7.9: Señalización

Fuente: BiochemFFA_7_8.pdf. Todo el libro de texto está disponible gratuitamente de los autores en http://biochem.science.oregonstate.edu/content/biochemistry-free-and-easy

Hasta este punto hemos considerado cómo las células llevan a cabo reacciones bioquímicas y cómo regulan la expresión de los genes en respuesta a sus entornos internos y externos. Es intuitivamente obvio que incluso los organismos unicelulares deben ser capaces de percibir características de su entorno, como la presencia de nutrientes, para que puedan sobrevivir. Además de poder recibir y responder a la información del medio ambiente, los organismos multicelulares también deben encontrar formas por las cuales sus células puedan comunicarse entre sí.

Coordinación

Dado que diferentes células asumen funciones especializadas en un organismo multicelular, deben ser capaces de coordinar actividades. Las células crecen, se dividen o se diferencian en respuesta a señales específicas. Pueden cambiar de forma o migrar a otra ubicación. A nivel fisiológico, las células de un organismo multicelular, deben responder a todo, desde una comida recién consumida hasta lesiones, amenazas, o la disponibilidad de un mate. Deben saber cuándo dividirse, cuándo sufrir apoptosis (muerte celular programada), cuándo almacenar los alimentos y cuándo descomponerlos. Una variedad de mecanismos han surgido para garantizar que la comunicación célula-célula no solo sea posible, sino asombrosamente rápida, precisa y confiable.

¿Cómo se envían las señales entre celdas? Como prácticamente todo lo que sucede en las células, la señalización depende del reconocimiento molecular. El principio básico de la señalización célula-célula es simple. Un tipo particular de molécula, enviada por una célula de señalización, es reconocida y unida por una proteína receptora en (o sobre la superficie de) la célula diana. Las moléculas señal son químicamente variadas, pueden ser proteínas, péptidos cortos, lípidos, nucleótidos o catecolaminas, por nombrar algunas.

Propiedades de la señal

Las propiedades químicas de la señal determinan si sus receptores están en la superficie celular o intracelulares. Si la señal es pequeña e hidrofóbica puede cruzar la membrana celular y unirse a un receptor dentro de la célula. Si, por otro lado, la señal está cargada, o muy grande, no sería capaz de difundirse a través de la membrana plasmática. Dichas señales necesitan receptores en la superficie celular, típicamente proteínas transmembrana que tienen una porción extracelular que se une a la señal y una parte intracelular que transmite el mensaje dentro de la célula (Figura 7.130).

Los receptores son específicos para cada tipo de señal, por lo que cada célula tiene muchos tipos diferentes de receptores que pueden reconocer y unir las muchas señales que recibe. Debido a que las diferentes células tienen diferentes conjuntos de receptores, responden a diferentes señales o combinaciones de señales. La unión de una molécula señal a un receptor desencadena una cadena de eventos en la célula diana. Estos eventos podrían causar cambios de diversas maneras, incluyendo, pero no limitado a, alteraciones en las vías metabólicas o la expresión génica en la célula diana.

Cómo la unión de una señal a un receptor provoca cambios en las células es el tema de esta sección. Examinaremos algunos de los principales tipos de receptores y las consecuencias de la unión de la señal a estos receptores. Aunque los componentes moleculares específicos de las diversas vías de transducción de señales difieren, todos tienen algunas características en común (Figura 7.131):
• La unión de una señal a su receptor suele ir seguida de la generación de una nueva (s) señal (s) dentro de la célula. El proceso por el cual la señal original se convierte a una forma diferente y se transmite dentro de la célula para provocar el cambio se llama transducción de señales.
• La mayoría de las vías de señalización tienen múltiples etapas de transducción de señales mediante las cuales la señal se transmite a través de una serie de mensajeros moleculares que pueden amplificar y distribuir el mensaje a varias partes de la célula.
• El último de estos mensajeros suele interactuar con una (s) proteína (s) diana y cambia su actividad, a menudo por fosforilación.
• Cuando una señal pone en movimiento una ruta particular, actúa como un interruptor ON. Esto significa que una vez que se ha obtenido el resultado deseado, la celda debe tener un mecanismo que actúe como interruptor OFF.

Comprender esta similitud subyacente es útil, porque aprender los detalles de las diferentes vías se convierte en una mera cuestión de identificar qué componente molecular realiza una función particular en cada caso individual. Consideraremos varias vías diferentes de transducción de señales, cada una mediada por un tipo diferente de receptor.

Receptores de canales iónicos regulados por ligando

La más simple y rápida de las vías de señal se observa en el caso de las señales cuyos receptores son canales iónicos regulados (Figura 7.132). Los canales iónicos cerrados están formados por múltiples proteínas transmembrana que crean un poro, o canal, en la membrana celular. Dependiendo de su tipo, cada canal iónico es específico para el paso de una especie iónica particular. El término “cerrado” se refiere al hecho de que el canal iónico está controlado por una “puerta” que debe abrirse para permitir el paso de los iones. Las puertas se abren mediante la unión de una señal entrante (ligando) al receptor, permitiendo el paso casi instantáneo de millones de iones de un lado de la membrana al otro. Los cambios en el ambiente interior de la célula se producen así en microsegundos y en un solo paso.

