Membrana (III parte) AMPc. Transferencia de información a través de la membrana. Introducción ATP. Prof. Iván Rebolledo

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1 Membrana (III parte) Prof. Iván Rebolledo Introducción Para que un organismo pluricelular pueda sobrevivir y funcionar de forma eficaz, es necesario que sus componentes celulares actúen de manera coordinada. Dicha coordinación requiere de transferencia de información entre las células que integran los órganos separados por distancias variables. En la mayoría de los animales superiores existen vías de comunicación intercelular: endocrino, paracrino, autocrino y nervioso. En todos ellos se liberan sustancias químicas que deben llegar a las células blanco para modificar alguno de los procesos bioquímicos característicos de la célula, ya sea síntesis de proteínas, secreción de productos, permeabilidad de la membrana, etc. Transferencia de información a través de la membrana. Son pocos los mensajeros que penetran al interior de la célula para desencadenar los cambios funcionales específicos, la mayoría de ellos no pueden penetrar la membrana plasmática y deben transmitir la información a través de moléculas intermediarias incluidas en la misma membrana. Estas moléculas intermediarias incluyen el receptor, el transductor y el efector. La molécula que trae la información se denomina ligando y corresponde al primer mensajero. La molécula que lleva la información al interior de la célula se llama segundo mensajero. Así, la secuencia de los elementos que participan en este proceso, puede esquematizarse de la siguiente manera AMPc ATP

2 Ligandos Ejemplificando la entrega de información con el sistema endocrino, existen dos tipos de ligandos (hormonas) de acuerdo a su naturaleza química: esteroides y péptidos. Las hormonas esteroideas (estrógeno, progesterona, testosterona, entre otras) derivadas del colesterol, son liposolubles, por tanto, pueden atravesar con facilidad la membrana plasmática dependiendo de su coeficiente de partición. Las hormonas peptídicas (epinefrina, glucagon, insulina) son insolubles en lípidos, por tanto, no pueden atravesar la bicapa lipídica, de aquí que deben utilizar mecanismos especiales para actuar dentro de la célula: disponen de un receptor específico en la membrana. Estas hormonas son sustancias químicas que traen el primer mensaje o información, de aquí que son consideradas como los primeros mensajeros. Por ejemplo, la insulina trae el siguiente mensaje glucosa conviértase en glucógeno. Otro, la LH en varones le dice a las células de Leydig produzcan testosterona. Otro más, la adrenalina dice glucógeno conviértase en glucosa. Ahora bien, las hormonas liposolubles pueden entrar directamente hasta el citosol y desde allí, mediante un proceso que se explicará más adelante, influye sobre el núcleo para ejecutar su orden o información. Para comprender mejor este proceso consideramos la acción reguladora de los niveles sanguíneos de glucosa por acción de 3 hormonas peptídicas: insulina, glucagon y adrenalina (epinefrina). La primera participa en la glucogenogénesis, polimerización de la glucosa para que se convierta en glucógeno. Las otras dos participan en la glucogenolisis, degradación del glucógeno para producir glucosa. Dentro del citosol existen enzimas (proteínas) que responden a la acción indirecta de los propios ligandos, ya que ellas inducen la producción de un segundo mensajero que lleve al interior dicho mensaje. Este segundo mensajero es un nucleótido cíclico llamado AMPc (adenosin monofosfato cíclico). Glucagon, adrenalina Fosforilasa glucogenolisis Glucosa Glucógeno glucogenogénesis Insu lina Glucógeno sintetasa

