Receptores Factores de Crecimiento

8/7/2019 Receptores Factores de Crecimiento

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Tema 1: Mecanismos de Transduccin de Seales por receptores de Membrana

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TEMA 1

Mecanismos de Transduccin de sealespor receptores de membrana

1.1.Comunicacin CelularEl primer punto importante cuando se aborda

el estudio de la transduccin seales es lacomunicacin celular, la cual es necesaria pararegular y coordinar las distintas funcionesfisiolgicas. Las clulas se comunican por sustanciasqumicas llamadas men-sajeros primarios, los cuales,de forma general, pueden agruparse en cuatro tiposprincipales:- Neurotransmisores.- Molculas de sealizacinutilizadas por el Sistema Nervioso para comunicarentre si sus distintas estructuras o comunicarse con

los rganos perifricos.- Hormonas.- Molculas de sealizacin, formadaspor las glndulas endocrinas que regulan la casitotalidad de las funciones fisiolgicas ejercidas porlos distintos rganos.- Factores de Crecimiento.- Molculas desealizacin por lo general asociadas al control de laproliferacin, diferenciacin y la muerte celular.- Citoquinas.- Molculas de sealizacinimplicadas en el control de la inmunidad delorganismo frente a agentes extraos (virus,bacterias, parsitos) o propios (cncer).

Esta agrupacin de seales por tipos tiene

ms un valor formativo que real, ya que las fun-ciones fisiolgicas humanas normalmente implican adistintas seales englobadas en los apartados an-teriores. Un ejemplo ilustrativo lo constituye el cicloovulatorio. En la pubertad, el sistema nerviosocentral recoge informaciones del organismo, trans-mitidas por descargas hormonales, de factores decrecimiento y citoquinas, que quedan recogidas porel Gonadostato, estructura implicada en laregulacin del comienzo y posterior continuidad delciclo ovrico. El acumulo de informacin en elgonadostato, en un momento dado del desarrollo, es

tal que provoca la activacin de determinadas vas deneurotransmisin que confluyen en el Hipotlamo yactivan la sntesis y secrecin de factores estimu-lantes del ciclo (entre ellos, LHRH, HormonaLiberadora de LH). Estas sustancias llegan a laHipfisis, donde activan la secrecin de hormonastales como LH (Hormona Luteinizante) y FSH(Hormona Estimulante de Folculos). Las hormonashipofisarias estimularn en el ovario la maduracinde ciertos folculos, lo cual implica la sntesis deestrgenos y progestgenos, de factores decrecimiento y ciertas citoquinas. Estas sustanciasejercen dos efectos fundamentales. Por un lado,provocan la maduracin de un nico folculo y laatresia del resto (procesos de proliferacin,

diferenciacin y muerte), as como la proliferacindel endometrio para hacerle receptivo al oocito, encaso de fecundacin, y, por otro, envan seales alas estructuras anteriores (SNC, hipotlamo ehipfisis), las cuales son integradas en su conjunto,regulando la secrecin de las seales implicadas con

el fin de asegurarse la culminacin perfecta del cicloovrico. Si no hay fecundacin, la suma deconcentraciones de neurotransmisores, hormonas,factores de crecimiento y citoquinas, disparan otraserie de procesos como la involucin del endometrio(apoptosis) y el comienzo de un nuevo ciclo ovrico.

Los limites que definen a los distintos tiposde seales a veces no estn demasiado claros, ya quese conocen ejemplos de sustancias neurotransmi-soras que pueden actuar como hormonas (depen-diendo de la concentracin y de la clula diana). Deigual forma, algunas hormonas en ocasiones se

comportan como factores de crecimiento.

1.1.1.Tipos de Comunicacin Intercelular.Tradicionalmente, basndose en la distancia

que ha de recorrer el mensajero primario para ejercersu efecto en la clula diana, se han distinguido trestipos generales de comunicacin:- Sealizacin endocrina.- Las seales (usualmentehormonas) deben de recorrer distancias conside-rables (hasta ms de 1 m) para actuar sobre la cluladiana y normalmente son transportadas por lasangre. Dada la dilucin que sufre la hormona en elsistema sanguneo necesita que las molculas

receptoras presenten una elevada afinidad por estas.- Sealizacin paracrina.- Las seales liberadas poruna clula afectan a clulas en su proximidad (menosde 1 m). La conduccin de un impulso elctricodesde una neurona a otra neurona o a una clulamuscular es un ejemplo de sealizacin paracrina.Dada la elevada concentracin de neurotransmisorque se consigue en este tipo de sealizacin, laafinidad de las molculas receptoras no necesita sermuy elevada.- Sealizacin autocrina.- En este caso, la clularesponde a sustancias liberadas por ella misma. La

mayora de los factores de crecimiento actan de estaforma o de forma paracrina, para estimular elcrecimiento y la proliferacin celular. Las clulastumorales en muchos casos producen factores decrecimiento que, de forma descontrolada, promuevenel crecimiento de la masa tumoral.

Adems de estos tipos generales decomunicacin, las clulas pueden recibir seales delmedio extracelular por dos tipos ms de mecanismos:- Sealizacin Yuxtacrina o comunicacin Clula-Clula. Son mecanismos bastante importantes decomunicacin. En general, estn mediados porprotenas de membrana plasmtica de una clula queson reconocidas por protenas receptoras de otraclula. La interaccin de la protena ligando con la


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protena receptora dispara ciertas vas de sealizacinen la clula diana. Ejemplos de este mecanismo sedan en clulas del sistema inmune (adhesin deleucocitos, reconocimiento por clulas T citotxicasde clulas infectadas, etc.). Otro mecanismoimportante de resaltar en la comunicacin intercelular

es la existencia de Gap Junctions entre clulasvecinas. La estructura Gap Junction comunica loscitoplasmas de clulas vecinas, mediante elestablecimiento de poros, permitiendo elintercambio de metabolitos de pequeo pesomolecular (usualmente no mayores de 1kd),incluyendo a la mayora de segundos mensajeros.- Comunicacin Clula-Matriz Extracelular. Sonmecanismos de comunicacin que permiten laadhesin de las clulas a las protenas extracelularesde la matriz extracelular (fibronectina, laminina,colgenos, etc.). Es un mecanismo crucial para el

modelado (desarrollo) o remodelado (tras algn tipode lesin) de los rganos.Finalmente, en los ltimos aos, se han

puesto de manifiesto diversos ejemplos desealizacin que se engloban dentro del trmino deSealizacin Intracrina. En este caso, un metabolitooriginado en la clula puede disparar vas desealizacin en la propia clula sin necesidad de saliral exterior. Un ejemplo vlido lo constituye laregulacin de la biosntesis del colesterol. Cuandolas concentraciones de colesterol endgenas son muyelevadas, esta molcula es capaz de activar unrepresor transcripcional que inhibe la transcripcin

de los genes implicados en la biosntesis de novo delcolesterol.

1.2.Tipos de Receptores.Para que una molcula seal sea reconocida

por la clula diana se necesita de la presencia de unamolcula receptora que pueda modificar su actividadbiolgica al interaccionar con la seal. Las molculasreceptoras o Receptores se clasifican en dos tiposprincipales, dependiendo de la naturaleza qumica delligando o seal. As, si la seal o Ligando es denaturaleza liposoluble podr atravesar la membrana

plasmtica sin mucha dificultad e interaccionar consus receptores intracelulares. La interaccin posibilitala activacin del receptor y la posterior regulacin dela expresin gnica de un grupo determinado degenes. A estos receptores se les denomina Recep-tores Nucleares (ya que muchos presentan dichalocalizacin) o Receptores Intracelulares, loscuales sern objeto de estudio en el tema 2. Por elcontrario, si la seal es de naturaleza hidrosoluble,dado que no podr atravesar la membranaplasmtica, necesita de la existencia de receptoresasociados a la membrana plasmtica. La activacin

del receptor por el ligando promueve, en la mayorade los casos, la formacin de molculastransductoras de la seal que reciben el nombre de

Segundos Mensajeros. Estas molculas son lasresponsables de activar los procesos biolgicos enlas clulas diana mediante la activacin de rutas detransduccin especficas que, en ltimo trmino,tambin modificaran la expresin de grupos degenes. A este tipo de receptores se les denomina

Receptores de Membrana Plasmtica, siendoobjeto de este tema su estudio as como las rutas detransduccin generadas por ellos.

Los receptores de membrana se han agrupadoen cuatro tipos generales (Figura 1.1):- Receptores Ionotrpicos.- La unin delligando cambia la conformacin del receptor demodo que permite el flujo de un determinado ion atravs del receptor. El movimiento inico resultantealtera el potencial elctrico de la membrana celular.Un ejemplo lo constituye el receptor de acetilcolinaen la placa motora.

- Receptores metabotrpicos.- Tambin cono-cidos como receptores asociados a protenas G oreceptores Serpentnicos. Estos receptores estnasociados a protenas G. La unin del ligando activaa una protena G, la cual a su vez activa o inhibe auna determinada enzima que genera un segundomensajero, o bien modula la actividad de un canalinico, causando un cambio en el potencial demembrana. Ejemplos de seales que actan a travsde este tipo de receptores son epinefrina, serotoninay glucagn.

