UNIVERSIDAD CENTROCCIDENTAL “LISANDRO ALVARADO” DECANATO DE CIENCIAS DE LA SALUD PROGRAMA DE MEDICINA SECCIÓN BIOQUÍMICA
Bioquímica II Semana II
Profesor Luis Labrador
RECEPTORES PARA MOLÉCULAS DE SEÑALIZACIÓN EXTRACELULAR
A) Receptores unidos a canales iónicos
De Superficie
B) Receptores acoplados a Proteínas G
C) Receptores unidos a Enzimas (Tirosina-Quinasas y otros) RECEPTORES
Intracelulares
Receptores Metabotrópicos. Usados prácticamente por todas las células
Quinasas ATP
ADP
P Proteína Activa
Proteína Inactiva
P
Fosfatasas
Proteínas G GDP
Señal GTP
GTP
GDP Proteína G Activa
Proteína G inactiva P GTP-asa
Proteínas Ras phophoTRK-GRB
SOS
GDP
GTP
GDP
GTP
Ras inactiva
Ras Activa
P
AutoGTP-asa
GAP GEF: Intercambiador de nucleótidos de Guanina. GAP: Proteína Activadora de la GTPasa
Señal
Raf
PROTEÍNA G MONOMERICA RAS
PROTEÍNA G HETEROTRIMERICA
SEÑALIZACIÓN POR MEDIO DE PROTEÍNAS G En una fracción de membrana aislada la señalización inducida por un agonista producía una respuesta únicamente en presencia de GTP.
Dr. Gilman
Dr. Rodbell
Premio Nobel en Medicina 1994
SEÑALIZACIÓN POR MEDIO DE PROTEÍNAS G R.A.P.G. Son la familia más grande de receptores de superficie celular encontrada en todos los organismos eucariotas. Especializados en mediar respuestas lentas a una gran variedad de moléculas señalizadoras con diversa naturaleza bioquímica. Proteínas, péptidos, ácidos grasos, aminoácidos, ésteres, aminas. A pesar de la heterogeneidad bioquímica de las moléculas de señalización a la cuales responden todos los R.A.P.G. poseen estructuras similares Desde el punto de vista de la transmisión de la información, los R.A.P.G. representan UNO de los TRES elementos del sistema de transducción de las señales lentas…..RECEPTOR, TRANSDUCTOR, EFECTOR. DURACIÓN: Milisegundos-minutos La respuesta final se mantiene tiempo después de que la señal de iniciación ha desaparecido.
SEÑALIZACIÓN POR MEDIO DE PROTEÍNAS G
Duración: Milisegundos-Minutos.
La respuesta final (EFECTO BIOLOGICO) se sigue expresado a pesar de que haya desaparecido la SEÑAL
L λ β
α α
GTP GDP
Segundo mensajero
Transductor
Cascada de señalización
SEÑALIZACIÓN POR MEDIO DE PROTEÍNAS G Proteínas G: Transductores del sistema La activación requiere: -INTERACCIÓN CON EL ELEMENTO RECEPTOR ACTIVADO. -INTERCAMBIO DE GDP POR GTP -PÉRDIDA DE SU ESTRUCTURA HETEROMÉRICA: Disociación
Proteínas G GDP
Señal GTP
GDP
GTP
Proteína G Activa
Proteína G inactiva
Pi GTP-asa
SEÑALIZACIÓN POR MEDIO DE PROTEÍNAS G EL COMPLEJO LIGANDO-RECEPTOR ACTÚA COMO COMPLEJO ENZIMATICO L λ
α
α
β GDP
GTP λ β
λ
α
β GDP
α GDP
SEÑALIZACIÓN POR MEDIO DE PROTEÍNAS G Proteínas G GDP
Señal GDP
GTP
GTP
Proteína G Activa
Proteína G inactiva Pi GTP-asa
1.-CAPTACIÓN DE LA INFOMACIÓN: Formación del complejo L-R 2.-TRANSFERENCIA DE LA INFORMACIÓN: Activación de la proteína G (Intercambio GDP/GTP y disociación del complejo α-βγ)
3.-INTERNALIZACIÓN DE LA INFORMACIÓN: Activación del efector La Proteína G activada es capaz de MODULAR LA ACTIVIDAD DEL EFECTOR
EFECTORES
Complejos proteínico enzimáticos o no. -Enzimáticos: Adenilciclasa, Guanidilciclasa, fosfolipasas, proteinquinasas. -No enzimáticos: Canales iónicos.