3 Receptores Existiendo en el torrente sanguíneo y en el líquido intersticial que baña las células las 3 hormonas que regulan los niveles de glucosa, cómo es una célula puede captar una de ellas y rechazar las otras? La respuesta es la presencia en un momento determinado de una proteína de membrana que actúa como un receptor específico para un ligando, es decir, para que la célula sea blanco para un determinado ligando (hormona) debe poseer un receptor de membrana específico para esa hormona. Así, las células que carecen de ese receptor específico no pueden ser blanco para esos ligando y no responderán. Debemos recordar aquí algunos conceptos del capítulo Proteínas (página 65). Las proteínas intrínsecas de membrana poseen tres dominios: exterior, transmembrana y citosólico. Si alguna molécula llega a unirse a uno de los extremos, producirá cambios de conformación en el resto de la molécula, lo cual puede provocar contactos con otras moléculas de la misma membrana. Transductor Empecemos por definir esta palabra. Es un dispositivo que es capaz de transformar un tipo de energía en otro. En este caso se refiere a la proteína que puede transformar una señal hormonal en una enzimática. La principal proteína transductora es la llamada proteína G (*). Su nombre deriva de la capacidad de unir nucleótidos de guanina: GDP y GTP. Se encuentra unida a la superficie interna de la membrana. Está conformada por 3 cadenas polipeptídicas, que de mayor a menor tamaño se denominan alfa (α), beta (β) y gamma (γ). Hasta ahora se han encontrado unas 16 subunidades alfa diferentes, agrupadas en 3 familias: alfa estimuladora (α s ), alfa inhibidora (α i ) y otras (αo). Además se han encontrado 5 subunidades beta y 10 subunidades gamma diferentes, lo cual sugiere la diversidad de acciones que puede presentar. Membrana Citosol Ligando GDP Membrana Receptor Receptor (*) La proteína G fue descubierta por Alfred Gilman y Martin Rodbell por lo cual ganaron el premio Nobel de Medicina en 1994.

4 En estado de reposo, las subunidades α, β y γ forman un complejo con un GDP unido a la subunidad alfa. En cuanto el primer mensajero se une a su receptor, éste cambia de conformación y se une a una proteína G que se encuentre a su alrededor. A causa de esta unión, la subunidad alfa de la proteína G libera el GDP y adquiere un GTP. Con este reemplazo de nucleótidos, la subunidad alfa cambia su conformación, se activa y se separa del dímero beta-gamma, difundiéndose por la superficie interna de la membrana hasta encontrar el efector específico y al unirse a él lo activa. Luego, la subunidad α hidroliza el GTP para formar GDP (actúa como una GTPasa), con lo cual se inactiva, se disocia del efector y se reasocia con el dímero β-γ, volviendo así a su estado de reposo. Efectores Existen varios efectores para la subunidad alfa de la proteína G, siendo el más común y mejor estudiado la adenilil ciclasa. Otros son: la fosfodiesterasa, que regula los niveles del segundo mensajero, los canales de Ca +2 y K +. La adenilil ciclasa está estructurada por 12 segmentos transmembrana (hidrofóbicos) con 2 dominios hidrofílicos que miran hacia el citosol y en los cuales ocurre la síntesis de AMPc a partir del ATP. Membrana Citosol GDP Estimulación de la adenilil ciclasa inactiva activa GTP γ β Membrana Citosol Tomaremos como ejemplo la acción glucogenolítica de la adrenalina (epinefrina) sobre la célula hepática, mediante la cual el glucógeno se degrada a glucosa por acción de la enzima fosforilasa, que es activada indirectamente por el AMP cíclico.

5 Cuando el glucagon (o la adrenalina) que son el primer mensajero se une al su receptor específico en la membrana de los hepatocitos, provoca un cambio conformacional en la molécula del receptor. Este cambio hace que la molécula receptora tome contacto con una molécula de proteína G. La subunidad alfa de la proteína G intercambia el GDP que posee por un GTP, con lo cual se activa separándose del dímero β-γ. Luego, esta subunidad alfa se une a una molécula de adenilil ciclasa cercana provocándole un cambio conformacional, por el cual sus dominios citosólicos capturan ATP y lo convierten en AMP cíclico. Este AMPc, como se explicará más adelante, activará a la enzima que degrada el glucógeno. Una vez que la adenilil ciclasa sintetizó muchas moléculas de AMPc, la subunidad alfa hidroliza su GTP convirtiéndose en GDP, con lo cual se inactiva separándose de la molécula efectora y reasociándose de nuevo al dímero beta-gamma, para configurar otra molécula de proteína G lista para iniciar otro proceso. Se reitera aquí que la subunidad alfa, cuando está en contacto con la adenilil ciclasa actúa como una GTPasa, ya que es capaz de convertir el GTP en GDP. AMP cíclico El monofosfato de adenosina cíclico (AMPc) pertenece al grupo de pequeñas moléculas llamadas nucleótidos. Su estructura está relacionada con el ATP, que es la forma universal en que se encuentra la energía en las células. El atributo de cíclico de este AMP se refiere al hecho que el único PO 4 de la molécula forma un anillo con los átomos 3 y 5 del anillo de ribosa. Hoy día se acepta que el AMPc producido por la adenilil ciclasa en respuesta a la unión de un ligando al receptor específico de membrana actúa como un segundo mensajero, que desde la membrana retransmite el mensaje de la hormona (primer mensajero) a la maquinaria bioquímica de la célula. De esta manera, la señal de bajo nivel que representa el ligando puede ser amplificada miles de veces mediante la producción de moléculas de AMPc.