Figura 1.1. Tipos de receptores en la sealizacin celular.

- Receptores con actividad enzimticaintrnseca.- Como su nombre indica, la activacindel receptor por el ligando propicia que el receptormuestre una actividad enzimtica. Este grupo

engloba a receptores con distintas actividadesenzimticas. As por ejemplo, el factor natriurticoatrial al interaccionar con su receptor activa su


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actividad guanilato ciclasa, la activacin del receptorde leucocitos CD45 activa su actividad tirosinafosfatasa, la activacin de los receptores de insulinay de muchos factores de crecimiento provoca laaparicin de actividades tirosina quinasa (insulina,factor de crecimiento epidrmico) o serina/treonina

quinasa (factor de crecimiento transformante tipo ).- Receptores asociados a tirosin-quinasascitoslicas.- Tambin conocidos comosuperfamilia de receptores de citoquinas. Estosreceptores carecen de actividad cataltica pero seasocian directamente, tras su activacin, conprotenas citoslicas que tienen actividad tirosinaquinasa. Ejemplos de seales que interaccionan coneste tipo de receptores son prolactina y hormona delcrecimiento (hormonas), la mayora de citoquinas einterferones y ciertos factores de crecimiento(eritropoyetina).

1.3Tiempo de Respuesta de Receptores.Una caracterstica que conviene destacar en

este punto es la rapidez o lentitud de los distintosreceptores en generar una respuesta biolgicaprecisa. Los receptores ionotrpicos se activan porligando permitiendo el flujo de iones a favor de ungradiente de concentracin. Esta respuesta queprovoca cambios en el potencial de membrana puedeobservarse en ms despus de la activacin delreceptor. Por otra parte, algunos segundosmensajeros, generados por receptores metabotr-picos, pueden modular canales inicos. Dado que se

requieren varios eventos (activacin del receptor,interaccin con protenas G del receptor para suactivacin e interaccin de la protena G con el canalque va a modular) el cambio en potencial demembrana tarda ms tiempo en producirse, por logeneral varios segundos. La mayora de receptoresmetabotrpicos y con actividad enzimtica intrnsecaa travs de sus rutas de transduccin modulanpositiva o negativamente las actividades de enzimascitoslicas, pudindose observar dichas modula-ciones tras varios minutos (entre 2 y 15) de laadicin del factor. Finalmente, las rutas de

transduccin de la mayora de los receptores (seande membrana o intracelulares) modifican la actividadtranscripcional de protenas nucleares implicadas enla sntesis de ARNm especficos, en el primer casode una forma indirecta y en el segundo de una formadirecta.. En estos casos la cadena de eventos es anmayor por lo que los efectos biolgicos tardan enobservarse varias horas.

1.4.Receptores IonotrpicosComo se han definido anteriormente, la

unin del ligando al receptor (canal) origina uncambio en la estructura de este que permite el flujo afavor de gradiente de iones especficos. La estructuraprototipo de los receptores ionotrpicos queda

esquematizada en la figura 2.1. Estos receptoresestn formados por cinco subunidades proteicas quese disponen integradas en la membrana plasmticaformando una estructura de anillo, quedando situadoel poro inico en el centro de dicha estructura.

Figura 1.2. Esquema de receptor ionotrpico.

Adems del sitio de unin con el ligando,estos receptores, suelen presentar dominios deregulacin de la actividad del canal. Dichos dominiospueden presentarse orientados al exterior celular o alinterior citoslico. Los primeros suelen ser regulados

por otras seales qumicas que modifican laestructura del canal regulando el flujo inico. Lossegundos, si bien presentan la misma funcin deregulacin, normalmente, reflejan cambios en elestado de fosforilacin del canal, lo cual depende delestado de funcionamiento de otras rutas desealizacin. Por lo tanto, podemos distinguir dosetapas de sealizacin: la primera donde la unin delneurotransmisor provoca la apertura del canal y lasegunda donde la accin de otras seales (otrosneurotransmisores o rutas de sealizacin disparadaspor hormonas) modula el flujo inico a travs dedicho canal, siendo un control mucho ms fino demodulacin.

Es conveniente distinguir en este punto laexistencia de dos tipos generales de canales inicos:operados por ligando (el caso que nos ocupa) yoperados por voltaje. Estos ltimos, a diferenciade los primeros, no necesitan de la unin de unligando para activarse sino que responden a cambiosdel potencial de membrana de la clula. Ejemplos deeste tipo de canales lo constituyen los canales paraNa+ y K+, presentes en los axones de las neuronas yque estn implicados en la transmisin del impulsonervioso, o canales de Ca2+ implicados fundamental-

mente en procesos de exocitosis. El hecho de queestos canales no necesiten de ligando para su


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activacin no implica que no puedan ser moduladospor mecanismos similares a los descritos para losreceptores ionotrpicos.

1.5.Receptores ligados a Protenas GMuchos receptores en su ruta de transduccin

activan a protenas transductoras denominadasprotenas G, las cuales a su vez modulan positiva onegativamente la actividad de enzimas capaces deoriginar segundos mensajeros. Si bien estosreceptores unen diferentes hormonas y mediandiferentes respuestas celulares, tienen una serie decaractersticas estructurales y funcionales comunes:a- La secuencia aminoacdica del receptor contienesiete segmentos en -hlice formados por 22-24residuos hidrofbicos que estn integrados en lamembrana plasmtica (figura 3).b- El lazo de residuos aminoacdicos entre las -

hlices 5 y 6 y el extremo C-terminal del receptor,ambos en la parte citoslica del mismo, sonimportantes para las interacciones con las protenas G.

Figura 1.3. Esquema de receptor acoplado a protenas G.

c- La protena G transductora asociada con elreceptor funciona como un interruptor molecular,presentando su estado inactivo cuando se encuentraunida a GDP. La unin del ligando al receptor causala liberacin del GDP de la protena G y suintercambio por GTP, presentando ahora su estadoactivo.d- La protena G activada (unida a GTP) interaccionay modula (activa o inhibe) a una enzima efectora,la cual cataliza la formacin de un segundomensajero, o bien modula la actividad de canalesinicos.f- La hidrlisis del GTP unido a la protena Grevierte a la protena G a su estado inactivo.

Se han caracterizado distintos tipos deenzimas efectoras capaces de ser activadas porprotenas G (figura 1.4):

- Adenilato Ciclasa (AC).- enzima generadora deAMPciclico (AMPc), el cual es capaz de activar a la

protena quinasa A (PKA) en su ruta detransduccin.- Fosfolipasa C (PLC).- enzima generadora deInositol trifosfato (IP3) y Diacilglicerol (DAG), loscuales son capaces de activar, respectivamente, a lasprotena quinasa Ca-calmodulina (PK Ca-CaM) y a

la protena quinasa C (PKC) en su ruta detransduccin.- Fosfolipasa A2(PLA2).-enzima generadora deAcido araquidnico (AA), el cual es capaz de activara la protena quinasa C (PKC) en su ruta detransduccin.

Por otra parte, con respecto a la modulacinde canales inicos se ha visto que median la aperturade canales de K+ y de Ca2+.

E. Extracelular

AC AMPc PKA

Membrana PLC IP3 PKCaCaM

DAG PKC

PLA2 AA PKC

Canal

G Inico

E. Intracelular

Receptor Prot. G Efector

Figura 1.4 Activacin de diversos efectores por protenas G.

1.5.1. Protenas GComo hemos dicho anteriormente, las

protenas G actan como transductores de lainformacin generada en la unin del ligando alreceptor y son capaces, dependiendo del tipo celulary del receptor especfico) de poder modular laactividad de protenas efectoras o canales inicos.Las protenas G reciben este nombre por sucapacidad de intercambiar los nucletidosGTP/GDP, modulndose as su actividad biolgica.Estas protenas forman una superfamilia en la que sepueden distinguir dos familias a su vez: la familia de

las protenas G heterotrmericas y la familia deprotenas G pequeas, cuyo nombre hacealusin a su bajo peso molecular comparado con elde las anteriores. En este punto nos referiremos a lasprotenas G heterotrmericas ya que son las quetienen capacidad de interaccionar con receptoresactivados. Las protenas G pequeas tambin puedenestar implicadas en rutas de transduccin de seales,como es el caso de p21-RAS que estudiaremos msadelante. Otros ejemplos de protenas G pequeas loconstituyen G-Tu (factor de elongacin en la sntesisde protenas, o rab-3, protena implicada en los

procesos de exocitosis.Las protenas G heterotrmericas, estnformadas por las subunidades , y . Si bien en


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los ltimos aos se ha descrito la implicacin de lassubunidades y en la transduccin de algunasseales, la mayora de la acciones descritas implicana la subunidad . En el caso de las protenas Gheterotrmericas, la capacidad de interaccin con losnucletidos GTP o GDP reside en la subunidad ,

presentando para ello un dominio de interaccin connucletidos, que presenta tambin una actividadenzimtica GTPasa ; es decir, la subunidad es capazde forma intrnseca de hidrolizar el GTP a GDP,funcin esencial en el control de las rutas detransduccin donde est implicada. Aparte deldominio de interaccin con el GTP, puedendistinguirse otros tres dominios: el dominio deinteraccin con las subunidades y , situado en elextremo N-terminal, el dominio de interaccin con laenzima efectora o el canal, y el dominio deinteraccin con el complejo receptor-ligando, en su

extremo C-terminal (Figura 1.5).