REGULACIÓN DE LA CONCENTRACÓN INTRACELULAR DE SEGUNDOS MENSAJEROS (AMPc, GMPc, DAG, IP3, Calcio)
REGULAR LA ACTIVIDAD DE LOS COMPONENTES DE DIFERENTES PROCESOS METABÓLICO
EFECTO BIOLÓGICO
RUTA DE PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN
1.-CONDICIONES DE REPOSO: Los componentes del sistema se encuentran en estado disociado (Receptor, PG, EFECTOR)
2.-La unión de la señal (formación del complejo L-R) produce la activación del receptor….Adquiere la capacidad de activar-transformar el TRANSDUCTOR. 3.-El complejo L-R activo se une al Transductor y lo activa (Intercambio de GDP por GTP y disociación de los componentes de la PG). 4.-El transductor activo es capaz de unirse al efector para modular su actividad. La activación del efector conduce a la producción de SEGUNDOS MENSAJEROS. 5.-La inactivación del transductor depende su actividad GTP-asa intrínseca (la subunidad α es una GTP-asa) 6.-La inactivación del transductor induce la reasociación del complejo α-βγ
EL CICLO FOSFORILACIÓN-DEFOSFORILACIÓN DETERMINA EL TIEMPO EN EL QUE PERMANECE ACTIVADO CADA INTEGRANTE DE LA CASCADA DE SEÑALIZACIÓN
El tiempo necesario para expresar la respuesta biológica final depende de la naturaleza del complejo proteico activado
Canal iónico: RESPUESTA RÁPIDA
-Proteína Sustrato es una enzima involucrada en la síntesis, almacenamiento, liberación de una hormona o neurotransmisor. Quinasadependiente de 2º mensajero: RESPUESTA INTERMEDIA
-Prote铆na Sustrato funciona como factor de transcripci贸n:
RESPUESTA LENTA
COMPONENTES DE LA CASCADA DE SEÑALIZACIÓN INICIADAPOR LOS RECEPTORES ACOPLADOS A PROTEÍNA G
RECEPTOR
PROTEÍNA G
RECEPTOR Proteínas monoméricas(única cadena polipeptídica) Proteínas integrales de membrana Poseen 7 dominios transmembrana
Extremo aminoternimal EXTRACELULAR Extremo carboxilo terminal CITOSÓLICO Tres asas hidrofílicas EXTRACELULARES (Ie, IIe, IIIe)
Tres asas hidrofílicas INTRACELULARES (Ii, IIi, IIIi)
EFECTOR
COMPONENTES DE LA CASCADA DE SEÑALIZACIÓN INICIADAPOR LOS RECEPTORES ACOPLADOS A PROTEÍNA G
RECEPTOR
PROTEÍNA G
EFECTOR
GTP-asa grandes (Heterotriméricas) compuestas por una subunidad α una β y una λ λ
λ
α
α
β
β
FUNCIONALMENTE compuesto por una subunidad α una subunidad β λ …….INDEPENDIENTES λ β
α
λ β
α
¿Cómo definir una proteína G activada?