6 Los aumentos en la concentración de AMPc en una célula pueden ser regulados por una enzima de membrana llamada fosfodiesterasa, que se encarga de degradar el AMPc activo a una forma de monofosfato de adenosina NO cíclica, fisiológicamente inactivo. En su estado inactivo la protein cinasa posee 4 subunidades: dos catalíticas y dos reguladoras con sitios de unión para AMPc. reguladoras fosfodiesterasa AMPc (activo) Cinasas AMP (inactivo) Hasta este nivel del conocimiento tenemos que una hormona (ligando) para influir sobre una célula requiere de un receptor especìfico de membrana. La activación del receptor a través de la proteína G provoca una activación de la adenilil ciclasa (enzima de membrana) que libera AMPc desde un ATP. Este AMPc influye directamente sobre unas proteínas citosólicas llamadas cinasas (quinasas). catalíticas El AMPc liberado por la adenilil ciclasa se une a las subunidades reguladoras, cambiando su conformación y separándose de las subunidades catalíticas. Las subunidades catalíticas liberadas se activan y permiten la fosforilación de otras proteínas, es decir, le entregarán un PO4 para que ellas se activen o se inactiven (ya veremos esto, tranquilo) Una cinasa es una enzima capaz de transferir un PO4 de un donante (ATP) a un receptor. Cuando este aceptor es otra proteína, la cinasa se llama proteincinasa

7 En el caso del glucagon (o de la adrenalina), la proteincinasa fosforila al mismo tiempo a dos enzimas: (a) a la glucógeno sintetasa que con PO 4 se inactiva (claro, es lógico que ocurra así pues esta enzima debe inhibirse de formar glucógeno) y (b) fosforilasa cinasa que con PO 4 se activa. Veamos un esquema hasta aquí. Todo este proceso se revierte cuando los ligandos dejan de actuar sobre los receptores de membrana, con lo cual dejan de producirse los AMPc y las moléculas fosforiladas pierden ahora sus PO 4 por acción de las fosfatasas. Así, la glucógeno sintasa que estaba inactiva con PO4 se activa al perder dicho PO 4. También la fosforilasa cinasa que con PO 4 estaba activa pasa a un estado de inactivad, sin PO 4. Seguimos, la fosforilasa cinasa activa con PO 4, llega a fosforilar a la fosforilasa b (inactiva, sin PO 4 ) transformándola en fosforilasa a (activa, con PO 4 ) que es capaz de degradar la molécula de glucógeno, produciendo primero glucosa 1 PO 4 luego se convierte en glucosa 6 PO 4 dando por último glucosa que pasa al torrente sanguíneo para su utilización. Ve Ud. como una hormona que no puede entrar a la célula puede provocar que se libere glucosa hacia el exterior. Otros 2º mensajeros Explicaremos un importante fenómeno que ocurre en la retina. Allí están presentes una células llamadas bastones que son capaces de convertir las ondas luminosas en impulsos nerviosos. Es interesante aquí la participación de una proteína G denominada transducina (Gt) en la membrana de los bastones, células fotorreceptoras de la retina.