Figura 1.5. Esquema de los principales dominios de las

subunidades .

La clasificacin de las protenas Gheterotrmericas se hace en funcin del tipo desubunidad que presenten, ya que se conocendiversos tipos de subunidades . Se considera queproceden de un gen ancestral comn y, si bienpresentan una elevada homologa de secuencia,existen pequeas diferencias que son las queoriginan su especificidad. As, por ejemplo, lassubunidades de tipo i y o presentan delecionesen el extremo N-terminal, lo cual origina variacionesen la interaccin con las subunidades y .Las subunidades y (tienen fundamentalmente lafuncin de anclaje a la membrana y son de menorpeso molecular, 36 y 10 kd, respectivamente.Como se ha mencionado anteriormente, existenmuchas clases de protenas G, pudiendo mediarefectos de sealizacin de algunos neurotransmisores(acetilcolina, norepinefrina, etc.), hormonas(glucagn, adrenalina, TSH, etc.) y ciertascitoquinas; en concreto, las quimoquinas, que soncitoquinas implicadas en la atraccin de clulas delsistema inmune al foco infeccioso, siendo unejemplo la Interleuquina 8. Adems de la

transduccin estas seales, las protenas G estnimplicadas en la transduccin de seales sensitivas,

como lo constituyen los casos de transmisin deimpulsos visuales (t), olfatorios (ollf) o del gusto(g).

En la actualidad, las distintas protenas G sehan agrupado en cuatro familias que se nombran conun subndice que indica la primera funcin por la que

se caracterizaron. Estudios posteriores han probadoque pueden realizar ms de una funcin,dependiendo del tipo celular donde se expresen.Estas subfamilias son: Gs (estimula adenilatociclasa), Gi (inhibe adenilato ciclasa), Gq (estimulaPLC) y G12, de funcin desconocida.

Por otra parte, muchas de las subunidades pueden ser modificadas covalentemente y de formairreversible por toxinas bacterianas, lo cual afecta a laactividad de dichas subunidades. Concretamente, latoxina colrica causa la ADP-ribosilacin de un restode Arg del dominio de interaccin con el GTP, lo

que hace que la subunidad alterada pierda lacapacidad de hidrolizar el GTP y, por lo tanto, que lasubunidad s se encuentre siempre en estado activo(fig. 1.5). Una consecuencia de la activacinirreversible son las diarreas tpicas en personasinfectadas de clera. La toxina pertussis tambinproduce la ADP-ribosilacin de subunidades (i yo), siendo en este caso la modificacin en unresiduo de Cys, en el dominio C-terminal o deinteraccin con el receptor. En este caso, lamodificacin produce la falta de interaccin entre elreceptor y la protena efectora y la ausencia desealizacin por esta va. Esto influye en lasensibilidad a la histamina y en la bajada de lasconcentraciones de glucosa que se producen en latosferina.

Figura 1.6. Activacin de protenas G heterotrimricas.

La tabla 1.1 resume las principales familias deprotenas G, destacando sus efectos, su posibilidadde ADP-ribosilacin, su distribucin por tejidos yalgunos ejemplos de seales implicadas.

1.5.2.Mecanismosde Activacin de Protenas G.Las protenas G heterotrmericas, en su

estado inactivo, presentan GDP unido a la


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Familia/Subfamilia

Efecto ADP-ribosilacin

Distribucin Ejemplos deReceptores

Gs

s

+AC CTX todos los tejidos Adrenalina

+ Canal Ca2+ Noradrenalina+ Canal Na+ Histamina

FSH, LH

olf+AC CTX epitelio neuro-

olfatorioodorantes

Gi

i, o-AC PTX cerebro y otros

tejidosAch

+ Canal K+ Noradrenalina+PLC opiceos+PLA2 Angiotensina+ Canal Ca2+ Muchos pptidos

t +Fosfodiesterasasespecficas de GMPcCTX,PTX retina fotoreceptores

(retinal)

z+PLC cerebro, adrenes

-AC plaquetas

g+AC PTX papilas gustativas quimoreceptores

Gq

q, 11 , 14+PLC varios ACh

15, 16Noradrenalina

G12

12, 13? ubicuas ?

Tabla 1.1. Principales caractersticas de las principales familias de protenas G.

subunidad. Cuando la hormona se une al receptor,el complejo interacciona con la protena G, lo quepermite el intercambio de GDP por GTP. Estaactivacin provoca adems la disociacin de lasubunidadde las subunidades y La subunidad-GTP esta preparada para actuar sobre el efector ymodular su actividad. Dado que la subunidad presenta una actividad GTPasa intrnseca, lahidrlisis posterior del GTP a GDP posibilita la

reasociacin de las subunidades , y , con lo cualobtenemos la configuracin de partida (Fig. 1.6).

1.5.3.Ruta de transduccin del AMPc.El objetivo de este apartado es resaltar algunas

de las caractersticas ms sobresalientes de lasprotenas implicadas en esta ruta de transduccin; ascomo poner de relieve la importancia del fenmeno deamplificacin de seal a travs de sucesivas etapas.

La adenilato ciclasa (AC) fue la primeraenzima caracterizada capaz de ser activada porprotenas G. La AC cataliza el ciclamiento del ATP(substrato) para originar AMP cclico (AMPc), que esla molcula con actividad de segundo mensajero. Enla clula existen enzimas (fosfodiesterasas)

capaces de catabolizar el AMPc, transformndolo en5-AMP. Experimentos realizados midiendo lasconcentraciones de AMPc intracelulares tras laexposicin de las clulas a una hormona , comoglucagn o adrenalina, demuestran que se alcanza unpico de concentracin a los 2 minutos, el cualdesciende rpidamente de tal manera que a los 5-7minutos las concentraciones han vuelto a sus valoresbasales. Este dato nos demuestra que para la

transmisin de la seal no se necesita mantenerelevadas las concentraciones por tiempos largos. Laventaja de este mecanismo radica en que la clulapuede responder a un nuevo impulso hormonal en unperiodo relativamente corto de tiempo y, por otraparte, puede integrar al mismo tiempo las sealesrecibidas por otras rutas de transduccin, las cualespueden ser de signo contrario.

La AC presenta dos dominios hidrofbicospor los cuales permanece anclada a la membranacitoplasmtica, separados por un dominio citoslicoque es donde radica su actividad enzimtica.Finalmente existe un cuarto dominio citoslico que esdonde reside la capacidad de interaccin con lasprotenas G especficas.


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En la actualidad, se han caracterizado distintasprotenas con actividad adenilato ciclasa pero quedifieren en sus propiedades, ya que pueden serreguladas por distintas protenas G, presentarlocalizaciones tisulares diferentes, y pueden serreguladas positivamente por Ca2+ o por subunidades

. Atendiendo a que puedan o no puedan seractivadas por el ion Ca2+ se clasifican como de Tipo I(ACI y ACIII) o de Tipo II (ACII y ACIV),respectivamente. A su vez, las AC de tipo I puedenser reguladas o no de forma negativa por lassubunidades . As , la AC1, que presenta este tipode regulacin negativa, se diferencia de la AC3, queno lo presenta. La potencia de inhibicin de lassubunidades es unas 20 veces menor que lapotencia de activacin de la subunidad s. Siimaginamos un sistema ideal celular con un nico tipode receptor acoplado a protenas G y con una

actividad ACI; en este sistema, dado que la relacins/es de 1, la clula, tras la activacin delreceptor activara la AC1 sin el menor problema. Sinembargo, en los sistemas celulares reales, coexistendistintos tipos de protenas G, algunas de las cuales(Gq o G12) si bien no interaccionan de forma directa atravs de su subunidades con AC1 si puedenincrementar las concentraciones de las subunidadesintracelu-lares, pudiendo llegar a compensar poreste aumento de concentracin su menor potenciapara la inhibicin.

Figura 1.7 . Modelo de disociacin parcial.

Enlazando con lo anterior, es conocido quelos receptores que activan a protenas Gi son capacesde inhibir la actividad AC. Sin embargo, no se hapodido demostrar la asociacin directa AC-subunidadi, por lo cual se ha postulado que este tipo deprotenas G actuara inhibiendo a la AC mediante elaumento de las concentraciones de subunidades ,las cuales secuestraran rpidamente a las

subunidadess (Fig. 1.7).

Finalmente, las AC de tipo II comparten doscaractersticas: la ya mencionada de no ser reguladaspor calcio y la se ser positivamente moduladas porsubunidades . Hay que destacar en este punto quesi bien tradicionalmente (los ltimos 15 aos) sepensaba que las subunidades presentaban un nico

papel en el anclaje a la membrana, en los ltimos aosse estn caracterizando diversos subtipos para ambassubunidades, lo cual puede afectar a las AC dediferentes maneras, todava no identificadas.

