Receptores de membrana artículo

1

Tema

9.

RECEPTORES DE MEMBRANA

TIPOS DE RECEPTORES HORMONALES Y VÍAS DE

TRANSDUCCIÓN DE SEÑALES



CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS DISTINTOS TIPOS DE

RECEPTORES DE MEMBRANA MÁS IMPORTANTES

1.

Receptores acoplados a canales de iones

2.

Receptores acoplados a Proteínas G

3.

Receptores acoplados a Enzimas

4.

Receptores de Citoquinas

1.

RECEPTORES ACOPLADOS A CANALES DE IONES

- Respuesta: muy rápida (mili segundos)

- Ligandos: moléculas orgánicas pequeñas. Los más importantes son los NEUROTRANSMISORES

- Unión (afinidad): de baja afinidad, con una KD (concentración a la cual se

produce la mitad de la unión de receptores con sus ligandos) que está en el rango micro-milimolar. Si tiene baja afinidad significa que se necesitan concentraciones altas para alcanzar la respuesta

Cuando el receptor se une con su ligando se produce un cambio de conformación que se traduce en la apertura de un canal que permite la entrada

de iones, lo que produce finalmente un cambio en el potencial de membrana - Transmisión de la señal: mediante la regulación de otros canales, es decir,

2 

Tipos más importantes de receptores acoplados a canales de iones.

Se pueden dividir en 2 grupos:

(1) Aquellos que permiten el paso de CATIONES (+)  producen una respuesta excitatoria.

- Acetilcolina - Glutamato - Serotonina - ATP

(2) Aquellos que permiten el paso de ANIONES (-)  generan respuestas inhibidoras de la señal.

- GABA (Ácido Gamma-AminoButírico) - Glicina



Ejemplo para explicar el funcionamiento del canal:

Receptor

Nicotínico de acetilcolina

(se llama nicotínico porque también se le

puede unir nicotina)

3 Cada una de las subunidades (proteínas independiente) está formada a su vez por proteínas que tienen varios dominios transmembrana (trozos de la proteína que están atravesando completamente la membrana).

*Los cilindros representan alfa-hélices.

Va haber uno de los dominios que siempre estará orientado hacia el interior y hacia el centro.

En el caso de este receptor la subunidad II es la que está orientada hacia el interior-centro y posee residuos de leucina (aa hidrófobo). La presencia de las leucinas en la alfa-hélice del dominio de ese receptor hace que el canal pueda estar cerrado para que no pasen los iones.

Cuando el ligando se une al receptor (en este caso la acetilcolina) genera un pequeño cambio de conformación que produce un mínimo cambio en las alfa-hélices, de manera que la leucina deja de estar orientada hacia el interior, disponiéndose ahora hacia la parte interna del propio canal (parte proteica del canal) y permitiendo que el canal esté abierto.

Los canales que permiten el paso de cationes/aniones suelen tener aminoácidos cargados que evitan el paso de cationes/aniones que no debieran de pasar.

Mutaciones puntuales en la estructura de la proteína (por ejemplo cambios en las leucinas) producirán alteraciones tales como que el canal esté permanentemente abierto.

4



Formas a través de las cuales se para la respuesta/señal:

I. Disociación del neurotransmisor, de manera que el canal se vuelve a cerrar. II. Cierra del canal a pesar de estar unido todavía el ligando y el ligando se

liberará en un tercer paso. Suele ser la forma más rápida.

2.

RECEPTORES ACOPLADOS A PROTEÍNAS G

Prácticamente todas las células del organismo tiene algún tipo de estos receptores y son diana de numerosos fármacos, como los

antagonistas-adrenérgicos (empleados para problemas cardíacos).

- Respuesta: algo más lenta que en los receptores acoplados a canales

- Ligandos: gran variedad (distintos tamaños) y ejercen funciones o procesos de señalización muy distintos

- Acción: autocrina, paracrina, endocrina o sináptica (neurotransmisores)

- Procesos: regulan los sentidos (olor, vista,   sabor…),   están   implicados   en   la  

contracción cardíaca y en procesos metabólicos (regulación de la lipólisis) - Unión (afinidad): media, con una KD que se encuentra en el rango

5



Funcionamiento (estructura):

La proteína G es una proteína integral transmembrana con varios dominios. Se encuentra en el interior y es inactiva cuando tiene unido GDP.

