Receptores de membrana

Esta familia de receptores es la más amplia. La inmensa mayoría de las moléculas implicadas en la comunicación química no pueden atravesar la membrana plasmática. Los principales subtipos de receptores serán los siguientes:

• Receptores acoplados a proteína G. • Receptores cinasas.

Figura 4. Esquema de los principales tipos de receptores de membrana. Arriba: a): receptores ionotrópicos; b) y c): receptores metabotrópicos. Abajo: I) receptor ionotrópico; II) receptor cinasa; y III) receptor asociado a proteína G.

4.1.1. Receptores asociados a proteína G

Estos receptores forman una de las familias más amplias del genoma de los mamífe- ros, representan en torno al 2-3% del total del genoma, aproximadamente unos 800-1.000 genes han sido identificados hasta el momento. La implicación de estos receptores en el funcionamiento del organismo es muy importante y abarca desde funciones metabólicas, hasta aspectos conductuales. Se han clasificado en diferentes subgrupos y la clasificación más habitual se ha realizado en función de la homología que presenta la molécula recep- tora.

De acuerdo con este criterio, los receptores asociados a proteína G se clasificarían en los siguientes subtipos, de los que los tres primeros están presentes en mamíferos:

• Familia A (familia rodopsina): en este grupo se incluye la mayor parte de los recep- tores asociados a proteína G descritos hasta el momento. Incluye receptores para rodopsina, receptores adrenérgicos y muscarínicos para acetilcolina, entre otros. • Familia B (familia de receptores para secretina): el primer receptor clonado de este subgrupo fue el de secretina. Incluye también receptores para calcitonina, hormo- na paratiroidea, glucagón, CRH, PACAP (pituitary adenylyl cyclase-activating protein). • Familia C (familia del receptor para glutamato): incluye, al menos, ocho tipos dife- rentes de receptores metabotrópicos para glutamato, el receptor tipo B para GABA y receptores sensibles al calcio.

• Familia D (receptores para feromonas de hongos). • Familia E (receptores presentes en amebas). • Familia F (receptores de arqueobacterias).

Los receptores asociados a proteína G están constituidos por tres moléculas diferen- tes:

• La molécula receptora. • La proteína G.

• La molécula efectora.

Molécula receptora

La primera molécula corresponde a una proteína que se caracteriza por presentar siete segmentos α-helicoidales transmembrana. Esta característica determina que algunos auto- res prefieran la denominación de receptores con siete hélices transmembrana (7TM), en lugar de receptores asociados a proteína G (GPCR; G-protein coupled receptor). Los segmen- tos hidrofóbicos están constituidos por 20-25 residuos de aminoácidos cada uno. El extre- mo N-terminal (amino terminal) de la cadena polipeptídica se sitúa en la parte extracelu- lar, mientras que el extremo C-terminal (carboxilo-terminal) se sitúa en la parte intracelular. Pequeñas diferencias en la secuencia de esta proteína nos permiten clasificar los diferen- tes tipos de receptores asociados a proteína G en las familias antes mencionadas.

Hasta hace poco se consideraba que cada molécula receptora se unía con una proteí- na G. En los últimos años han aparecido varios trabajos que muestran la dimerización, unión de dos proteínas receptoras, e incluso formación de tetrámeros u otros oligóme- ros, para actuar sobre la proteína G. Los primeros resultados en este sentido se obtuvie- ron en estudios realizados sobre el receptor tipo B de GABA. Estudios posteriores parecen generalizar la dimerización en otros receptores de la familia C. Otros estudios han mos- trado también dimerización en receptores de la familia A.

Vale la pena destacar la interacción existente entre los receptoresδ y κ opiáceos. Estos receptores pertenecientes a la familia A muestran una elevada afinidad por sus respecti- vos ligandos cuando están expresados individualmente, pero cuando se expresan con- juntamente muestran una muy baja afinidad por sus ligandos, excepto si también se pre- sentan al mismo tiempo sendos ligandos. En este último caso presentarán una elevada afinidad. Por otra parte, también se ha descrito que algunas proteínas receptoras pueden formar dímeros con otras proteínas. Así, por ejemplo, se ha descrito que el receptor D5 de dopamina interactúa con el extremo C-terminal del receptor de tipo A de GABA, que es un receptor ionotrópico, que abre un canal en la membrana que permite el paso de iones. Así, la oligomerización de estos receptores parece tener una gran relevancia en el funcio- nalismo y la farmacología de estos receptores.

