Clasificación química de las moléculas señalizadoras extracelulares

Transcripción

1 . Mecanismos moleculares de señalización Jerarquía de la señalización hormonal. Tipos de hormonas. Tipos de receptores hormonales. Mecanismos bioquímicos generales de señalización. Receptores de membrana. Receptores acoplados a proteínas G. Segundos mensajeros hormonales. roteínas con actividad enzimática ligadas a membrana. roteínas efectoras. Receptores proteín quinasas y ligados a proteína quinasa. Mecanismo de acción del glucagón y de la insulina. Receptor/efector del óxido nítrico. Mecanismo de acción de las hormonas esteroides y tiroideas. apel de las principales hormonas implicadas en la regulación del metabolismo energético. BIQUÍMICA-º de Medicina Departamento de Biología Molecular Javier León Clasificación química de las moléculas señalizadoras extracelulares. éptidos y proteínas. - ligopéptidos: endorfinas, vasopresina, hormona liberadora tiroidea, - olipeptidos: Glucagón, Insulina,. de crecimiento, renina, estimulante de los folículos (FS), luteinizante (L), orm estimulante del tiroides (TS), eritropoyetina, factores de crecimiento, interleucinas, etc 2. Derivados de aminoácidos (AA): serotonina (Trp), melatonina (Trp), GABA (Glu), glutamato, histamina (is), catecolaminas (adrenalina, noradrenalina, dopamina) (), acetil-colina () 3. Esteroides y derivados (precursor: colesterol): cortisol, aldosterona, vitamina D, andrógenos, estrógenos, etc.. ormonas tiroideas (derivadas de la Tirosina). Tiroxina (T ) y Triiodotironina (T 3 ) 5. Derivados del ácido araquidónico: prostaglandinas y leucotrienos 6. xido nítrico 2

2 Clasificación de receptores Según su localización celular a) De membrana (de hormonas hidrosolubles) De siete dominios / Acoplados a proteínas G (GCR) roteín-tirosina quinasas Asociados a proteín-tirosina quinasas Ser/Thr quinasas Canales iónicos b) Intracelulares (de hormonas liposolubles) De hormonas esteroideas (receptores nucleares) De retinoides (receptores nucleares) De hormonas tiroideas (receptores nucleares) De oxido nítrico 3 Clasificación de receptores Según su actividad bioquímica a) Activan proteínas G grandes Acoplados a proteínas G (GCR) b) Activan actividad proteína quinasa (propia o de otra quinasa asociada) roteín-tirosina quinasas Asociados a proteín-tirosina quinasas Serina/Treonina quinasas c) Se unen a DA y regulan genes Receptores de hormonas esteroideas, tiroideas y retinoides d) ermiten o impiden el paso de iones Canales iónicos e) Receptor=efector: Guanilato ciclasa (receptor de )

3 Interruptores bioquímicos en señalización intracelular RECETR DEL ESTIMUL rot.g IACTIVA GD GT GTasa GD rot.g ACTIVA GT SEÑAL* RECETR SEGUDS MESAJERS roteína quinasa roteína señalizadora fosfatasa Ser/Thr fosfatasa roteína señalizadora SEÑAL* Ser Thr IACTIVA roteína Ser/Thr quinasa Ser Thr ACTIVA RECETR SEGUDS MESAJERS 5 Modificaciones covalentes postraduccionales que afectan la actividad de proteínas Fosforilación Ubiquitilación Glicosilación (Ej: muchas proteínas de membrana y secretadas) Acetilación (Ej: histonas) Metilación Sumolización Farnesilación Farnesil-pirofosfato roteína Anclaje a membranas Miristoilización (AG-C ) y almitoilización (AG-C 6 ) β γ GD α 6

