinto, la transferencia de un grupo fosfato a la posición 4 del azúcar inositol del PI por la cinasa 4 PI genera fosfato 4 PI, que puede ser fosforilada por la cinasa 5 PIP para formar PI 4,5-bi fosfato. Todas las especies de fosfolípidos, permanecen en la lamina citoplásmica de la membrana plasmática; ellas son segundos mensajeros unidos a la membrana La actividad de estas cinasas y fosfatasas está coordinada, por tanto, los fosfoinosítidos específicos aparecen en compartimientos de membrana concretos en un tiempo determinado después que se ha recibido una señal Los anillos de inositol fosforilados de fosfoinosítidos forman sitios de unión para varios dominios de unión de lípidos encontrados en las proteínas. El más conocido es el dominio PH, que ha sido identificado en más de 150 proteínas diferentes. La unión de una proteína por su dominio PH al PI (3, 4) P2 o PIP3 por lo general recluta a la proteína en la lámina citoplásmica de la membrana plasmática, donde puede interactuar con otras proteínas unidas a la membrana, incluidos los activadores, inhibidores o sustratos
FOSFOLIPASA C
Cuando la acetilcolina se une a una célula del músculo liso, o un antígeno se une a un mastocito, el receptor ligado activa una proteína G heterotrimérica , que a su vez activa al efector fosfolipasa específica de fosfatidilinositol C-. La PLCβ se sitúa en la superficie interna de la membrana , unida allí por la interacción entre su dominio PH y un fosfoinosítido insertado en la bicapa. La PLCβ cataliza una reacción que hidroliza el PI(4, 5)P2 en dos moléculas, inositol 1,4,5-trifosfato (IP3) y diacilglicerol (DAG) DIAGLICEROL Es una molécula lipídica que permanece en la membrana plasmática después de su formación por PLCβ. Allí recluta y activa las proteínas efectoras que tienen un dominio C1 de unión al DAG Las isoformas de la proteína cinasa C tienen varias funciones importantes en el crecimiento y la diferenciación celular, el metabolismo, la muerte celular y las respuestas inmunitarias las células diseñadas genéticamente para expresar proteínas cinasas C constitutivas exhiben un fenotipo de malignidad 1,4,5 – TRIFOSFATO DE INOSITOL IP Es un azúcar fosfato, una pequeña molécula soluble en agua capaz de una rápida difusión en todo el interior de la célula. Las moléculas de IP formadas en la membrana se difunden en el citosol y se unen a un receptor de IP3 específico localizado en la superficie del retículo endoplasmático liso El receptor IP3 también funciona como un canal tetramérico de Ca2+. La unión de IP3 abre el canal, lo cual permite que los iones de Ca2+ se difundan en el citoplasma. Los iones de calcio también pueden considerarse como intracelulares o segundos mensajeros porque se unen a varias LA ESPECIFICIDAD DE LAS RESPUESTAS ACOPLADAS A PROTEINAS G Los GPCR como grupo son capaces de unir un diverso conjunto de ligandos. Además, el receptor para un ligando dado puede existir en diferentes versiones (isoformas). Las diferentes isoformas pueden tener distintas afinidades para el ligando o pueden interactuar con diversos tipos de proteínas G. Las diferentes isoformas de un receptor pueden coexistir en la misma membrana plasmática, o pueden aparecer en las membranas de diferentes tipos de células blanco. El genoma humano codifica al menos 16 diferentes subunidades Gα, cinco diferentes subunidades Gβ, y 11 diferentes subunidades Gγ, junto con nueve isoformas del efector adenil ciclasa El mismo estímulo puede activar una proteína G estimuladora (una con la subunidad Gαs) en una célula y una proteína G inhibitoria (uno con una subunidad Gαi) en una célula diferente.