La molécula receptora también es básica en el proceso de desensibilización de este sistema de transducción de señales. Entendemos por desensibilización la atenuación pro- gresiva de la actividad del sistema de transducción que implicará una pérdida de respues- ta fisiológica a pesar de estar presente el ligando. Se han descrito dos mecanismos de des- ensibilización, homóloga y heteróloga. El primer tipo se produce sobre moléculas unidas a su ligando, mientras que en la desensibilización heteróloga ésta se puede producir sobre cualquier molécula receptora, esté unida al ligando o no. En la desensibilización se pro- ducen tres fases:

a) Desacoplamiento de la molécula receptora y de la proteína G. b) Internalización de la molécula receptora.

c) Retorno de las moléculas receptoras a la membrana o degradación (down-regula-

tion).

Proteína G

El descubrimiento de la importancia de las proteínas G en la transducción de señales se realizó gracias a los trabajos de Martin Rodbell, quien demostró la importancia del nucle- ótido GTP (guanosine triphosphate) en la transducción de señales hormonales. Posteriormente, Alfred Gilman demostró que una proteína que se unía al GTP era intermediaria de la trans- ducción de señales en este tipo de receptores de membrana. Estos autores recibieron el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1994 por estos descubrimientos.

Las proteínas G son proteínas heterotriméricas, formadas por tres cadenas polipep- tídicas, unidas a un nucleótido de guanosina que se encarga de la transducción de la señal

producida por la activación de un receptor acoplado en proteína G. Las subunidades de esta proteína forman dos complejos, los denominados G_αy G_βγ. Cuando la proteína G no está activada, la subunidad α está unida a una molécula de GDP y a la subunidad βγ. Cuando se activa el receptor por la unión de un ligando, el GDP se transforma en GTP y el complejo α-GTP se disocia del complejo βγ. Estos dos complejos podrán interactuar con moléculas efectoras que transmiten la señal en el interior celular.

La subunidad α presenta una importante homología con las llamadas proteínas G monoméricas o proteínas G “pequeñas”. Entre estas proteínas G monoméricas podemos destacar la llamada superfamilia Ras, compuesta por familias de proteínas como Ras, Rho o Rab, entre otras. Estas proteínas G monoméricas se activan de manera parecida a la de la subunidad α. En situación de reposo, la proteína G monomérica está unida a una molé- cula de GDP, mientras que cuando se activa se une a una molécula de GTP.

La parte de la proteína G encargada del reconocimiento del receptor es la subuni- dad α. Esta subunidad también está implicada en la activación de la molécula efecto- Figura 5. Esquema del mecanismo de acción de los receptores asociados a proteína G.

ra. La subunidad bg también tiene función señalizadora, pero ésta siempre se ha con- siderado secundaria a la de la subunidad α. Por este motivo, la identidad de las prote- ínas G está determinada por la identidad de su subunidad α. Los diferentes tipos de subu- nidades α presentan una importante homología, hecho que indicaría un origen común. En función de las secuencias de la subunidad α, las proteínas G se han agrupado en cua- tro familias: G_s, G_i/o, G_q/11y G1_2/13. El primer tipo de proteína G estimula el adenilato ciclasa, regulando positivamente canales iónicos e interaccionando con tirosina-cina- sas entre otras funciones. Las proteínas Gi actuarían inhibiendo el adenilato ciclasa, mien- tras que las proteínas Gq/11 actúan sobre la fosfolipasa C. Finalmente, las proteínas

G_12/13estarían implicadas en mecanismos de señalización de la familia de proteínas Rho. En general, la activación de las proteínas G amplifica la señal que llega a la membra- na. Así, un mensajero químico que se une con un receptor puede estimular varias prote- ínas G por segundo y estas proteínas G pueden activar las moléculas efectoras durante 10- 15 segundos. Por lo tanto, una única molécula de señalización puede provocar importantes modificaciones del flujo de iones mediante la membrana, en el caso de actuar sobre cana- les iónicos; o alterar de manera relevante la concentración de segundos mensajeros, en el caso de actuar sobre sistemas enzimáticos.