El incremento en los niveles de AMPc, comoconsecuencia de la activacin de AC, pone en marchael siguiente paso en la transduccin de seal, queconsiste en la activacin de la protein-quinasa A(PKA). La PKA consta de cuatro subunidades: dosreguladoras y dos catalticas. En el proceso deactivacin se requiere la unin de dos molculas deAMPc por molcula reguladora. Dicha unin desplaza

el equilibrio de interaccin entre ambos tipos desubunidades de tal forma que las subunidadescatalticas se liberan de las reguladoras y quedanactivadas pudiendo realizar la fosforilacin deprotenas especficas en residuos Ser o Tre, utilizandocomo cosusbtrato el ATP (fig. 1.8). La identificacinde protenas substrato de la PKA ha permitidoconocer que dichos substratos son protenasmodulables por fosforilacin y que stas presentan unamplio rango de actividades biolgicas, ya que se hanidentificado protenas del tipo de canales inicos(protenas de membranas), como canales de K+ queven disminuida su actividad en la salida al exterior de

dicho ion, enzimas citoslicas relacionadas con elmetabolismo general (glucgeno fosforilasa, piruvatoquinasa, etc) o factores transcripcionales nucleares,como es el caso de la protena CREB (protena deunin al elemento de respuesta activado por AMPc;ver tema 4), la cual puede modificar la expresingnica de determinados genes.

Dado que existe una enzima especfica(fosfodiesterasa), capaz de inactivar al AMPc, amedida que las concentraciones de AMPc vayandisminuyendo, las subunidades reguladoras de laPKA dejaran de interaccionar con el segundo

mensajero y empezaran a desplazar el equilibrio haciala forma inactiva. Si midiramos las concentracionesde PKA activa en sistemas ideales (cultivo de clulas)observaramos que la PKA empezara a activarse a los2 minutos, alcanzara un pico mximo haca los 5minutos y prcticamente estara en estado basal (noactivo) a los 15 minutos.

De igual forma existen enzimas fosfatasasespecficas para las distintas protenas substratos de laPKA (Serin-treonin-fosfatasas). La medicin de lasformas activas de estas protenas substratos ennuestro sistema ideal nos dara curvas de activacinsimilares pero retrasadas ligeramente en el tiempo.As, considerando el caso del factor de transcripcinCREB, veramos una activacin mxima a los 10-15


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minutos (CREB-P) y su vuelta al estado basal (nofosforilado, CREB, y por lo tanto inactivo)aproximadamente a los 30 minutos.

4 AMPc

R R R R

C C4 AMPc

C C

Modulacin por fosforilacin de:

-Canales inicos

P-Enzimas citoslicas-P

-Factores transcripcionales CREB-P

Figura 1.8. Activacin de Protena quinasa A y de sus dianas

moleculares.A la vista de los datos anteriores podran

plantearse algunas preguntas: Cmo una ruta desealizacin con un tiempo de actuacin tan

relativamente corto puede generar cambios tanprofundos en las clulas? Qu ventaja evolutivasupone tener vas de sealizacin de corta duracin?La respuesta a la primera pregunta se centra en elfenmeno de amplificacin en cascada, el cual loexplicaremos con el ejemplo de una ruta activada porAMPc, la hidrlisis del glucgeno heptico paraproducir glucosa plasmtica. El organismo respondea la bajada de concentracin de glucosa en plasma(tras un periodo de ayuno, por ejemplo)incrementando las concentraciones de glucagn,hormona del pncreas endocrino, sintetizada por las

clulas , que al interaccionar con su receptor en laclula heptica, pondr en marcha la ruta deactivacin de la PKA. Esta enzima es capaz defosforilar, y en consecuencia activar, a la enzimacitoslica Fosforilasa b quinasa, la cual a su vezfosforila y activa a la Glucgeno fosforilasa b,enzima que acta sobre el glucgeno realizando lahidrlisis de enlaces 1-4 y rindiendo restos deglucosa 1-fosfato, la cual tras sucesivos pasos, setransforma en glucosa que podr abandonar la clulaheptica con el fin de mantener la homeostasis deglucosa en plasma. Si suponemos que la clulaheptica presenta 10 receptores de glucagn en susuperficie, lo cual es un nmero muy conservador (seconocen ejemplos de tipos celulares con 20.000

receptores/clula), y que en cada paso de la ruta cadaenzima es capaz de activar 10 molculas del pasosiguiente por minuto (nmero todava msconservador ya que la actividad enzimtica para estasenzimas est en el rango de nmoles-moles/min, elresultado sera la liberacin de 1milln de molculas

de glucosa por clula y por minuto!!Para contestar a la segunda pregunta, y

utilizando el ejemplo del ayuno, el glucagn tambininduce, a travs de CREB, la expresin del gen de lafosfoenol-piruvato carboxiquinasa (PEPCK), enzimade la ruta gluconeognica implicada en la sntesis deglucosa a partir de substratos no glucdicos. Mientrasel organismo siga en ayuno, el hgado podrresponder a las nuevas molculas de glucagn que,por va sangunea, lleguen procedentes del pncreas.Si en un momento dado el organismo ingiere alimentorico en carbohidratos, el pncreas dejara de liberar

glucagn y empezar a liberar insulina (hormona conefectos metablicos opuestos que estudiaremos msadelante en este tema). En este caso, cuando lasconcentraciones crecientes de insulina lleguen alhgado, encontraremos una clula adaptada a unmetabolismo de ayuno (por las anteriores seales deglucagn) que empieza a recibir seales contrarias.En un tiempo de actuacin similar al anterior lainsulina revierte el metabolismo del glucgeno(inactivando a la glucgeno fosforilasa b y activandoal mismo tiempo a la glucgeno sintasa, paracompletamente la transcripcin del gen de la PEPCK(inhibe la funcionalidad de CREB), reduce la vida

media de los RNAm de este gen y desestabiliza laprotena ya formada para que sea degradadarpidamente. As, el organismo, en tiempos inferioresa 1 hora a cambiado su comportamiento metablicocon respecto a la glucosa. Otro ejemplo de adaptacintodava ms corto en el tiempo lo constituye lapreparacin a una situacin de peligro para elorganismo (descarga de adrenalina, que acta deforma muy similar al glucagn con respecto alsistema AC). Por tanto, la existencia de mltiplespasos en las rutas de seali-zacin supone una mejoramplificacin de respuesta, la posibilidad de que una

misma ruta module muchos procesos molecularesdistintos y tambin disponer de ms puntos deregulacin o control, lo cual proporciona un ajustemucho mas fino o preciso.

1.5..4.-Ruta de transduccin del Fosfatidil Inositol.De forma anloga a como las subunidades s

activan la AC, otras subunidades (i, o o q ) soncapaces de activar a la enzima efectora Fosfolipasa C(PLC). En este caso el substrato de la enzima que altransformarse origina los segundos mensajeros sonlas molculas de Fosfatidil Inositoles. Estas

molculas, adems de ser precursoras desegundos mensajeros tienen importancia en el anclajede protenas extracelulares a la membrana plasmtica.


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Figura 1.9. Generacin de segundos mensajeros (IP3 e 1,2-diacilglicerol) por Fosfolipasas C (ver texto).

Los fosfatidil inositoles (PI) son fosfolpidos que secaracterizan por poder presentar varios grados defosforilacin a travs de las funciones alcohol de lamolcula de inositol (ver figura 1.9), siendo el

substrato de la PLC la molcula de Fosfatidil Inositol4,5 bifosfato (PIP2). La PLC causa la hidrlisis delenlace ster entre el grupo alcohol primario de lamolcula de glicerol y el cido fosfrico, originandolas molculas de diacilglicerol (DAG) y de Inositol1,4,5-trifosfato (IP3).

Los productos de la reaccin tienen lacaracterstica de actuar como segundos mensajeros ensendas rutas de transduccin. As, el DAG, quequeda unido a la membrana, es capaz de activar a laprotein-quinasa C (PKC), la cual, de forma anloga ala descrita para PKA es capaz de modular por

procesos de fosforilacin la actividad de muchasprotenas, ya sean de membrana, citoslicas ofactores de transcripcin. Por su parte, el IP3, que essoluble en el citoplasma, mediante su interaccin concanales de Ca2+ tetramricos, situados fundamental-mente en el retculo endoplsmico, puede incrementarlas concentraciones de Ca2+ citoslico de 10 a 1000veces. El aumento en las concentraciones de este ionactiva la funcin de varias protenas que sondependientes de l. Entre estas protenas dependientesde Ca2+ destaca la Calmodulina una protenareguladora de ciertas protena quinasas (PK Ca-CaM), las cuales, una vez activadas, tienen efectosanlogos a los descritos para otras protena quinasas.

Se conocen varios subtipos de PLC que, aligual que vimos para la AC, se clasifican en funcinde las molculas implicadas en su activacin. De losdiversos tipos los ms importantes son:

-PLC .- Son las activadas por protenas G.Dependiendo de la subunidad a implicada en suactivacin, los receptores responsables de suactivacin se clasifican en Familia Gq y Familia Gi.Son bastantes las molculas de sealizacin capacesde activar este tipo de efector: neurotransmisores(Noradrenalina, Acetilcolina o 5-hidrxi-triptamina),neuropptidos (vasopresina, angiotensina, PptidoIntestinal Vasoactivo -VIP-, o colecistoquimina) uhormonas (glucagn, GnRH, TRH).-PLC .- Son activadas por receptores con actividad

tirosin-quinasa intrnseca, tales como receptores deEGF, FGF o PDGF (factores de crecimientoepidrmico, fibroblstico y derivado de plaquetas,respectivamente). Este tipo de activacin consiste enla interaccin de la PLC con estos receptores atravs de dominios SH2 (ver ms adelante en eltema). Dentro de este tipo de PLC tambin se handescrito algunas que pueden ser activadas por Ca2+.