8 La membrana de estas células incluyen una proteína llamada rodopsina que tiene la capacidad de captar rayos de luz. Cuando la rodopsina recibe el impacto de los fotones, activa a la Gt, cuya subunidad alfa se une a una molécula de membrana llamada fosfodiesterasa, instruyéndola a que transforme el GMPc en GMP, con lo cual se cierran los canales de sodio, aumentando la carga negativa dentro de la célula haciendo que se hiperpolarice y genere una señal eléctrica que se transmita por el nervio óptico al cerebro para su interpretación. El ión Ca +2 es considerado como un segundo mensajero, ya que interviene como intermediario en varias funciones celulares, algunas de ellas son: (a) En la contracción muscular: cuando la fibra muscular lisa y esquelética recibe un impulso nervioso, en la membrana existen una proteínas sensibles al cambio de voltaje, que se relacionan íntimamente con otra proteína del organelo (retículo sarcoplásmico, caveolas) que contiene el calcio, con lo cual se abren los canales de calcio saliendo al citosol y provocando la contracción. de iones Ca +2 que determinan una movilización de vesículas hacia la membrana y consecuente liberación de su contenido de glucoproteínas que al captar agua llegan a formar la membrana de fecundación que impide la entrada de nuevos espermatozoides. El óxido nítrico (NO) es considerado como un transductor. La acetilcolina que influye sobre las células endoteliales determina una liberación de iones Ca +2 que activan la enzima oxido nítrico sintetasa produciendo NO desde la L-arginina Este NO difunde hacia las células musculares lisas en donde se combina con la guanilil ciclasa que libera GMPc (segundo mensajero) que se une a una proteínquinasa, la cual actúa sobre dos proteínas de membrana: una es la bomba que saca Ca +2 y la otra es la que saca K +. La salida de ambos iones determina relajación del músculo. (b) En la fecundación: la llegada de un espermatozoide a la superficie del ovocito provoca una entrada de

9 Aplicación clínica La cafeina y la teina, sustancias estimulantes contenidas en el café y té, respectivamente, actúan inhibiendo la fosfodiesterasa, manteniendo así altos los niveles de AMPc. Considerando que el cerebro requiere de 6 gr. de glucosa por hora, es lógico pensar que en las mañanas el cerebro requiere de glucosa y que debe estar despierto. Por eso, los alumnos de medicina deben considerar la posibilidad de ingerir todas las mañanas, antes de asistir a las clases de las 7 am., una buena taza de café con azúcar. La bacteria causante del cólera (Vibrio cholerae) segrega una exotoxina que penetra en las células del intestino, en donde impide la transformación del GTP en GDP por parte de la subunidad alfa de la proteína G estimuladora. Así la toxina impide que la subunidad se separe de la adenilil ciclasa y ésta continúa produciendo AMPc sin parar. Con esto las células intestinales se ven forzadas a segregar grandes cantidades de agua y electrolitos a la luz del intestino, produciendo diarrea y, consecuentemente, una deshidratación, que puede ser fatal. Uno de los grandes problemas clínicos actuales que afectan a los hombres adultos, en especial a los de la tercera edad, es la disfunción eréctil. Se ha determinado la existencia de varias fosfodiesterasas (PDE), recordemos que estas moléculas inhiben la acción de los segundos mensajeros (AMPc, GMPc); incluso han sido numeradas y precisadas en su lugar de acción. Por ejemplo, la PDE 3 actúa en la contractibilidad cardíaca, la PDE 6 se encuentra en la retina, la PDE 2 en el cerebro, etc. La PDE 5 se encuentra en la musculatura lisa de los cuerpos cavernosos del pene. Los fármacos disponibles son inhibidores específicos para la PDE5, provocando que los cuerpos cavernosos aumenten sus niveles de GMPc con lo cual relajan la musculatura lisa, permitiendo mayor afluencia de sangre a sus tejidos. Por tanto, se produce una erección.

10 1. Por qué se considera a la subunidad alfa de la proteína G como una GTPasa? 2. Se sabe que la toxina del Vibrio cholerae impide la hidrólisis del GTP en la subunidad alfa de la proteína G estimuladora. Esto trae como consecuencia molecular que: a) Se inhiba la acción de la fosfodiesterasa b) La molécula del receptor no cambie su conformación c) La subunidad alfa pueda separarse del efector d) El dímero beta-gamma se una a la adenilil ciclasa e) El efector sigue produciendo AMPc indefinidamente 3. En una situación experimental se ha detectado que por una mutación de una molécula de membrana, los niveles de AMPc han disminuido notoriamente. La unión receptor-ligando y los niveles de GTP son normales. cuál de las moléculas mencionadas podría estar mutada? a) Adenilil ciclasa b) Fosfodiesterasa c) Subunidad alfa de la proteína G d) Dímero beta-gamma de la proteína G e) Proteíncinasa 4. Cuál es la función específica de las siguientes moléculas: a) Fosfodiesterasa b) Adenililciclasa c) Glucógenosintetasa d) Proteincinasa 5. Qué es un transductor biológico? Nombre dos especificando los sitios de acción 6. Intente explicar oralmente la acción molecular de la endotoxina del cólera. 7. A qué se llama transducina y dónde se la encuentra?

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