4 Mecanismo de acción hormonal (hormonas hidrosolubles) ormona Receptor de membrana roteína transductora que interacciona con el receptor Segundo mensajero roteína(s) transductora(s) citosólica y nuclear(es Enzimas efectoras Cambios en la expresión de genes Efecto Biológico 7 Cinco principales segundos mensajeros hormonales C2 AM Cíclico (cam) C 2 - GM Cíclico (cgm) AT Adenilato Ciclasa cam Fosfodiesterasa AM i 2 2 C C R R 2 -C C 2 C ,2- Diacil-glicerol Ca 2+ Inositol,,5 trisfosfato Iones Calcio 8

5 Receptores Receptores asociados a proteínas G ormonas/citocinas Muchas hormonas endocrinas, con efectos en el metabolismo y receptores olfativos. GLUCAG, ADREALIA, dopamina, serotonina, histamina,, Glu, GABA, acetilcolina (musc.), quimiocinas Receptores -quinasa ormonas y citocinas inductoras de proliferación. DGF, EGF, VEGF, FGF, GF, GDF DE MEMBRAA ITRACELULARES Receptores asociados a -quinasas (JAKs) Receptor de Insulina e IGF Receptores Ser-quinasa Receptores de TF Receptores canales iónicos Guanilato ciclasa citosólica Receptores nucleares ormonas y citocinas inductoras de proliferación y diferenciación celular Eritropoyetina, trombopoyetina, G, IL-6, IL-, LIF, IL3. IL-5, GM-CSF, G-CSF, IL-2, IL-, IL-9 ISULIA, IGF-, IGF-2 Citocinas y hormonas relacionadas con la diferenciación, apoptosis y metabolismo, pero normalmente no señalizan cambios metabólicos importantes ni inducen proliferación celular: TGFβ, BMs,TFs Angiotensina II, GABA (A), acetilcolina (nicotínico) xido nítrico FISILGIA Glucocorticoides, mineralocorticoides, progesterona, estrógenos, andrógenos, retinoico, T3, vit D, eicosanoides 9 Estructuras de los receptores acoplados a proteínas G Citosol EXTRACELULAR = receptor 7TM = receptor en serpentina Dominio extracelular (Sitio de unión del ligando) Dominio intarcellar (interacción con proteínas G) Ligando ACTIVACIÓ DE RTEIAS G 0

6 Ciclo de las proteínas G heterotriméricas β γ GD α GT IACTIVACI ACTIVACI GD β γ GT α roducción de segundos mensajeros Estructura de una proteína G trimérica inactiva Activación de las proteínas G La subunidad G α es desactivada por la hidrólisis del GT, dando de nuevo la forma inactiva (unida a GD), la cual se reasocia con complejo βγ para dar el complejo trimérico inactivo i γ β α GD En el estado inactivo la subunidad α está unida a GD y formando un complejo con las subunidades βγ Ligando γ β α GT GD La subunidad G α activada (unida a GT) se disocia del complejo βγ e interacciona con sus dianas celulares RTEIAS DIAA GT γ β α GD La unión del ligando induce la interacción del receptor con la roteína G, y a su vez estimula el intercambio de GD por GT (Modificado de Cooper, The Cell Saunders, 997l, pag 530) AIMACI Gort - LC 2

7 Tipos de subunidades Gα Ligando 7 C Gα Gγ Gβ roteína G eterotrimérica Gαs Golf Gαi Gαq Gt (Transducina) otras Estimula Adenilato ciclasa Inhibe Adenilato ciclasa Estimula Fosfolipasa C Estimula Guanilato ciclasa Estimula LA2, canal de K, etc 3 Activación de adenilato ciclasa y KA por proteínas Gαs y Gαi γ β αs GD αs GT α GT Adenilato ciclasa activa Receptor AT i Regul. Regul. AMc Regul. Regul. Catal. Catal. Catal. Catal. roteina quinasa A activa (dímero) roteina quinasa A inactiva (tetrámero: dos ubunidades reguladoras + Dos subunidades catalíticas FSFRILACI E SER/TR DE TRAS RTEIAS EFECTRAS