Al igual que vimos para la ruta activada porAC, la ruta de la PLC es inactivada de formaparecida. El catabolismo (inactivacin) de lossegundos mensajeros implica varios pasosenzimticos (figura 1.10) que finalizan en laformacin de Fosfatidil Inositol 4,5 bifosfato; esdecir, el PIP2, que era el substrato de la PLC, se


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recupera a partir de los productos del metabolismo deIP3 y DAG. Por tanto, para la sntesis de amboscompuestos es necesario el correcto funcionamientode la ruta de degradacin. El IP3 se defosforila, poraccin de fosfatasas, en reacciones sucesivas para darlugar a Inositol. Por su parte, el DAG se fosforila por

accin de una quinasa para dar lugar a cidofosfatdico, el cual mediante una citidil transferasaforma fosfatidil-CMP. El inositol y el fosfatidil-CMPson substratos de una sintasa que origina fosfatidil-Inositol (PI), que por sucesivas fosforilacionesorigina Fosfatidil Inositol 4,5 bifosfato.

Figura 1.10. Metabolismo de IP3 y Diacilgliceroles.

Esta molcula puede servir de substrato parala generacin de nuevos segundos mensajeros tras la

correspondiente activacin de la ruta. La inhibicinfarmacolgica de esta ruta de resntesis por Li+ seutiliza en el tratamiento de enfermos

maniacodepresivos. En concreto se ha podidodemostrar que el Li+ inhibe a las fosfatasas implicadasen la generacin de inositol.

Para terminar la transmisin de esta va debenadems de retirarse las elevadas concentraciones deCa2+. Existen en la clula varios sistemas capaces de

realizar esta funcin (figura 11):- ATPasa Ca2+ dependiente.- expulsa Ca2+ al exteriorde la clula en contra de gradiente y, por lo tanto congasto energtico. Presentan Km muy bajas (100-200nM).- ATPasa del retculo endoplsmico. Similares a lasanteriores con la excepcin de que no sondependientes de Ca2+.- Intercambiador Na+- Ca2+.- Intercambia 3 Na+- por 1Ca2+ .Slo interviene si las concentraciones de Ca2+

son muy altas.- Mecanismo mitocondrial.- El funcionamiento de la

cadena de transporte electrnico conlleva la salida deH+ al exterior de la mitocondria, creando un potencialde membrana que es aprovechado por la F1-ATPasapara la sntesis de ATP. Cuando las concentracionesde Ca2+ son elevadas este potencial de membranapuede ser aprovechado para la entrada de este ion alinterior mitocondrial por los transportadoresespecficos.

Figura 1.11 Homeostasis de Ca2+intracelular.

PKC y PK Ca-CaMComo se ha mencionado anteriormente son las

principales enzimas en la transduccin de la seal porla ruta de la PLC. Ambas presentan actividad ser-trequinasa. La PKC en realidad es una familia deprotenas (, , , , , , ) que si bien median lamisma accin cataltica, difieren en sus caractersticas.Las conocidas como tpicas (, , ) se caracterizanpor ser activadas, adems de por DAG que es elverdadero desencadenante de su activacin, por Ca2+

y fosfolpidos. La PKC se encuentra en forma


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inactiva en el citosol. La aparicin de DAG en lamembrana promueve su asociacin con esta y, enpresencia de Ca2+ sufre un cambio conformacional ensu dominio regulador que activa a la enzima (dominiocataltico).

Con respecto a la PK Ca-CaM, la

calmodulina, el mediador proteco de muchasreacciones enzimticas reguladas por Ca2+, contienecuatro centros de unin a Ca2+ de alta afinidad. Launin del Ca2+ induce un cambio conformacional enla calmodulina que le permite interaccionaractivamente con la PK que regula (figura 1.12).

calmodulina

Ca2+

PKinactiva

PKCa-CaM activa

Figura 1.12. Activacin de PK Ca-CaM.

Al igual que vimos para la protena PKA,tanto la PKC como la PK Ca-CaM son capaces deinducir, mediante procesos de fosforilacin, lamodulacin de mltiples protenas que manifiestandiversas activi-dades biolgicas (transportadoresinicos, enzimas de rutas metablicas, factorestranscripcionales, etc).

1.5.5. Integracin de rutas de transduccin.En un momento dado de su desarrollo unaclula puede recibir distintas seales, que puedenmodular procesos biolgicos comunes. Por lo tanto laclula debe de disponer de los mecanismosmoleculares precisos mediante los cuales dirigir losefectos metablicos de estas distintas rutas. Cabedistinguir en este punto dos posibles niveles deregulacin:- en las propias rutas de transduccin.- en las rutas diana modulables (glucogenolisis, con-traccin muscular, secrecin endocrina, etc).

Con respecto a la regulacin de vas detransduccin por otras vas de transduccin haynumerosos ejemplos que demuestran la existencia de

dos tipos generales de regulacin: regulacin positiva,donde la activacin de una va coopera en laactivacin de otra, y regulacin negativa, donde laactivacin de una va conduce a la inhibicin de otra.Considerando las dos rutas hasta ahora explicadas(AC y PLC) tenemos un ejemplo de regulacin

positiva si consideramos que la activacin de PLC,va IP3, aumenta las concen-traciones de Ca2+, el cuales capaz de estimular algunos tipos de AC. En sentidocontrario, la activacin de PKA, va AMPc, reducelos niveles de IP3. De igual forma, la fosfodiesterasacapaz de hidrolizar la estructura cclica de AMPc esactivada por el complejo Ca-CaM. Estos tipos deregulacin que afectan a dos o ms vas entre s, aveces pueden encontrarse en una misma va. As, porejemplo, la PKC es capaz de modular porfosforilacin bombas de Ca2+ o el antiportadorNa+/Ca2+, contribuyendo por estos efectos a bajar las

concentraciones de Ca2+

citoslico elevadas, lo cualnecesita para ser activa. En este caso podemos hablarde efectos sinrgicos . En el lado opuesto estaran losefectos de retroalimentacin, mediante los cuales unaenzima o metabolitos situado en pasos posteriores dela va de transduccin puede modular negativamentepasos previos de la va. As, por ejemplo, la PKCactivada tiende a disminuir las concentraciones deIP3. Todos los sistemas propuestos confluyen en laidea de que las rutas de sealizacin estn altamentereguladas.

1.5.6.Ruta del Acido Araquidnico (AA).El cido araquidnico es un segundo

mensajero implicado en varias rutas de sealizacin.Su generacin como segundo mensajero puedeprovenir de la activacin de dos rutas distintas: laactivacin de fosfolipasa A2 (PLA2), enzima quecataliza la hidrlisis del enlace ster entre el alcoholsecundario del glicerol y el cido graso de variosfosfolpidos, o por la activacin de la DAG lipasaque, catalizando la misma reaccin, se distingue de laanterior por utilizar como substrato el DAG. Portanto, el DAG no slo funciona como segundomensajero en la ruta de los fosfatidil inositoles sino

que adems funciona como precursor de otrosmensajeros (Figura 1.13).

Se conocen dos subtipos de PLA2 que sediferencian por su localizacin celular (membranacitoplasmtica o citosol) y por el tipo de protenasimplicadas en su activacin, ya que las asociadas amembranas son activadas por protenas G mientrasque las citoslicas resultan activadas por otras rutasde sealizacin (ver ms adelante).

Dentro de las funciones desempeadas por elcido araquidnico pueden distinguirse aquellasejercidas en el interior de la clula donde se ha

generado (movilizacin de depsitos de Ca2+

internos,activacin de PKC de forma anloga al DAG) y las


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ejercidas al salir de la clula y poder funcionar comouna molcula se sealizacin en clulas vecinas.

Figura 1.13. Metabolismo del cido araquidnico.

El metabolismo del AA implica procesos deregulacin por retroalimentacin, ya que es capaz deinhibir a la PLA2, y procesos de transformacin en

metabolitos, ya que es substrato de diversas enzimasque lo transforman en otras molculas tambinimplicadas en sealizacin (leucotrienos, prostaglan-dinas, tromboxanos, epxidos). Estos compuestos

junto con el AA son conocidos como mensajerosretrgrados; es decir, tienen la capacidad para salir dela clula y unirse a receptores de membranaplasmtica de la propia clula (S. autocrina) o declulas vecinas (S. paracrina).