La acción de la proteína G finaliza cuando la molécula de GTP es hidrolizada y trans- formada en GDP y un grupo fosfato. Este hecho permite que la subunidad α se vuelva a unir a la subunidad βγ. Este proceso es lento, lo que favorece que la subunidad Gαactive

los mecanismos efectores. Diferentes moléculas pueden intervenir en la inactivación de las proteínas G. Entre éstas podemos destacar los denominados reguladores de la señali- zación de proteínas G (RGS; regulators of G-protein signalling) que aceleran la hidrólisis del GTP, entre otras acciones.

Molécula efectora

En los subapartados anteriores ya hemos citado alguna de las posibles moléculas efec- toras que se encuentran asociadas a los receptores acoplados a proteína G. A continuación haremos un breve repaso de los principales sistemas implicados. Clasificaremos, en primer lugar, las moléculas efectoras en dos grupos: las moléculas que forman un canal iónico y, en segundo lugar, las moléculas con actividad enzimática.

1) Canales iónicos. Algunos receptores acoplados a proteína G actúan sobre cana- les iónicos presentes en la membrana celular. Mediante esta acción se modifica la permeabilidad a determinados iones y, como consecuencia, se altera la excita- bilidad de la célula. Este mecanismo de funcionamiento lo podemos encontrar en los receptores muscarínicos que regulan el ritmo y la fuerza de la contracción muscular cardíaca en respuesta a la liberación de acetilcolina por parte del ner- vio pneumogástrico.

2) Enzimas. Las proteínas G actúan fundamentalmente sobre sistemas enzimáticos, lo que provoca cambios en la concentración intracelular de diferentes molécu-

las que se denominan segundos mensajeros. Los principales sistemas implicados son:

a) Adenil ciclasa. Esta enzima es la responsable de la formación del AMPc (cyclic ade- nosine monophosphate). Esta molécula es probablemente el segundo mensajero

más importante. La molécula del AMPc se forma a partir de una molécula de ATP (adenosine triphosphate). El principal papel del AMPc es activar una enzima denominada protein-cinasa A (PKA; AMPc dependent protein-kinase), que a su vez fosforilará a otras proteínas presentes en la célula, como enzimas, receptores, proteínas de canal, histonas, factores de transcripción.

Especialmente importante es la acción sobre el factor de transcripción CREB (AMPc response element-binding protein) implicado en la neuroplasticidad y que es una diana indirecta de los antidepresivos.

Los estudios realizados han mostrado un mínimo de seis tipos diferentes de adenil- ciclasa en los mamíferos. Estos subtipos se caracterizan por presentar diferencias en su regu- lación, así como una diferente distribución en el tejido nervioso. Así, por ejemplo, los tipos Figura 7. Ejemplo de amplificación en un mecanismo dependiente de AMP cíclico.

I y III son estimulados por los complejos Ca++_{-Calmodulina, mientras que los subtipos II}

y IV son insensibles.

Entre las sustancias químicas que utilizan estos sistemas de transducción de señales podemos destacar la corticotropina (ACTH); la calcitonina; la hormona liberadora de cor- ticotropina (CRF); la dopamina, mediante los receptores D1y D2; la adrenalina, median-

te los receptores β-adrenérgicos; las hormonas estimulante del folículo (FSH) y luteini- zante (LH); la histamina; las hormonas paratiroideas; la serotonina, en sus receptores 5-HT1ay 5-HT2; la somatostatina o la hormona estimulante de la tiroides (TSH).

b) Fosfolipasa C-β. La activación de esta enzima produce dos segundos mensajeros, el inositol trifosfato (IP₃) y el diacilglicerol (DAG). Estos dos mensajeros se obtienen a partir de la degradación de un lípido de la membrana celular, el fos- fatidilinositol 4,5 bifosfato.