Las proteínas G tienen varias subunidades:

- SubU alfa: contiene el sitio de unión al nucleótido de guanina (GDP/GTP) - SubU beta y gamma: participan en la activación y regulación de la proteína G Cuando el ligando se une al receptor se produce un pequeño cambio de conformación que se transmite a la parte interna del receptor, que también va a favorecer un cambio de conformación en la proteína G; entonces saldrá el GDP y ya podrá entrar el GTP en el sitio de unión que queda libre.

Al unirse el GTP a la proteína G ésta queda activa, generándose un cambio de conformación: se separa la subunidad alfa de las subunidades beta y gamma (liberación de las subunidades reguladoras).

La subunidad alfa se va a desplazar y se va a unir a la molécula efectora de la señalización, que está cerca de la membrana, activándola.

La molécula efectora puede ser, en el caso de las proteínas G: - Un canal

- Una enzima

Una vez activado el efector la señalización ha de bloquearse.

El GTP se hidroliza a GDP + Pi, quedando de nuevo el GDP en el sitio de unión de la

proteína G (estado inactivo). Esta reacción es catalizada por una actividad GTPasa que contiene la propia proteína G.

La subunidad alfa ya puede volverse a unir con las subunidades reguladoras (beta y gamma) regresando a su conformación inicial.

6



EFECTOS DE TOXINAS BACTERIANAS sobre estas vías de

señalización

: bloquean que se puedan reunificar la subunidad alfa

con las subunidades reguladoras beta y gamma

Hay determinadas toxinas, como la botulínica o la del cólera, que lo que hacen es que inhiben la actividad GTPasa de las proteínas G, impidiendo su reunificación con las subunidades reguladoras (β y γ), quedando la vía de señalización permanentemente activada.

Como algunas de estas proteínas G están implicadas en la regulación de la contracción muscular del corazón, producen alteraciones en los ritmos cardíacos pudiendo llegar a provocar un paro cardíaco, ya que dejan el sistema permanentemente activado.

En el cólera la gastroenteritis que se produce se debe a la hiperactividad de uno de los canales iónicos que hace que se eliminen grandes cantidades de agua por el intersticio.



Distintos efectores para las proteínas G clasificados en 5 grupos:

1.

G

α

s

: activan a la AC



>> AMP

Tienen como efector a la adenilato ciclasa (AC) a la cual estimulan y por tanto

aumentan el AMPC.

7

2.

G

α

i

: inhiben a la AC



<< AMP

También actúan sobre la adenilato ciclasa pero disminuyendo su actividad y por tanto

disminuyen los niveles intracelulares de AMPC.

Los  ligandos  de  estas  proteínas  G  son:  acetilcolina,  neurotransmisores…

3.

G

α

q

: activan a la fosfolipasa C



>> segundos mensajeros

La señalización se lleva a cabo mediante la fosfolipasa C (actúan sobre la PLC), la cual produce un aumento intracelular de los segundos mensajeros como el inositol trifosfato o el calcio.

4.

G

α

t

: activan a la fosfodiesterasa de GMP

Se activan por la acción de la luz sobre la proteína G y actúan activando la fosfodiesterasa de GMPC.

Estas proteínas participan en el proceso de la visión.

5.

G

α

1,3

: abren canales catiónicos (Na

y H

)

Son las menos abundantes y su función es abrir canales catiónicos, es decir, que permitan el intercambio de cationes (Na+ y H+).

Las vías más importante de señalización son las de las proteínas Gs y Gi, las que actúan activando/inhibiendo a la adenilato ciclasa respectivamente. Cuando el ligando se une al receptor que tenga estas proteínas G, éstas se

8



ADENILATO CICLASA - AMP

Como ya hemos dicho, las vías más importantes de señalización a través de los receptores acoplados a proteínas G son las que actúan sobre la adenilato ciclasa, y éstas son las proteínas G que tienen las subunidades αs y αi.