1.5.7.Ruta del Acido Fosfatdico (PA).Presente en diversos tipos celulares

(neuronas, miocitos, hepatocitos, clulas endotelialesy del sistema hematopoytico) e implicada en laregulacin de mltiples procesos fisiolgicos (regula-cin metablica, secrecin, inflamacin, prolifera-cin) se encuentra la generacin de cido fosfatdicocomo segundo mensajero. En esta ruta el substratofisiolgico es la fosfatidil colina que sufre la hidrlisisdel enlace ster entre el resto de fosfato y la colina,reaccin calatizada por la Fosfolipasa D (PLD) paraoriginar PA y colina. El PA adems de actuar comosegundo mensajero para la activacin de variasprotena quinasas, puede servir como precursor deotros mensajeros como el DAG o el cidoaraquidnico, mediante sendas reacciones enzimticascatalizadas por la fosfatidato fosfohidrolasa (DAG) y

la PLA2 (AA). La PLD, a diferencia de otras fosfo-lipasas, se activa por ciertas protenas G pequeas(ARF, Rho; ver ms adelante) en combinacin conPIP2.

1.6.Receptorescon actividad enzimtica intrnseca.Este grupo de receptores, a diferencia de los

anteriores, no requiere de molculas intermedias parala activacin de enzimas efectoras sino que la unindel ligando al receptor es capaz de activar la catlisisdel propio receptor. Los receptores de este tipo seclasifican dependiendo de la actividad enzimtica quepresenten.

1.6.1.Receptorescon actividad Guanilato ciclasa.La unin del factor natriurtico atrial a su

receptor, en clulas colectoras renales, provoca laactivacin de la actividad guanilato ciclasa, presente

en el dominio citoslico que cicla la molcula de GTPpara dar GMP cclico (GMPc). Esta molcula actuacomo segundo mensajero en la activacin de laprotena quinasa G (PKG), que catalizafosforilaciones de protenas similares a las descritaspara PKA o PKC (Figura 1. 14).

Figura 1.14. Activacin de receptores con actividad Guanilato ciclasa.

Existe un segundo grupo de protenas conactividad guanilato ciclasa que se diferencian de lasanteriores por presentarse en el citosol. Las guanilatociclasas solubles son activadas por el xido ntrico(NO), un gas sintetizado a partir de arginina en unareaccin catalizada por oxidasas de funcin mixta,denominadas xido ntrico sintasas (NOS) y de lasque se conocen varios subtipos. Las guanilatociclasas presentan en su centro activo un grupo hemonecesario para su actividad y que es donde reside eldominio de interaccin con el NO. Esta molcula estaimplicada en la generacin de procesos inflamatoriosy se considera un neurotransmisor.

1.6.2 Receptorescon actividad Tirosina Quinasa.Los receptores con actividad tirosina quinasa

pueden agruparse, dependiendo de su composicin,en receptores monomricos, que incluye receptores

para varios factores de crecimiento (EGF, NGF,PDGF, etc) o receptores multimricos, cuyo


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paradigma es el receptor de insulina. Independiente-mente de la composicin del receptor, estas protenaspresentan los dominios tpicos de receptores demembrana: extracelular, por donde se une el ligando,transmembrana, por donde permanece anclado a lamembrana, y citoslico, donde reside la actividad

tirosina quinasa. En este tipo de receptores, la unindel ligando al receptor provoca la dimerizacin deestos. La proximidad fsica de ambas molculaspermite la activacin de la actividad catalticaproducindose la fosforilacin cruzada de ambas enrestos de tirosina; es decir, cada monmero delreceptor activado es capaz de producir la fosforilacinde algunos restos en la otra molcula, proceso que seconoce como autofosforilacin. La fosforilacin dedeterminados restos de tirosina produce la aparicinde dominios de reconocimiento para otras protenas locual es esencial en la ruta de transduccin (figura

1.15).

Figura 1.15. Activacin de receptores con actividad Tirosina

quinasa. Los dominios SH2 aparecen coloreados en azul.

Se han identificado dos tipos de protenas quepueden interaccionar con los receptores activados:- Protenas adaptadoras que realizan el acoplamientoentre el receptor activado y otras molculas desealizacin pero que carecen de actividad intrnsecaen la sealizacin, como es el caso de GRB2.- Protenas con actividad enzimtica implicadas en lasrutas de sealizacin, como es el caso de GAP(protena activadora de la funcin GTPasa de Ras; vermas adelante), Syp, una protena con actividadfosfatasa, y enzimas implicadas en la sntesis dederivados del fosfatidil inositol como la fosfatidilinositol-3 quinasa (PI3K) o la PLC(figura 1.9).

La interaccin entre estas protenas y losreceptores activados se lleva a cabo por dominios

especficos de las protenas denominados dominiosSH2 (dominio de homologa con Src 2). Pequeasvariaciones en los dominios SH2 de las protenasfacilitan su unin a algunos restos fosfo-tirosina delreceptor con mayor afinidad que a otros restos fosfo-tirosina, de tal manera que no todas las protenas con

dominios SH2 se unen con idntica afinidad a undeterminado resto fosfo-tirosina (figura 1.16).

Figura 1.16. Ciclo de activacin-inactivacin de Ras

Una protena que juega un papel importante enla transduccin de seal por este tipo de receptores esRas, la cual pertenece a la familia de protenas G

pequeas y est implicada en la regulacin deprocesos tales como la proliferacin y la diferen-ciacin celular. Como se mencion anteriormenteestas protenas son interruptores moleculares quenecesitan del intercambio de molculas GDP-GTPpara variar su actividad biolgica. A diferencia de lasprotenas G heterotrimricas, donde el intercambio deGTP por GDP era inducido por la interaccin con losreceptores activados, las protenas G pequeasnecesitan de la presencia de otras protenas, denomi-nadas factores intercambiadores de nucletidos deGuanina (GEF) que facilitan la disociacin del GDP,

con lo cual el GTP puede unirse de forma espontnea(figura 1.16). La unin de GTP provoca ladisociacin del intercambiador produciendo la formaactiva de Ras. El paso de la forma activa de Ras a laforma inactiva es acelerado enzimticamente porciertas protenas que reciben el nombre de GAP(protena activadora de GTPasa). La existencia deGAP hace que en sistemas celulares la vida media deRas-GTP no supere el minuto.

Dado que Ras carece de dominios SH2necesita para su activacin por receptores conactividad tirosina quinasa de protenas adaptadoras.Adems de dominios SH2, existen otros tipos dedominios implicados en el reconocimiento deprotenas, tales como dominios SH3 (reconocen


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secuencias ricas en prolina) o PTB. La protenaGRB2 es una protena adaptadora que presentadominios SH2, mediante los cuales puedeinteraccionar con los receptores activados, y dominiosSH3, mediante los cuales puede interaccionar conotras protenas capaces de reconocerlos. Sos que es

una protena intercambiadora de nucletidos deguanina (GEF) tiene la caracterstica de poderreconocer dominios SH3, de tal manera que puedeinteraccionar con el adaptador GRB2 (unido alreceptor activado) a travs de los dominios SH3. Elcomplejo Receptor-GRB2-Sos est en condiciones deactivar a Ras que pone en marcha una cascada defosforilacin de protenas que, eventualmente, finalizaen el ncleo modificando la expresin gnica. Lafigura 1.17 esquematiza la activacin de Ras en latransduccin de seal generada por EGF.

Figura 1.17. Papel de protenas adaptadoras en la activacin de

rutas de transduccin por RAS.

La serie de eventos que siguen a la activacinde Ras presenta una gran convergencia en todas lasespecies estudiadas. Los pasos ms relevantes son(figura 1.18):- Ras activado se une al extremo N-terminal de Raf,una serina-treonina quinasa.- El complejo Ras-Raf interacciona y fosforila, atravs de Raf, a MEK, una quinasa dual, ya que puedefosforilar a otras protenas en restos serina y tirosina.- MEK fosforila y activa a las MAP quinasas(MAPK- Mitogen Activated Protein Kinase), otraserina-treonina quinasa.

MAPK fosforila a muy diferentes protenas queestn implicadas en la regulacin del ciclo celular y ladiferenciacin. Entre dichas protenas cabe destacarotras protena quinasas (pp90rsk) y ciertos factores

transcripcionales.

Estudios recientes han confirmado la existencia deotros miembros de la familia de MAPKs. En laactualidad se distinguen tres subfamilias de MAPKs:A) -ERK (Extracellular Regulated Kinases) secorresponden con las mencionadas anteriormentecomo MAPKs, estando por tanto implicadas en los

procesos de proliferacin y diferenciacin.

Figura 1.18 Activacin de quinasas reguladas extracelularmente (ERK).

B) -JNK (Jun N-terminal Kinasas) se denominan aspor identificarse por primera vez su implicacin en lafosforilacin de la protena JUN (que junto con FOSforman el factor transcripcional AP-1). Estas quinasasson activadas en respuesta a mltiples seales(citoquinas, hormonas) y estn relacionadas con losprocesos infeccioso-inflamatorios, de estrs celular y

de supervivencia celular).

C) -p38-MAPKs constituyen el tercer tipo deMAPKs. Tambin pueden ser activadas por mltiplesseales y se han relacionado con los procesos deestrs celular y de supervivencia/muerte celular.

La finalizacin de sealizacin en rutasacopladas a la fosforilacin de protenas es realizadapor proten-fosfatasas (fosfo-tirosina o fosfo-serina/treonina fosfatasas). Se conocen varias familiasde fosfatasas que difieren en sus especificidades deaccin y en su localizacin celular (citosol, ncleo,etc). Las protena fosfatasas sern consideradas denuevo en el tema 2.