8 Actividad de la adenilato ciclasa Exterior Citosol Adenilato ciclasa (9 isoformas) C AT C2 i cam - C2 2 cam Fosfodiesterasa (DE) Acumulación de cam en una neurona estimulada con 0 nm serotonina 20 seg (Alberts et al. Molecular Biology of the Cell, Garland ub. 2002) AM Animación GCR LC-Ca (Keeley) 5 Activación de LC por proteínas Gαq Receptor γ β αq GD I 2 α GT Fosfolipasa C DAG Salida de Ca ++ de vesículas del retículo endoplásmico I3 I3 Ca ++ KC roteina quinasa C activa Calmodulina Calcio Inactiva roteína quinasa C Activa roteína Quinasa C Animación GCR LC-Ca (Keeley) 6

9 Sitios de corte de los principales tipos de fosfolipasas Fosfolipasa A Recordatorio Tema 23 Fosfolipasa A 2 2 C C R R 2 C C 2 C X Fosfolipasa C (LC) Fosfolipasa D (LD) DAG + I3 5 o hace falta aprenderse la estrutura Inositol,,5 trisfosfato 7 Transducción de la señal olfativa Receptor Adenilato ciclasa a + Ca ++ Canal iónico (se abre por cam) G (olf) a + Ca ++ Depolarización The obel rize in hysiology or Medicine 200 "for their discoveries of odorant receptors and the organization of the olfactory system" Columbia University ew York, Y, USA; oward ughes Medical Institute b. 96 oward ughes Medical Institute University of Washington; Fred utchinson Cancer Research Center Seattle, WA, USA. B 97 Richard Axel Linda B. Buck 8

10 Transducción de la señal visual LUZ Rodopsina Fosfodiesterasa a + Ca ++ Canal iónico (abierto por cgm, se cierra al caer cgm por la fosfodiesterasa) Transducina Se cierra el canal iperpolarización (Berg, Tymoczko and Stryer. Biochemistry. Freeman and Co. 2002) LUZ -cic-retinal all-trans-retinal Isomerizacion Rodopsina: 9 RESUME de proteinas Galfa Canal de a/ca Gαs Ad Ciclasa [cam] KA tras enzimas* Ej: Adrenalina en adipocitos, TS en tiroides, ACT en suprarrenal, etc * Glucógeno sintasa fosforilasa, iruvato quinasa, Fosfofructoquinasa, CREB Gαi Ad. Cicl. [cam] KA I3 canales de Ca ++ [Ca ++ ] citosol Gαq LC DAG KC tras enzimas Ej: Vasopresina en hígado, acetilcolina en músculo liso, trombina en plaquetas, Gα olf Ad. Cicl. [cam] Apertura de canales de Ca ++ /a + Gαt/transducina cgm fosfodiesterasa [cgm] Cierre de canales Ca ++ /a + 20

11 Activación de receptores tirosina-quinasa Insulina, IGF-, DGF, EGF, VEGF, FGF, GF, GDF Centro activo de la actividad protein quinasa La unión del ligando provoca la dimerización del receptor y activación de su dominio -quinasa Los receptores sufren una autofosforilación en una o más tirosinas de la parte intracelular 2 Señalización por roteínas G-pequeñas (Ras) Farnesilo, para anclarse a la membrana Receptor activado roteína adaptadora que reconoce - del receptor (hay varias, se expresa una u otra según el tejido).ad. Adaptadora = GRB2. Intercambiadora de GT (GEF) = SS, RAL. G pequeña = RAS, R, RAC I RAS roteína intercambiadora de GD/GT (o GEF= GT Exchange Factor), que es activada por la proteina adaptadora GD GT RAS GD GT ay tres proteínas Ras y unas 50 proteínas G-pequeñas (superfamilia Ras) en nuestro genoma. Muchos tumores humanos tienen un gen Ras mutado, que da lugar a una proteína constituvamente unida a GT (=activa) 22