REGULACION DE LOS NIVELES DE GLUCOSA
EN SANGRE
La glucosa puede utilizarse como fuente de energía en casi todos los tipos de células presentes en el cuerpo. Se oxida a CO2 y H2O mediante la glucólisis y el ciclo del TCA, proporcionando a las células ATP que se puede usar para conducir reacciones energéticas, las cuales requieren de energía. La hormona glucagón se produce por las alfacélulas del páncreas en respuesta a niveles bajos de glucosa en la sangre. El glucagón estimula la descomposición del glucógeno y la liberación de glucosa al torrente sanguíneo, lo cual provoca un aumento de los niveles de glucosa. La hormona insulina se produce por las betacélulas del páncreas en respuesta a los altos niveles de glucosa y estimula la captación de glucosa y el almacenamiento como glucógeno. Finalmente, la epinefrina, que a veces se denomina hormona de “lucha o huida”, se produce por la glándula suprarrenal en situaciones de estrés. El glucagón es una proteína pequeña que se compone de 29 aminoácidos, mientras que la epinefrina es una pequeña molécula que se deriva del aminoácido tirosina. La unión de cualquiera de estas hormonas conduce a la inhibición de la enzima glucógeno sintasa, la cual cataliza la reacción opuesta en la que se añaden unidades de glucosa a moléculas de glucógeno en crecimiento Estos dos estímulos diferentes (el glucagón y la epinefrina), reconocidos por diferentes receptores, inducen a la misma respuesta en una sola célula blanco. Luego de la activación por sus respectivos ligandos, ambos receptores activan el mismo tipo de proteínas G heterotriméricas que provoca un incremento en los niveles de cAMP
DIMERIZACION DEL RECEPTOR
Se han reconocido dos mecanismos para la dimerización del receptor: la dimerización mediada por ligando y la dimerización mediada por receptor una sola molécula de factor de diferenciación o crecimiento se uniera a dos receptores al mismo tiempo, causando la dimerización del receptor mediado Este modelo fue respaldado por la observación de que los factores de crecimiento y diferenciación como el factor de crecimiento derivado de plaquetas (PDGF) o el factor estimulante de colonias- 1 (CSF-1, colonystimulating factor-1) están compuestos de dos subunidades de enlace disulfuro similares o idénticas, en el cual cada subunidad contiene un sitio de enlace al receptor Algunos factores de crecimiento contienen sólo un único sitio de enlace al receptor. El trabajo estructural ahora admite un segundo mecanismo, en el que la unión del ligando induce un cambio conformacional del dominio extracelular de un receptor, lo que conduce a la formación o exposición de una interfaz de dimerización del receptor. Con este mecanismo, los ligandos funcionan como reguladores alostéricos que cambian la capacidad de sus receptores para formar dímeros. Para la mayoría de los RTK la dimerización resulta en la yuxtaposición de dos dominios proteína-tirosina cinasas en el lado citoplásmico de la membrana plasmática. La puesta de dos dominios cinasas en contacto estrecho permite la transautofosforilación, en la que la actividad de la proteína cinasa de un receptor del dímero fosforilla los residuos de tirosina en el dominio citoplásmico de otro receptor del dímero y viceversa
ACTIVACION DE LA PROTEINA CINASA
Los sitios de autofosforilación en los RTK pueden desempeñar dos funciones diferentes: pueden regular la actividad cinasa del receptor o servir como sitios de unión para moléculas de señalización citoplásmica. la actividad cinasa se controlapor la autofosforilación de los residuos de tirosina, los cuales están presentes en el asa de activación del dominio cinasa. El asa de activación, cuando no está fosforilada, obstruye el sitio de unión del sustrato, de este modo previene la entrada de ATP. Una vez que su dominio cinasa ha sido activado, las subunidades del receptor proceden a fosforilar cada uno de los residuos de tirosina que están presentes en regiones adyacentes al dominio cinasa INTERACCIONES PROTEINA-PROTEINA DEPENDIENTE DE FOSFOTIROSINA Las proteínas de señalización son capaces de asociarse con los receptores proteína-tirosina cinasa activados, debido a que algunas proteínas contienen dominios que enlazan específicamente residuos de tirosina fosforilados. Los dominios SH2 fueron identificados inicialmente como parte de proteínas codificadas por el genoma de los virus que causan tumores (oncogénico). Ellos están compuestos de aproximadamente 100 aminoácidos y contienen un bolsillo de unión conservado que acomoda un residuo de tirosina fosforilado Más de 110 dominios SH2 están codificados por el genoma humano. Median