El inositol trifosfato es una molécula hidrosoluble que se desplazará hasta el retículo endoplasmático, en el que se unirá con receptores específicos que abrirán canales por los que saldrán las moléculas de Ca++_{almacenadas en el interior. El incremento de la concen-}

tración de Ca++_{intracelular puede provocar diferentes efectos, como activar sistemas enzi-}

máticos como la proteincinasa C, fosfodiesterasas o los sistemas dependientes de la cal- modulina.

Por su parte, el diacilglicerol colaborará en la activación de la protein cinasa C. Esta enzi- ma fosforilará residuos de serina o treonina de otras proteínas modificando su actividad. Entre los mensajeros químicos que activan este sistema, podemos destacar la acetil- colina, mediante los receptores muscarínicos µ₁; la hormona liberadora de gonadotrofi- nas (GnRH); la oxitocina; la serotonina, mediante el receptor 5-HT_1C; la hormona libera- dora de tirotropina (TRH) o la vasopresina.

Un aspecto importante de este sistema de segundos mensajeros es el hecho de que el diacilglicerol se puede degradar liberando un ácido graso poliinsaturado que se denomi- na ácido araquidónico. Esta sustancia es el paso limitante en la formación de compues- tos como los tromboxanos, las prostaglandinas y los leucotrienos. Estos compuestos, que se encuentran en casi todas las células, pueden difundir libremente a través de las mem- branas y convertirse en reguladores locales de las células vecinas. El ácido araquidónico también se obtiene por la degradación de fosfolípidos de membrana por la acción de fos- folipasa A2. Esta enzima se puede activar por la acción del Ca++, la fosforilación por la pro-

tein cinasa C o directamente por interacción con la subunidadβγ de la proteína G.

4.1.2. Receptores cinasas

Esta segunda gran familia de receptores localizados en la membrana celular se pueden clasificar en función del residuo que es fosforilado. De acuerdo con este criterio, hablamos de tirosin cinasas, serina/treonina cinasas e histidina cinasas. Este último probablemente representa uno de los más antiguos sistemas de transducción conocidos, siendo el prin- cipal sistema de quimiorreceptor en bacterias, pero no hay datos de que exista en anima- les.

Tirosin cinasas

Los receptores tirosin cinasas incluyen una amplia familia de receptores que se carac- terizan por estar formados por una proteína que presenta una única zona transmembra- na, de características hidrofóbicas, y un dominio catalítico, tirosin cinasa, altamente con- servado en el interior celular o asociado con protein tirosin cinasas intracelulares.

Generalmente los receptores con actividad tirosin cinasa presentan una estructura de dímero o forman dímeros cuando se activan. Después de la unión del mensajero quími- co en la parte extracelular del receptor se produce la activación de los dominios tirosin cina- sas que fosforilarán los grupos hidroxilos de residuos de tirosina localizados en la parte intra-

celular, o bien del receptor asociado (autofosforilación), o bien de otras proteínas citosó- licas asociadas al receptor. En el primer tipo podemos destacar los receptores para insuli- na o para factores de crecimiento, mientras que entre los receptores que tienen asociadas proteínas citosólicas con actividad enzimática se encuentran los de la hormona del creci- miento, prolactina o citocinas.

A los receptores que tienen actividad enzimática inherente, habitualmente se unen molé- culas que tienen un dominio SH2 (src homology domain). Este dominio se presenta en más de un centenar de proteínas humanas y está formado por unos 100 aminoácidos. La fun- ción de estos dominios es la de reconocer residuos de tirosina fosforilados. Entre las pro- teínas que tienen este dominio SH2 podemos destacar Grb2 (growth-factor receptor binding-

protein). Esta proteína presenta un dominio SH2 en un extremo y en el otro, un dominio

de unión a otras proteínas, como por ejemplo a un factor de intercambio de nucleótidos denominado SOS. Este factor permitirá el intercambio del GDP por GTP en la proteína G monomérica ras, que activará la enzima raf cinasa, con lo que se iniciará la activación de una cascada de enzimas denominadas MAP cinasas.