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Figura 1.19. Activacin de IRS-1 por el receptor de insulina.

Activacin del receptor de InsulinaA diferencia de los otros receptores de esta

familia (por ejemplo EGF), el receptor de insulina unavez activado, no interacciona con protenas a travs dedominios SH2 (con la excepcin de Shc), sino quefosforila a ciertas protenas citoslicas de elevadopeso molecular (aprox. 130 kDa) denominadas IRS

(Insulin Receptor Substrates). En la actualidad se handescrito tres protenas con esta caracterstica (IRS 1,IRS 2 e IRS 3). La fosforilacin de IRS por laactividad quinasa del receptor de insulina crea lossitios de reconocimiento para la interaccin con otrasprotenas (GRB2, PI3K, Syp) y su consiguienteactivacin, a travs de dominios SH2 (figura 1.19).As la actividad PI3K se incrementa 10 veces cuandoesta protena interacciona con IRS 1, incrementndoseel trfico de membranas. De forma anloga, Syp, conactividad fosfatasa, se activa al interaccionar con IRS1 de modo que puede desfosforilar a esta protenaterminando as su sealizacin. IRS-1 se caracterizapor la presencia de dominios PH, que permiten laestabilizacin de la interaccin con el receptor a travsde su afinidad por fosfolpidos de la membrana.

1.6.3.Receptores con actividad Serina-TreoninaQuinasa.

Son tambin conocidos como receptores de lafamilia del TGF. El TGF-1 es el prototipo de unafamilia de molculas de sealizacin que incluye a losfactores de crecimiento transformantes tipo beta, lasactivinas, las inhibinas, las protenas morfoge-nticasseas (BMP) y la hormona Antimlleriana. Los

miembros de esta familia ejercen una gran variedadde efectos biolgicos en diversos tipos celulares,

teniendo especial importancia durante el desarrolloembrionario y la formacin de tejidos. En el adultoestn implicados en procesos tales como lareparacin de tejidos, la modulacin del sistemainmune y la regulacin del ciclo ovrico.

Estas molculas de sealizacin inician sus

acciones celulares mediante su unin a receptores conactividad intrnseca serina/treonina-quinasa. Lafamilia de receptores consta a su vez de dos tipos:tipo I y tipo II, que son estructuralmente muysimilares, con regiones extracelulares ricas encisteina y regiones intracelulares que consistenprincipalmente de los dominios quinasa. Losreceptores de tipo I, pero no los de tipo II, presentanuna regin rica en residuos de glicina y serina(dominio GS) en el dominio yuxtamembranal. Cadamiembro perteneciente a esta familia se une a unacombinacin caracterstica de receptores tipo I y tipo

II siendo necesaria esta interaccin para desencadenarlos procesos de sealizacin intracelulares (Tabla1.2).

El TGF-1, como ejemplo, se une en primerlugar al receptor de tipo II, lo cual ocurre en lamembrana celular formando oligmeros quepresentan actividad quinasa. A continuacin elreceptor de tipo I (que carece de actividad quinasaintrnseca y no puede unirse al TGF- en ausencia dereceptor tipo II) es reclutado al complejo; El receptortipo II fosforila al receptor tipo I en el dominio GS ylo activa presentando entonces actividad quinasa.

Figura 1.20. Activacin del complejo de receptor para TGF-.


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Como consecuencia de la activacin delreceptor de tipo I, este es capaz de fosforilar aciertas protenas citoslicas, denominadas SMAD,las cuales una vez activadas tienen la capacidad detranslocarse al ncleo y ejercer sus efectos reguladores(figura 1.20) sobre la expresin gnica. Estas

protenas SMAD, de las cuales se han descrito en laactualidad varios tipos, sern tratadas con ms detalleen el tema 2._________________________________________________

Subfamilia TGF- Activina BMP_________________________________________________

Ejemplo de TGF- 1 Activina A BMP-2Ligando TGF- 2 BMP-4__________________________________________________

Rec. tipo II T R-II ActR-II BMPR-IIActR-IIB ActR-II

ActRIIB

__________________________________________________Rec. tipo I T R-I ActR-IB BMPR-IB

ActR-I

__________________________________________________

SMAD Smad2 Smad2 Smad1

especficas Smad3 Smad3 Smad5

de va Smad9?

__________________________________________________


comunes___________________________________________


inhibidora Smad7 Smad7 Smad7

__________________________________________________

Respuestas Mitognesis liber. FSH Cartlago matriz extra- Mesodermo Mesodermo

celular dorsal ventral Apoptosis

Tabla 1.2. Miembros de la Familia del TGF-, sus receptores,molculas de sealizacin y principales respuestas biolgicas.

1.7. Receptores asociados a Protenaquinasas citoslicas.

Un gran nmero de citoquinas, algunashormonas (prolactina, hormona del crecimiento,

leptinas) y ciertos factores de crecimiento(eritropoyetina, G-CSF) se caracterizan por presentarreceptores sin actividad cataltica pero desencadenarprocesos de fosforilacin de protenas en tiempossimilares a los conseguidos por los receptoresconsiderados en el apartado 1.6.

Una caracterstica que comparten muchascitoquinas y algunos factores de crecimiento es laimplicacin de una protena transductora demembrana necesaria para la activacin de rutas desealizacin. Estas protenas transductoras si bienpor s solas no son capaces de interaccionar con elreceptor en ausencia de ligando (al igual que lodescrito para los receptores tipo I del TGF-),interaccionan con el receptor activado por ligando,

siendo la formacin del complejo ligando-receptor-transductor el desencadenante de las rutas detransduccin asociadas. Atendiendo a la homologaentre los distintos receptores que componen estasuperfamilia, estos se han clasificado en dos tiposgenerales:

a) Receptores de Tipo ILos receptores de tipo I comparten una serie

de motivos conservados en sus dominiosextracelulares que consisten en 4 residuos de cisteinay el motivo WSXWS (Trp-Ser-X-Trp-Ser).

Dentro de esta familia de receptores, lascitoquinas pueden a su vez clasificarse dependiendodel tipo de protena transductora que presenten. As,la familia gp130 se caracteriza por la interaccin deesta protena (gp130) con los receptores especficospara IL-6, IL-11, IL-12, LIF (factor inhibidor de la

leucemia), OnM (oncostatina M), CNTF (factorneurotrfico ciliar) y G-CSF (factor estimulante decolonias de granulocitos). La familia gp140engloba a IL-3, IL-5 y GM-CSF (factor estimulantede colonias de granulocitos y macrfagos). Porltimo, la familia -C engloba a las interleuquinas2, 4, 7, 9, 13 y 15. Si bien algunas de estascitoquinas pueden inducir la fosforilacin dedeterminadas protenaquinasas, como Lyn, Lck oFyn (por IL-2) o Lyn, Hck o Fps (por IL-3), lacaracterstica comn de todas estas citoquinas es sucapacidad de activar a uno o mas miembros de lafamilia de las JAK (Janus Kinase). Se conocen

cuatro quinasas en esta familia: JAK1, JAK2, JAK3y tyk2 y todas tienen actividad tirosina quinasa.

b) Receptores de Tipo IIIntegrada por los receptores de interferones.

Los interferones se clasificaron inicialmente por eltipo de clula productora como interferones deleucocitos, de fibroblastos o inmunes. Lanomenclatura actual se basa principalmente en susecuencia; y as designa a los interferones deleucocitos como IFN- e IFN-, a los defibroblastos como IFN- y a los de tipo inmunes

como IFN-. Los IFNs y comparten el mismotipo de receptor mientras que los IFN presentan unreceptor especfico. El ltimo componente de estafamilia lo constituye la IL-10.

Independientemente del tipo de receptor (I oII) y del tipo de ligando, la unin del ligando alreceptor desencadena la siguiente cadena de eventosmoleculares (figura 1.21):1- Dimerizacin de receptores o de receptores-transductores.2- Activacin de JAKs, las cuales producen lafosforilacin cruzada de las mismas.3- Las JAK fosforiladas son capaces de fosforilar alos receptores en residuos de tirosina creando sitiosde reconocimiento para dominios SH2.


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4- Estas secuencias fosforiladas son reconocidas pordiversas protenas con dominios SH2, de entre lascuales destacan las protenas STAT (signaltransducer and activators of transcription).5- La interaccin de protenas STAT con losreceptores permite la fosforilacin de las STAT por

las JAK.6- Dichas fosforilaciones crean a su vez en lasprotenas STAT sitios de reconocimiento paradominios SH2. Dado que cada protena STATpresenta un sitio de reconocimiento y un dominioSH2, estas protenas pueden dimerizarse ytranslocarse al ncleo para regular la expresin de

juegos especficos de genes.

Figura 1.21. Cascada de fosforilaciones en la activacin de STAT.