Cuando el ligando se acopla a una proteína G αs sale GDP, entra GTP y la proteína que activa se une a la adenilato ciclasa, enzima que cuando está activa cataliza la formación de AMPC a partir de ATP.



PROTEÍNA KINASA A

(

PKA

)

El AMPC se va a unir a la PKA, que es una quinasa muy importante en la regulación del

metabolismo. La PKA es un tetrámero con 4 subunidades: 2 Reguladoras y 2 Catalíticas (con la actividad enzimática).

El AMPC se une a las subunidades reguladoras y al hacerlo se produce la separación de

las subunidades reguladoras de las subunidades catalíticas.

Las subunidades catalíticas libres (2C) activan la función de la PKA (actividad: unión de AMPC y separación de las subunidades).

9 Uno de los factores de transcripción que se regula por la acción de la PKA es CREB: factor de transcripción de respuesta a AMPC. Cuando se fosforila por la PKA se

dimeriza y en la forma dimérica se une al DNA y modula la transcripción de distintos genes. Es decir, se une a ciertas secuencias de DNA o elementos de respuesta a AMPC

mediante los cuales incrementa o reduce la transcripción regulada por estos genes.

3.

RECEPTORES ACOPLADOS A ENZIMAS

Hay un gran número de receptores que son enzimas, es decir, el propio receptor cuando se activa presenta actividad catalítica. Los grupos más importantes son los que presentan las siguientes actividades:

 *Actividad QUINASA*: mayoritariamente *tirosina*; también serina/treonina

 Actividad FOSFATASA

 Actividad PROTEASA

 Actividad FOSFODIESTERASA DE NUCLEÓTIDOS (como guanilato)

Los más importantes y mayoritarios son:

I. Receptores con actividad tirosina-quinasa II. Receptores con actividad guanilato-ciclasa



Características generales:

- Efectos: mucho más lentos, largos. El tiempo de duración depende mucho del receptor y puede oscilar entre minutos y horas. Por ejemplo: si se activa la enzima tardará minutos; en cambio, si se activa la transcripción tardará horas - Procesos que regulan: están implicados en la activación/inhibición de la

expresión génica, en la división celular, en la diferenciación celular y también en los procesos de apoptosis

Algunos tienen efectos muy importantes en la regulación del metabolismo, como el RECEPTOR DE INSULINA, que pertenece a este grupo. - Ligandos: proteínas

- Unión (afinidad): alta, con una KD que suele oscilar en el rango picomolar (es

10

I.

RECEPTORES CON ACTIVIDAD TIROSINA-QUINASA (RTK)

Es uno de los más importantes. Este tipo de receptores los presentan los factores de crecimiento (moléculas que inducen la división celular) así como el receptor de insulina.

Los receptores suelen ser monómeros que atraviesan la membrana en la porción extracelular donde tienen la zona de unión al ligando; la porción intracelular es la que posee la actividad catalítica tirosina-quinasa.

El receptor de insulina es una excepción porque ya se encuentra en las células en forma de dímero y el mero hecho de que se una la insulina (ligando) activa

al receptor y hace que se fosforile.

Para que el receptor se active es necesario que se unan dos moléculas del ligando y estas subunidades se aproximen (“cross linking").

-

Autofosforilación del receptor

: activación

Una vez que se ha producido la aproximación de dos receptores la actividad quinasa ya es activa y la primera diana va a ser el propio receptor, es decir, va a ser fosforilado en tirosina.

-

Fosforilación de otras proteínas

11 Una vez que se ha producido la activación a través de la autofosforilación del receptor, las otras proteínas nos pueden dar 2 vías distintas de señalización:

i.

VÍA DE LA PI

K

(Fosfatidil-Inositol-3-Kinasa) & PKB (Akt)

En el caso concreto del receptor de insulina está implicado en los efectos metabólicos de la hormona. Por ejemplo, regula el transporte de glucosa mediante la translocación de los trasportadores GLUT-4 del interior a la membrana plasmática (en musculo esquelético o tejido adiposo preferentemente), activa la glucólisis, inhibe la lipólisis…   Todas   estas   vías   que   regula   la   insulina   lo   hará   a   través   de   esta   vía   de  

señalización de la PI3K.