una gran cantidad de interacciones proteína-proteína dependiente de la fosforilación. La especificidad de las interacciones está determinada por la secuencia de aminoácidos adyacentes inmediatamente a los residuos de tirosina fosforilados. ACTIVACION DE LAS VIAS DE SEÑALIZACION CORRIENTE ABAJO Se ha observado que los receptores proteína-tirosina cinasas (RTK) están autofosforilados en uno o más residuos de tirosina. Una variedad de proteínas de señalización con dominios SH2 o PTB están presentes en el citoplasma. La activación del receptor resulta en la formación de complejos de señalización, en los cuales las proteínas que contienen SH2 o PTB se unen a sitios específicos de autofosforilación presentes en el receptor. Se pueden distinguir varios grupos de proteína de señalización, los cuales pueden interactuar con RTK activados Las proteínas adaptadoras y de andamiaje funcionan como enlazadores que permiten que dos o más proteínas de señalización se unan como parte de un complejo de señalización contienen un dominio SH2 y uno o más dominios de interacción proteína-proteína adicionales Los factores de transcripción De ellos los que pertenecen a la familia STAT cumplen una función importante en el sistema inmunitario. Las STAT contienen un dominio SH2 junto con un sitio de fosforilación de tirosina que funciona como sitio de enlace para
el dominio SH2 de otra molécula STAT .La fosforilación de la tirosina en los sitios de unión de STAT SH2 que se encuentran dentro de un receptor dimerizado conduce al reclutamiento de proteínas STAT Las enzimas de señalización incluyen proteínas cinasas, proteínas fosfatasas, cinasas lipídicas, fosfolipasas y proteínas activadoras de GTPasa. Se han identificado tres mecanismos generales mediante los cuales estas enzimas se activan después de su asociación con un receptor. Las enzimas pueden activarse simplemente como resultado de la translocación a la membrana, lo que los coloca muy cerca de sus sustratos. Se pueden activar a través de un mecanismo alostérico, en el que la unión a fosfotirosina da como resultado un cambio conformacional en el dominio SH2 que provoca un cambio conformacional en el dominio catalítico. Las enzimas puedeb ser reguladas directamente por fosforilación
LA VIA DE LA CINASA Ras-MAP
Las proteínas Ras son parte de una superfamilia de más de 150 pequeñas proteínas G (monomérica) incluso las Rabs, Sar1, y Ran Estas proteínas están involucradas en la regulación de numerosos procesos, incluso la división y diferenciación celular, la expresión de genes, la organización del citoesqueleto, el transporte vesicular y el transporte nucleocitoplásmico. Ras es una pequeña GTPasa que está anclada en la superficie interna de la membrana plasmática por un grupo de lípidos unidos covalentemente que están incrustados en la lámina interna de la bicapa. Ras funciona como interruptor y temporizador molecula. Las proteínas Ras están presentes en dos formas diferentes: una forma GTP dominio activa y una forma GDP dominio inactiva. Ras-GTP se une y activa la señalización corriente abajo de las proteínas. Ras se desactiva por hidrólisis de su dominio GTP a GDP.
PROTEINAS ACCESORIAS
Proteínas activadoras de GTPasa (GAP, GTPase- activating proteins). La mayoría de las proteínas G monoméricas poseen alguna capacidad de hidrolizar un enlace GTP Debido a que estimulan la hidrólisis del GTP unido, que inactiva la proteína G, las GAP dramáticamente acortan la duración de una respuesta mediada por proteína G. Factores de intercambio de nucleótidos de guanina (GEF). Una proteína G inactiva se convierte a la forma activa cuando el dominio GDP se reemplaza con un GTP. Los GEF son proteínas que se unen a una proteína G inactiva monomérica y estimulan la disociación del GDP unido. Una vez que se libera el GDP, la proteína G se une rápidamente a un GTP, que está presente a una concentración relativamente alta en la célula, activando de este modo la proteína G Inhibidores de la disociación de nucleótidos de guanina (GDI,). Los GDI son proteínas que inhiben la liberación de un dominio GDP de una proteína G monomérica, manteniendo así la proteína en el estado activo. LA FUNCON DEL CALCIO COMO UN MENSAJERO INTRACELULAR La concentración de iones de calcio en un compartimiento celular particular es controlada por la actividad regulada de las bombas de Ca2+, los intercambiadores Ca2+, y/o los canales de iones de Ca2+ ubicados dentro de las membranas que rodean el compartimiento La concentración de iones de Ca2+ en el citosol de una célula en reposo se mantiene en niveles muy bajos, generalmente alrededor de 10–7 M.