La fosforilacin del receptor permite ademsla interaccin de ste con otras protenas quecontienen dominios SH2 como Shc, protenaadaptadora implicada en la activacin de Ras, quepuede activar la ruta de las MAPK (ERK). Unejemplo de este tipo de activacin mltiple lo suponela fosforilacin de STAT3 en clulas T, donde lainteraccin de IL-2 con su receptor controla laprogresin de la fase G1 a S, la expansin clonal y ladiferenciacin funcional. La interaccin de IL-2 consus receptores supone la activacin de JAK1 yJAK3 y la consecuente fosforilacin de STAT3 en suresiduo Tyr-705 (Figura 1.22). Por otra parte, lafosforilacin del receptor de IL-2 (cadena ) favorecesu interaccin con Shc y la consecuente activacin deRas, que conduce a la fosforilacin de STAT3 en suresiduo Ser-727. Esta segunda ruta que lleva a lafosforilacin del residuo de serina tambin puededesencadenarse por el receptor de la clula T (TCR).

Especificidad de Respuesta Biolgica por STATsEn la actualidad se han clonado 4 protenas de

la familia JAK y siete protenas de la familia STAT.Por otra parte se conocen ms de 35 sealesextracelulares, capaces de activar dicha ruta de trans-

duccin, que desencadenan respuestas biolgicas de

Figura 1.22. Activacin de las rutas asociadas a Ras y JAK por IL-2

lo mas variadas (activacin de mltiples respuestasdel sistema inmune, diferenciacin del epiteliomamario, de linfocitos T, de eritrocitos, etc). Lapregunta que surge es Como un juego tan pequeode protenas puede generar tanta diversidad deefectos biolgicos? La respuesta puede estar en parteexplicada considerando la especificidad de lasprotenas STAT en el reconocimiento de los

receptores de esta familia, ya que slo algunas STATreconocen determinado receptor, por ejemplo, laprotena STAT 2 slo se ha demostrado suinteraccin con el receptor para IFN /. La figura1.23 esquematiza algunas de las posiblesinteracciones. Parte de la respuesta se explicar en elprximo tema cuando se aborde el estudio de laexistencia de programas genticos especficos paralos distintos tipos celulares.

Figura 1.23. Especificidad de respuesta biolgica (ver texto).


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1.8.Receptores de la familia TNF/NGFLos receptores de esta familia estn

implicados, con algunas excepciones en lasealizacin yuxtacrina; es decir, tanto el ligandocomo el receptor son protenas de membrana condominios extracelulares a travs de los cuales se

establece la sealizacin.El TNF- (Factor de Necrosis Tumoral), que

tiene la caracterstica de ser un ligando desealizacin paracrina, es una citoquina pleiotrpicaque funciona como un mediador de la regulacininmune, la respuesta inflamatoria y la apoptosis enalgunos tipos celulares. Un exceso en la produccinde TNF se ha ligado al desarrollo de ciertasenfermedades tales como el shock sptico y ciertosdesordenes autoinmunes. Las respuestas celularespromovidas por el TNF se inician mediante suinteraccin con dos tipos distintos de receptores

celulares, el receptor de tipo I (55 kDa) y el de tipo II(75 kDa). Ambos tipos de receptores forman parte dela familia de receptores del TNF entre cuyosmiembros se incluyen el antgeno Fas (inductor deapoptosis, tambin llamado Apo-1 o CD95), CD27(antgeno de activacin de clulas T), CD30(marcador del linfoma de Hodgkin) y CD40(antgeno de clulas B), los cuales comparten lacaracterstica de secuencias ricas en cisteina en susdominios extracelulares. Esta familia de citoquinasgeneran respuestas celulares que incluyen ladiferenciacin, la proliferacin, la activacin de NF-B y la muerte celular, promoviendo la agregacin demonmeros de receptores. En general los dominioscitoplasmticos de esta familia de receptores carecende dominios comunes, lo cual sugiere que puedenutilizar mecanismos distintos. La excepcin ocurrecon el receptor tipo I del TNF y el antgeno Fas, yaque ambos presentan en su extremo carboxiloterminal un dominio de aproximadamente 80aminocidos que se ha denominado "dominio demuerte" (DD= death domain). A los dominioscitoplasmticos de los receptores pueden asociarsedos familias de protenas denominadas TRAF(Factores Asociados al Receptor de TNF) y TRADD

y que estn implicadas en la transduccin de la sealal ncleo (figura 1.24).En este caso de sealizacin podemos hablar delreclutamiento de protenas al complejo receptor(es)-ligando(s) del tal manera que una protena transmitela seal a la siguiente protena en la cascada a travsde interacciones proteina-proteina, sin mediarprocesos de modificacin covalente (fosforilaciones)como hemos visto para otros tipos de receptores,mediante interacciones por dominios homlogos .Para el caso del receptor I del TNF las posiblessecuencias de eventos moleculares, tras la formacindel complejo receptor (trmero)-ligando, seran:- asociacin de TRADD (mediante los dominios DD)al complejo.

- asociacin de TRAF2 a TRADD. La activacin deTRAF2 permite que esta protena interaccione conotras como NIK (protena quinasa que al activarsepuede generar una ruta de fosforilaciones; ver tema4) o RIP que puede asociarse con RAID y staactivar algunas caspasas que estn implicadas en la

sealizacin de muerte celular.- asociacin de MORT1/FAD (mediante dominiosDD) con la consiguiente activacin de algunascaspasas.

Figura 1.24 Rutas de transduccin asociadas a TNF.

La activacin de este tipo de receptores,

adems de las vas de quinasas consideradas deestrs (Jun quinasa, p38), conlleva la activacin dedos procesos contrapuestos en la clula: la activacinde caspasas, proteasas intracelulares que dirigen elproceso apopttico, y la activacin de los miembrosde la familia del factor nuclear NF-B que, mediantela activacin gnica, actua como un factor desupervivencia (ver tema 2). Dependiendo del tipocelular y de la predominancia de unas rutas sobreotras (muerte/supervivencia) el efecto final una vezintegradas las distintas vas de sealizacin puede serde muerte (apoptosis) o proliferacin celular.

1.9.Regulacin de Receptores de MembranaEl nmero y la actividad de receptores

funcionales implicados en sealizacin sobre lasuperficie de la clula no es constante. El nivel dereceptores para una determinada hormona puedeincrementarse (up-regulation) o disminuir (down-regulation), permi-tiendo de esta forma a la clularesponder ptimamente a ligeras variaciones en losniveles hormonales. La exposicin prolongada deuna clula a elevadas concentraciones de un ligandonormal-mente resulta en una reduccin en el nmerode sus receptores funcionales, causando por

consiguiente la desensibilizacin de la clula para eseligando.


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El fenmeno de la down-regulation dereceptores de superficie celular puede ocurrir devarias formas. Los receptores pueden serinternalizados por endocitosis , disminuyendo as sunmero en la superficie y entonces ser destruidos oalmacenados (secuestrados ) en vesculas

intracelulares. En cualquier caso se finaliza la accindel ligando. El que la clula elija uno u otromecanismo depende del tiempo de duracin delestmulo. Tras tiempos cortos de exposicin a laseal (minutos) la clula secuestra en vesculas a losreceptores: si el estmulo perdura en el tiempo (horas)entonces se activa la va de degradacin de receptorestras la fusin de vesculas lisosomales (figura 1.25).Es conocido que la activacin de PI3K juega unimportante papel en el trfico de vesculas.

Figura 1.25. Regulacin de receptores de membrana.

Alternativamente, puede que el nmero dereceptores no se modifique pero si su actividad, demodo que el receptor sea incapaz de unirse con elligando o si bien puede unirse, el complejo receptor-ligando no induzca la respuesta celular normal. Losejemplos mejor conocidos implican cambios en elestado de fosforilacin de los receptores que causanla inactivacin de estos (inactivacin por fosforila-cin). Esta inactivacin del receptor puede ser

generada por mecanismos de retroalimentacin(desensibilizacin homloga ); es decir, pormolculas diana de la propia va activada por elcomplejo receptor-ligando (por ejemplo, lasdesensibilizaciones del receptor de EGF por PKC odel receptor -adrenrgico por PKA y ARK, enzimaactivada por subunidades y que solo fosforila areceptores que estn acomplejados a ligando) o porotras vas de sealizacin. En este caso son bienconocidos los efectos de PKA en la inactivacin dereceptores, acoplados a protenas G, activados pordistintos ligandos (desensibilizacin heterloga).

La desensibilizacin de receptores tiene unpapel importante en la regulacin de la respuestacelular causada por el ligando, ya que permite a la

clula ajustar la sensibilidad del receptor a laconcentracin de ligando a la cual es estimulada, demodo que puede mantener una respuesta fisiolgicanormal. dado que los receptores fosforilados soncontinuamente desfosforilados por fosfatasasconstitutivas, el nmero de grupos fosfato por

molculas de receptor refleja la cantidad de ligandounido en los ltimos 1-10 minutos. Si ocurre unincremento en la cantidad de ligando, elcorrespondiente incremento en AMPc conduce a lafosforilacin y desensibilizacin de ms receptores,de modo que la produccin de AMPc y lasconsiguientes respuestas activadas por stepermanecen ms o menos constantes. Si el ligandodesaparece, el receptor pasar a estar completamentedesfosforilado y a un estado de alta sensibilidad, encuyo caso podr responder a concentraciones muybajas de ligando. La figura 1.26 esquematiza el bucle

de retroalimentacin que controla la actividad dereceptores acoplados a protenas G.

Figura 1.26. Control de la actividad de receptores acoplados a

protenas G.

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