-Subunidad α unida a GTP -Disociación del heterotrímero βγ L λ β
α α
GTP GDP
Segundo mensajero
Cascada de señalización
TOXINAS QUE ACTÚAN SOBRE LAS PROTEÍNAS G
A.-TOXINA COLÉRICA (Vibrio cholerae): Cataliza la Ribosilación de la subunidad α de Gs, lo que produce la inhibición de su actividad GTP-asa.
¿ACTIVA O INACTIVA LA SEÑALIZACIÓN VÍA PROTEÍNA Gs?
Proteínas G GDP
Señal GDP
GTP
GTP Proteína G Activa
Proteína G inactiva Pi GTP-asa
RIBOSA
A.-TOXINA PERTUSIS (B. pertusis): Cataliza la Ribosilación de la subunidad α de Gi (unida a GDP), lo que produce la inhibición del intercambio GDP por GTP.
¿ ACTIVA O INACTIVA LA PROTEÍNA Gi?
Proteínas G GDP
Señal GDP
GTP Proteína G Activa
Proteína G inactiva RIBOSA
GTP
Pi GTP-asa
La subunidad alfa determina la identidad de la Proteína G. Existen diferentes tipos de Proteínas G Agrupadas en familias
FAMILA
MIEMBRO
ACCIÓN MEDIADA POR
EFECTOR ADENILCICLASA
Gs
α
Golf
α
ADENILCICLASA
α
ADENILCICLASA
I
Gi II
III
βλ
Go
βλ
Gt
αyβλ
Gq
α
CANALES DE CALCIO
CANALES DE POTASIO CANALES DE POTASIO CANALES DE CALCIO GMPc-FOSFODIESTERASA FOSFOLIPASA C
βγ
FUNCIÓN PRINCIPAL: MANTIENE A LA SUBUNIDAD α EN FORMA DE TRÍMERO (INACTIVA) βγ ES INTERCAMBIABLE……papel de las Gi LA SUBUNIDAD βγ ES NECESARIA PARA LA ACTIVACIÓN DE LA SUBUNIDAD α (modula el intercambio de nucleósidos)
L1
R1
λ β
α 1
α 1 λ β
L2
R2
λ β
α 2
α 2
La activación de un Proteína Gi induce la liberación de las subunidades βγ
αβγ
L1
R1
α
λ β
+
βγ α 1
α 1 λ β
L2
R2
λ
β
α 2
α 2
Tomando en cuenta que: 1.-La concentración de Gi es mayor que la concentración de Gs. 2.-Las αs tiene mayor afinidad que αi para unir la subunidad βγ
La acción inhibitoria de la Proteína Gi se ejerce mediante la REASOCIACIÓN de las subunidades Gs presentes MECANISMO DE ACCIÓN DE LA ACETILCOLINA SOBRE LAS CÉLULAS MIOCÁRDICAS Para que la activación de la Proteína Gi inducida por el Receptor Colinérgico Muscarínico tenga efecto es necesaria una activación basal de la proteína Gs inducida por el receptor β-adrenérgico.
L1
R1
αs
λ β
αs
λ Adenilciclasa
β L2
R2
λ β
αi
? αi
Proteínas G GDP
L-R GDP
GTP
GTP Proteína G Activa
Proteína G inactiva P GTP-asa
Actividad Relativa de la Proteína G
G-GTP G-GDP
Velocidad de intercambio GDP/GTP Velocidad de hidrólisis de GTP
Condiciones Basales Actividad Relativa de la Proteína G
Velocidad de intercambio GDP/GTP
Velocidad de hidrólisis de GTP
Predominio de la forma INACTIVA ( 90 %)
<<<<< 1
En presencia del complejo LIGANDO-RECEPTOR Actividad Relativa de la Proteína G
Velocidad de intercambio GDP/GTP Velocidad de hidrólisis de GTP
>>>> 1
Predominio de la forma ACTIVA ( 60 %) De la ecuación anterior, la Velocidad de intercambio GDP/GTP depende de la actividad del Receptor activado…. DETERMINA LA VELOCIDAD CON LA QUE SE RECAMBIA EL GDP POR EL GTP. EL COMPLEJO LIGANDO-RECEPTOR SE COMPORTA COMO UNA ENZIMA, POR LO QUE SU ACTIVIDAD INTRÍNSECA (ACTIVIDAD MOLECULAR) SE PUEDE CUANTIFICAR
¿Cuál es la definición de Actividad Molecular?