El receptor se autofosforila para activarse y luego se unen proteínas adaptadoras que permitirán la unión de PI3K y que sea fosforilada por el receptor, lo que le va permitir

actuar sobre su sustrato, los cuales son fosfolípidos de membrana, en particular el PI-4,5-bisfosfato. Cuando actúa la PI3K lo fosforila dando lugar al PI-3,4,5-trifosfato.

12 

PROTEÍNAS CON DOMINIOS PH: (

1

)

PKD

y (

2

)

PKB

Dos de las proteínas que presentan estos dominios PH y que se unen al PI-3,4,5-trifosfato en la membrana plasmática son 2 quinasas: PKD y la PKB.

La unión de la PKD a los inositoles de membrana la activa, y al activarse va a fosforilar a la PKB (como se han unido a la membrana van a estar físicamente al lado).

Cuando la PKB (también llamada AKT) se fosforila por un lado se activa y por otro se disocia de la membrana y se trasloca al interior de la célula, donde va a fosforilar a sus dianas.

ii.

VÍA DE LAS MAPK

(Proteína Activada por Mitógenos; factores que

inducen la mitosis): RTK

–

ras GTPasa

Es una vía muy importante porque es la vía que regula la mayor parte de los procesos de mitosis y división celular.

Los factores de crecimiento señalizan a través de esta vía para inducir que la célula se divida.

13



PROTEÍNA RAS

(proteína G):

ACTIVACIÓN DE LA VÍA DE LAS MAPK

Una vez que el receptor se ha autofosforilado se une una proteína adaptadora, que en esta vía es una proteína que finalmente va a permitir la activación de una proteína G, la proteína RAS, la cual se activa cuando se activan estos receptores.

La proteína RAS se activa como todas las proteínas G (con GTP) y cuando está activa induce la activación de la vía de las MAPK.

*Oncogén: gen que cuando muta induce un proceso tumoral. La proteína RAS está fisiológicamente en nuestro organismo y participa en procesos de división celular fisiológicos. Cuando muta se vuelve permanentemente activa.



VÍA DE LAS MAPK

PROPIAMENTE DICHA

Las MAPK son quinasas que finalmente inducen procesos de división celular y que se activan por mitógenos (factores que actúan en el ciclo celular estimulando la división celular; factores de crecimiento).

14 Tienen distintas dianas y la mayoría activan factores de transcripción y por tanto modulan la expresión génica. También fosforilan proteínas produciendo la activación de enzimas, cambios en la permeabilidad de las membranas...

 Las MAPK para ser activas tienen que ser fosforiladas por las MAPKK, las cuales también tienen que estar fosforiladas para ser activas por las MAPKKK. En muchas de las rutas la MAPKKK se activa por la proteína G.

MEK (MAPK) y Raf (MAPKK) son algunos de los nombres de las proteínas que pertenecen a este grupo.

 Como se trata de fosforilaciones, en cada uno de estos pasos necesitamos ATP, lo que conlleva un gasto energético muy grande (cuando una hormona se une a un receptor).

En un proceso tumoral se estará gastando mucho ATP ya que en los tumores estas vías de las MAPK estarán permanentemente activas.

II.

RECEPTORES CON ACTIVIDAD GUANILATO CICLASA: GMP

Este tipo de receptores atraviesa la membrana y también consta de 2 dominios: (1) Dominio extracelular  sitio de unión al ligando

(2) Dominio intracelular  donde se localiza la enzima

15 La enzima GUANILATO-CICLASA cataliza la transformación de GTP  GMPC, el cual es

un segundo mensajero que a su vez (de forma parecida al AMPC) activa a una quinasa,

la PKG.

Al igual que ocurría con el AMPC, también hay una enzima, la fosfodiesterasa, que

elimina el GMPC transformándolo en 5´-GMP, con lo que la vía se parará.