12 Señalización por roteínas G-pequeñas (Ras) RAS GD RAS GT GD RAS GT Intercambiador de GD/GT (GEF) r ej: SS para RAS GD GTasa Mutantes oncogénicos RAS no son sustrato de las GTasas 23 Ruta de señalización por proteínas Ras La unión del ligando induce dimerización y transfosforilación del receptor en. Una proteína adaptadora (A) reconoce estas - y activa una proteína intercambiadora de GT/GD, que a su vez activa Ras. La quinasa MAKK fosforila en Ser y en a la MAK, que es así activada. MAK se trasloca al núcleo donde activa ciertos factores de transcripción. Ser GEF.Ad. MAK RAS AT GT MAKK Ser úcleo RAF AT La proteína Ras activada une quinasa unida a membrana (Raf) y activa su actividad quinasa. Raf activa (fosforilando) a la quinasa MAKK MAK = ERK Mitogen Associated rotein Kinase MAKK = MEK AT FACTRES DE TRASCRICI RAS: 2

13 Transmisión de señal por I3K I(,5) I() I(3,,5)trisifosfato = I3 I(3,)bisfosfato = I2 I3K Subunidad Reguladora Subunidad Catalitica AT AD 3 I2 TE (fosfatasa) i I() 25 C C C C 2 C Fosfatidil-inositol--bisfosfato Fosfatidil-inositol-3-quinasa (I3K) TE i C C C C Fosfatidil-inositol-3,-bisfosfato (I2) 2 C 3 26

14 Transmisión de señal por I3K I(,5) I() I(3,,5)trisifosfato = I3 I(3,)bisfosfato = I2 RAS Interacción directa RAS-I3K GT Subunidad Reguladora Subunidad Catalitica p0 I3K AT AD 3 I2 TE (fosfatasa) i I() RAS RAF Fosfatidilinositol (3,)-bisfosfato (I2) RECETR I3K cat I3K reg 27 Activación de KB por I3K I(,5) I() I(3,,5)trsisfosfato = I3 I(3,)bisfosfato = I2 Subunidad Catalitica I3K Subunidad Reguladora AT AD 3 KB activa KB inactiva KB = AKT SUERVIVECIA CELULAR 28

15 Los mecanismos moleculares de señalización basados en múltiples proteínas/enzimas señalizadoras desde el receptor consiguen. Mayor especificidad: afinidades altas (Kd ~ ) y expresión específica de tejido de receptores y proteinas señalizadoras 2. Amplificación de la señal por cascadas enzimáticas 3. Mayor capacidad de desensibilización y adapatación al estímulo continuado al inhibirse proteínas transductoras intermedias. Integración de señales en la misma célula La transducción de señal implica amplificación de la señal RAS-domino Transducción de señal desde receptores de citoquinas Eritropoyetina, Trombopoyetina, G, IL-6, IL-, LIF, IL3. IL-5, GM-CSF, G-CSF, IL-2, IL-, IL-9 JAK JAK JAK JAK JAK La unión del ligando provoca su dimerización y la unión de la quinasa JAK. JAK fosforila en al receptor STAT STAT Un tipo factor de transcripción (STAT) se une a - del receptor y es a su vez fosforilado en por JAK. Los FT fosforilados son así activadas para dimerizarse y translocarse al núcleo. El dímero activa la transcripción de genes específicos. DA ACTIVACI DE LA TRASCRICI DE GEES DE RESUESTA A LAS CITCIAS 30

16 Señalización desde receptores de TGFβ y de BMs BM TGFβ RI La unión del ligando a una cadena del receptor induce la actividad quinasa de la otra RII S/T Smad Smad Co-Smad Co-Smad EL receptor fosforila en Ser/Thr un tipo de proteína que es a su vez factor de transcripción (Smad). Este FT fosforilado dimeriza con otra proteína El dímero entra al nucleo y activa genes úcleo ACTIVACI DE LA TRASCRICI DE GEES DE RESUESTA A TGFb y a BMs 3 Señalización desde el receptor de la insulina Insulina β -S-Sα -S-Sβ -S-S- α Receptor de insulina: polipéptidos unidos por puentes diusulfuro tras Insulin Receptor Substrate RAS rot. Adaptadora IRS Catalitica I3K Regulad. KB IRS-Tirosina fosfatasa - GEES MAK - - áncreas, células beta Insulina InsR tros tejidos IGF IGFR tros tejidos IGF2 IGF2R 32