ACTIVIDAD MOLECULAR: Cantidad de moléculas de sustrato (G-GDP) transformadas por un mol de enzima (L-R) en una unidad de tiempo. Mientras mayor sea el número recambio (ACTIVIDAD MOLECULAR) menor será el tiempo necesario para la transformación de G-GDP en G-GTP.
Ejemplos: 1.- Nº Recambio = 60 60 moléculas de G-GDP son transformadas a G-GTP por un mol L-R en un minuto. 60 moléculas en 60 seg……1 molécula por segundo. 1 molécula se activa en 1 segundo
2.- Nº Recambio = 600 600 moléculas de G-GDP son transformadas a G-GTP por un mol L-R en un minuto. 600 moléculas en 60 seg……10 molécula por segundo. 1 molécula se activa en 0,1 segundo
Actividad Relativa de la Proteína G
G-GTP G-GDP
Velocidad de intercambio GDP/GTP Velocidad de hidrólisis de GTP
De la ecuación anterior, la Velocidad de intercambio hidrólisis de la G-GTP depende de la actividad GTP-asa intrínseca de la subunidad α LA SUBUNIDAD α-GTP ES UN CATALIZADOR LENTO…..GTP-asa LENTA.
G-GTP vida media ≈15 segundos
Si el tiempo necesario para transformar una proteína G es mucho menor que su vida biológica, entonces, un complejo L-R puede transformar (activar) a más de una G-GDP
λ
α
β
L
λ
λ β
α
λ
β
β
λ
λ
β
α
α
β
α
α
R E S P U E S T A
La RESPUESTA MÁXIMA se alcanza con la activación de una pequeña fracción de receptores
Si el tiempo necesario para transformar una proteína G es igual o mayor que su vida biológica, entonces,
λ
L
L
L
α
β
λ
λ β
α
λ
β
β
λ
λ
β
α
α
β
α
α
R E S P U E S T A
La RESPUESTA MÁXIMA se alcanza con la activación de todos los receptores
多Es posible modular la actividad molecular de un receptor determinado?
KM: Concentración de ligando necesaria para ocupar el 50% de los receptores…..ES CONSTANTE………AFINIDAD. Entonces: A una concentración de ligando siempre estará ocupado el mismo porcentaje de receptores
CANTIDAD TOTAL DE RECEPTORES % RESPUESTA BIOLOGICA
100
50
20
10 5
LIGANDO
% RECEPTORES OCUPADOS
200
La sensibilidad del sistema puede ser modulada mediante el control del nĂşmero de receptores de reserva La cantidad de receptores de reserva es directamente proporcional a la sensibilidad del sistema
Nota: Asumiendo que es resto de los elementos del sistema no modifican sus propiedades
EFECTORES ACOPLADOS A POTEÍNAS G
Constituyen un grupo heterogéneo de proteínas con actividad enzimática, con la capacidad de modular la concentración intracelular de segundos mensajeros, o sin actividad enzimática tales como canales iónicos con la capacidad de modular corrientes iónicas trasmembrana específicos. AMPc
ADENILCICLASA
DAG
FOSFOLIPASAS (C, D A2,) CANALES IÓNICOS
IP3 Calcio
Adenilciclasa
MEMBRANA
M1
M2
H2+N
C2
C1
COO-
Cataliza la producci贸n de AMPc a partir de ATP en presencia de Magnesio
AC-Mg2++
ATP +
Mg2++
AMPc PPi
Adenilciclasa
De este esquema se deduce que la concentraci贸n intracelular de AMPc depende del balance entre sus s铆ntesis (Adenilciclasa) y su eliminaci贸n (fosfodiesterasa).