Otra proteína con dominio SH2 es la forma γ de la fosfolipasa C. Las fosfolipasas C, como se ha comentado anteriormente, son un conjunto de proteínas que actúan sobre lípi- dos de membrana, especialmente el fosfatidilinositol 4, 5 bifosfato, lo que produce inosi- Figura 9. Esquema de funcionamiento de un receptor tirosin cinasa que activa el sistema de proteínas ras. Fuente: Sitaramayya, 2009.

tol trifosfato y diacilglicérido, que actúan como segundos mensajeros. Se han identifica- do diferentes fosfolipasas C, que han sido agrupadas en 4 familias: β, γ, δ y ε. De éstas, las formas β, que son activadas por receptores asociados a proteína G, y las formas γ, que son activadas por receptores con actividad tirosin cinasa, son las más conocidas.

Otro mecanismo que utiliza estos adaptadores SH2 son las llamadas proteínas STAT (signal transducer and activator of transcription). Estas proteínas las encontramos localizadas en el citosol en su forma inactiva. Cuando se unen al complejo receptor-cinasa, estas pro- teínas fosforilan los residuos tirosina de su molécula y se disocian formando homodíme- ros que penetran en el núcleo actuando como factores de transcripción.

La interacción entre los residuos de tirosina fosforilados de un receptor activado y un dominio SH2 de una proteína efectora producirá la activación de las vías de transducción por diferentes mecanismos:

• Fosforilación de los residuos de tirosina de la molécula efectora, como sucede en el caso de la fosfolipasa C-γ.

• Inducción de cambios en la conformación de la molécula efectora. Es el caso de la activación de la enzima fosfatidilinositol 3 cinasa.

• Translocación de la molécula efectora, como en el caso de la unión Grb2-sos. Figura 10. Esquema de funcionamiento de un receptor tirosin cinasa que activa el sistema de proteínas STAT. Fuente: Sitaramayya, 2009.

En el caso de los receptores de tirosin cinasa que tienen asociadas proteínas citosóli- cas podemos destacar proteínas como Jak, que activarán mecanismos similares a los antes mencionados.

Como en el caso de los receptores asociados a proteína G, es muy importante la exis- tencia de mecanismos que aseguren la finalización y/o atenuación de la activación del recep- tor. Se han descrito varios mecanismos, desde la existencia de ligandos antagonistas que se unen en la parte externa del receptor, la formación de heterodímeros inactivos, la fos- forilación de residuos de serina/treonina o la acción de tirosin fosfatasas, que se encargan de eliminar los grupos fosfatos presentes en los residuos de tirosina.

Figura 11. Imagen en la que se pueden apreciar los diferentes mecanismos que se activan en un receptor tirosin cinasa. Fuente: Purves, 2004.

Serin/treonin cinasas

Entre las sustancias que actúan mediante receptores serin/treonin cinasa encontramos la activina, la inhibina o la hormona antimulleriana. Existe un gran número de subfami- lias de este receptor; sin embargo, estos subtipos presentan varias características comunes entre ellos e incluso con las tirosin cinasas. Entre estas características podemos destacar la reacción de protein cinasa, que en todos los casos consiste en la fosforilación de un grupo OH. También se caracterizan por que las cinasas que atraviesan la membrana presentan un único segmento transmembrana con el dominio catalítico en el interior celular, aun- que en el caso de las serin/treonin cinasas la mayoría están localizadas exclusivamente en el citosol.

La activación de las serin/treonin cinasas puede suponer la activación de diferentes vías intracelulares, entre las que podemos destacar la activación de las llamadas proteínas smads, que están implicadas en mecanismos de transcripción genética.

4.1.3. Receptores ionotrópicos

El último tipo de receptor de membrana que comentaremos son los llamados recep-