17 Transmisión de señal por Insulina KB glucógeno GLUT I(,5)2 I() I (3,,5)3 I(3,)2 Glucosa - IRS fosforilado I3K Subunidad Reguladora Subunidad Catalitica AT 3 KB activa GSK3 inactiva GLUT Glucosa KB inactiva (KB = AKT) GSK3 activa Glucosa GLUT I (3,,5)3 = Fosfatildilinositol 3,,5-trisfosfato I3K = Fosfatidilinositol-3-quinasa KB = roteína kinasa B GLUT = transportador de glucosa Glucógeno Sintasa inactiva Glucógeno Sintasa activa Glucógeno 33 Síntesis de oxido nítrico 2 + C 2 C 2 C 2 C 2 2 C C - Arginina 2 AD AD+ 2 2 sintasa (emo-fad) C 2 C 2 C 2 C 2 2 C C - Citrulina + Receptor del = Guanilato ciclasa soluble (citosólico) emo cgm (Lodish et al. Molecular Cell Biology, Freeman Co. 2000) GT cgm 3

18 Activación de KG por cgm Terminal nerviosa Acetil-colina Célula de músculo liso es Arg + 2 Citrulina + Célula endotelial GT sgc cgm DE RAIDA RELAJACI DE MUSCUL LIS GM VASDILATACIÓ es: Sintetasa de óxido nítrico (endotelial) sgc: Guanilato ciclasa soluble DE: cgm fosfodiesterasa 35 The obel rize in hysiology or Medicine 998 "for their discoveries concerning nitric oxide as a signalling molecule in the cardiovascular system" Robert F. Furchgott SUY ealth Science Center Brooklyn, Y, USA. b. 96 Louis J. Ignarro University of California School of Medicine Los Angeles, US b. 9 Ferid Murad University of Texas Medical School at ouston,usa b arece una ironía del destino que me hayan prescrito de nitroglicerina como medicina. La han llamado Trinitrin para no confundir a los farmacéuticos y al público. Tu querido amigo, A. obel 36

19 Sildenafil: inihibidor de cgm fosfodiesterasa Especificidad del sildenafil sobre cgm fosdodiesterasas (DEs) Isozima rgano Actividad DE5 ene 00% GT sgc cgm DE GM DE Corazón, cerebro, vasculatura,25% DE3 Corazón 0.02% DE Corazón, pituitaria, testículos 0.2% DE6 Retina 0% (hay isoenzimas DE en total) 37 Activación de KG por cgm sgc cgm DEs GT + KG GM RELAJACI DE MUSCUL LIS cgm KG cgm KG cgm Sube en respuesta a xido itrico Guanilato ciclasa cgm Baja en respuesta a luz Fosfodiesterasa Transducina Activa roteina Quinasa G = KG 38

20 Las mismas señales y receptores distintas respuestas según la célula GCR Adenilato ciclasa cam Activacion KA glucogenolisis en IGAD apertura canal iónico impulso nervioso en EITELI LFATIV RESUESTAS IDUCIDAS R RMAS MEDIADAS R AMc Tejido ormona Respuesta igado Adrenalina, Glucagón Glucogenolisis Músculo Adrenalina Glucogenolisis Adiposo ACT, Adrenalina Lipolisis vario L Secreción de progesterona Tiroides TS Secreción de hormona tiroidea Corteza suprarenal ACT Secreción de cortisol Riñón Vasopresina Reabsorción de agua o hay que aprendérselo RESUESTAS A RMAS MEDIADAS R I3/DAG Tejido ormona Respuesta igado Vasopresina Glucogenolisis áncreas Acetilcolina Secreción de amilasa Músculo liso Acetilcolina Contracción laquetas Trombina Agregación Mastocitos (unión de antígeno) Secreción de histamina ay diferencias en los niveles de proteínas señalizadoras intermediarias y/o distintas isoformas según el tejido. 39