ADENILCICLASA
FOSFODIESTERASA
Adenilciclasa
LA Subunidad βγ es capaz de modular la función de la Adenilciclasa
Adenilciclasa I: Activada por αs, inhibida por el aumento de la concentración βγ
Adenilciclasa II, IV, VII: Activada por el aumento de la concentración de βγ pero sólo en presencia de la subunidad αs
Adenilciclasa
Adenilciclasa
L1
R1
αs
λ β
αs
λ Adenilciclasa
β L2
R2
λ β
αi
? αi
Adenilciclasa
AMPc es el factor alostérico específico de las enzimas quinasas, PROTEINAS QUINASAS A (dependientes AMPc)
ADENILCICLASA
AMPc
PKA
EFECTO BIOLÓGICO
Adenilciclasa Transportado al espacio extracelular
L λ β Subunidad regulatoria
α α GDP
R PKA
AMPc Subunidad catalítica
AMPc ATP
GTP
Fosfodiesterasa
R C
R C
5’-AMP
C
Núcleo Fosforilación de enzimas citosólica
CREB
CREB
TGACGTCA
PO4
PO4 CREB CREB TGACGTCA
Regulación de la expresión génica mediada por AMPc
Incremento de la transcripción
Adenilciclasa
Regulación de la actividad de la adenilciclasa 1.- Fosforilación
PKC
ADENILCICLASA
AMPc V y VI
2.- Calcio:Calmodulin
Ca+2
Go
ADENILCICLASA I, III y VIII
PKA
EFECTO BIOLÓGICO
Fosfolipasas
Enzimas de membrana que hidrolizan enlaces fosfodiéster presentes en los fosfolípidos. MEMBRANA PLA2
PLC
PLD
PLC: DAG, IP3 PLD: DAG PLA2: Ac. Araquidónico ACTIVADAS POR LAS PROTEÍNAS Gq
Fosfolipasas
Fosfolipasas
R2: ÁCIDO ARAQUIDÓNICO X: DIACILGLICEROL
Fosfolipasas PLC Fosfolipasas C: Selectivas para los polifosfoinositoles, tal como el PIP2 (fosfatidilinositol 4,5 difosfato).
PIP2
DGA ACTIVA PKC ACTIVA RECEPTORES CISTERNALES
IP3
Fosfolipasas C
Fosfolipasas PLC
La fosfolipasa C tipo β es activada principalmente por αq, pero βγ también puede activar isoformas específicas de la FLC (procedente de otras proteínas G)
DAG IP3
Proteína Quinasa C Proteínas fosforilables Receptores para IP3 en el retículo endoplasmático Aumento de Ca2+
¿Pueden las Proteínas Gq modular la actividad de la ADENILCICLASA?
Regulación de la actividad de la adenilciclasa 1.- Fosforilación
PKC
ADENILCICLASA
AMPc
DGA
PKA
EFECTO BIOLÓGICO
V y VI 2.- Calcio:Calmodulin
Gq
IP3
Ca+2
Gq
Go
ADENILCICLASA I, III y VIII
Fosfolipasas PLD L Receptor
α7 Colina
GTP
α7
λ
λ
β
β
αq
αq GDP
GDP
PIP2 IP3
GTP DGA
DGA
+
PKC
Ca2+ CaM quinasa
Ca2+-Calmodulina
Calmodulina
Ca2+ Ca2+
Fosforilación de enzimas citosólica
Núcleo
+
+ C-fos C-jun TGACTCA
CREB
CREB
TGACGTCA
Incremento de la transcripción
Fosfolipasas PLA2 Activada por el dímero βγ
Libera los ac. Grasos en la posición 2 de los fosfolípidos (Ac. Araquidónico)
Fosfolipasas PLA2