*La viagra inhibe la fosfodiesterasa, por lo que aumenta el GMPC pudiendo llegar a producirse un paro cardíaco por la activación permanente de la vía. En resumen:

I. Activación: acercamiento y dimerización de los receptores II. Guanilato-ciclasa: GTP  GMPC

III. GMPC: activación de la PKG

IV. PKG: actuación sobre distintas dianas (canales, enzimas, algún factor de transcripción…)

V. Fosfodiesterasa (eliminación del GMPC): GMPC 5´-GMP



FACTOR NATRIURÉTICO ATRIAL

(

ANF

):

vasodilatador

secretado en

respuesta a un aumento de TA



regulación de la TA

Un ejemplo de estos receptores acoplados a la guanilato-ciclasa es el FACTOR NATRIURÉTICO ATRIAL, que es una proteína que producen los cardiomiocitos (miocitos del músculo cardíaco) en respuesta a un aumento de la tensión arterial.

Lo que ocurre es que aumenta el GMPC, que a través de su señalización por PKG, en el

caso del músculo liso de los vasos donde hay estos receptores, produce la vasodilatación.

Además actúa con el fin de reducir el agua y el sodio del sistema circulatorio para reducir así la presión arterial, por lo que en las nefronas se une a canales de sodio regulando la eliminación de Na+ a nivel renal.

 Efectos del ANF:

o

o

16



FOSFOLIPASA C

:

hidrólisis del IP2

en (

1

)

DAG

y (

2

)

IP3

Además de estas vías existe posibilidad de interacciones con los receptores enzimáticos y los receptores acoplados a proteínas Gαq (de convergencia) que se producen a través de la enzima fosfolipasa C, la cual se puede activar por ambos receptores.

La fosfolipasa C hidroliza los fosfatidil inositol bifosfato, es decir, actúa sobre fosfolípidos de membrana llevando a cabo la hidrólisis del PIbisfosfato en 2 productos: (1) el diacilglicerol (DAG) y (2) el inositol trifosfato (IP3), y cada una de estas dos moléculas son segundos mensajeros.

1. Diacilglicerol (DAG). Va a permanecer anclado a la membrana por su hidrofobicidad.

2. Inositol trifosfato (IP3). Va a difundir al interior del citoplasma. Va actuar como ligando de un canal de calcio que se localiza en la membrana del RE. En el momento en el que se abre el canal sale el Ca++ del interior del RE al citoplasma (aumento brusco del calcio citoplasmático).

El Ca2+ actúa como una señal química y también como un segundo mensajero

ya que actúa como activador de distintas proteínas quinasas que se activan por la unión de calcio:

 PKC

 PK dependiente de Ca2+/calmodulina

Efectos más importantes mediados por el calcio: contracción muscular o

movimientosintracelulares  con  secreción  de  vesículas…

4.

RECEPTORES DE CITOQUINAS

*Citocinas o citoquinas: proteínas que regulan la función de las células que las producen u otros tipos celulares.

Los receptores de citocinas tienen vías de señalización menos conocidas porque éstas se conocen desde hace poco tiempo.

17 Dentro del grupo de las citosinas encontramos:

- Interleuquinas (IL): regulan los procesos de diferenciación de los leucocitos - Interferones

- Factor de necrosis tumoral (TNF) - Leptina



VÍA JAK/STAT

En general sus receptores presentan una vía de señalización que se denomina VÍA JAK/STAT.

Los receptores no son enzimas pero tras la unión de su ligando (citocina) van a activar a una enzima quinasa, la JAK (Janus Kinase).

La JAK se autofosforila y fosforila al receptor, es decir, el receptor se fosforila por acción de la JAK. El hecho de fosforilar al receptor permite que aparezcan en él dominios de reconocimiento de fosfotirosinas y en uno de esos dominios se va a unir otra proteína, la STAT (Señal Activadora y Transductora de la Transcripción), que es un factor de transcripción.

En resumen: I. Fosforilación

II. Separación del receptor III. Dimerización. Para ello tiene