Respuesta rápida

Este tipo de respuesta rápida se observa, por ejemplo, en las uniones neuromusculares, donde las células musculares responden a un mensaje de la célula nerviosa vecina (Figura 7.133). La célula nerviosa libera una señal de neurotransmisor en la hendidura sináptica, que es el espacio entre la célula nerviosa y la célula muscular con la que está “hablando”. Un ejemplo de tal señal de neurotransmisor es la acetilcolina. Cuando las moléculas de acetilcolina se liberan en la hendidura sináptica, se difunden rápidamente hasta llegar a sus receptores en la membrana de la célula muscular. La unión de la acetilcolina a su receptor, un canal iónico en la membrana de la célula muscular, hace que la puerta en el canal iónico se abra. El flujo de iones resultante a través del canal puede cambiar inmediatamente el potencial de membrana de la célula. Esto, a su vez, puede desencadenar otros cambios en la celda.

La velocidad con la que se producen cambios en la señalización de neurotransmisores es evidente cuando piensas en la rapidez con la que retiras tu mano de una superficie caliente. Las neuronas sensoriales llevan información al cerebro desde tu mano sobre la superficie caliente y las neuronas motoras señalan a tus músculos para mover la mano, ¡en menos tiempo del que te llevó leer esta frase!

Receptores de hormonas nucleares

Los receptores para señales como las hormonas esteroides son parte de un gran grupo de proteínas conocidas como la superfamilia de receptores de hormonas nucleares. Estos receptores reconocen y se unen no sólo a las hormonas esteroides, sino también al ácido retinoico, a la hormona tiroidea, a la vitamina D y a otras señales. El subconjunto de los receptores hormonales nucleares que se unen a las hormonas esteroides son proteínas intracelulares. Las hormonas esteroides (Figura 7.135), como usted sabe, están relacionadas con el colesterol, y como moléculas hidrófobas, son capaces de cruzar la membrana celular por sí mismas. Esto es inusual, ya que la mayoría de las señales que llegan a las células son incapaces de cruzar la membrana plasmática, y por lo tanto, deben tener receptores de superficie celular.

Una vez dentro de la célula, las hormonas esteroides se unen a sus receptores, los cuales pueden residir en el citoplasma o en el núcleo. Los receptores de hormonas esteroides son proteínas con una doble vida: en realidad son reguladores latentes de la transcripción que son inactivos hasta que una hormona esteroide se une y provoca un cambio conformacional en ellos. Cuando esto sucede, los receptores, con la hormona unida, se unen a secuencias reguladoras en el ADN y modulan la expresión génica. Debido a que los receptores de hormonas esteroideas actúan modulando la expresión génica, las respuestas a las hormonas esteroides son relativamente lentas. (También hay algunos efectos de las hormonas esteroides que no implican regulación transcripcional, pero la mayoría trabajan cambiando la expresión génica). Al igual que otros activadores transcripcionales, los receptores de esteroides tienen un dominio de unión a ADN (DBD) y un dominio de activación. También tienen un dominio de unión a ligando (LBD) que se une a la hormona.

Receptor de glucocorticoides

Ejemplos de tales vías de señalización son las mediadas por el receptor de glucocorticoides (Figuras 7.136 y 7.137). Los glucocorticoides, a veces descritos como hormonas del estrés, son producidos y secretados por la corteza suprarrenal. Fisiológicamente, sirven para mantener la homeostasis ante el estrés y exhiben fuertes propiedades antiinflamatorias e inmunosupresoras. Debido a estos efectos, los glucocorticoides sintéticos se utilizan en el tratamiento de una serie de enfermedades, desde el asma y la artritis reumatoide hasta la esclerosis múltiple. Todos estos efectos están mediados a través de la vía de señalización que comienza con la unión de una hormona glucocorticoide a su receptor. Recordemos que los esteroides pueden atravesar la membrana plasmática, por lo que los glucocorticoides pueden difundirse hacia la célula y unirse a sus receptores que están en el citoplasma.

En ausencia de la señal, los receptores de glucocorticoides se encuentran unidos a una chaperona proteica, Hsp90 (Figura 7.137). Esto evita que los receptores sean transportados al núcleo. Cuando una molécula de glucocorticoide se une al receptor, el receptor experimenta un cambio conformacional y se disocia de la Hsp90. El receptor, entonces, con la hormona unida, se transloca al núcleo. En el núcleo, puede aumentar la transcripción de genes diana mediante la unión a secuencias reguladoras específicas (HRE marcado para elementos de respuesta hormonal). La unión del complejo hormona-receptor a los elementos reguladores de genes sensibles a hormonas modula su expresión. Muchos de estos genes codifican proteínas antiinflamatorias, y su mayor producción explica el efecto fisiológico de las terapias con corticosteroides.

Las vías de los receptores de esteroides son relativamente simples y solo tienen un par de pasos (Figura 7.138). La mayoría de las otras vías de señalización implican múltiples pasos en los que la señal original se transmite y se amplifica a través de una serie de pasos intermedios, antes de que la célula responda a la señal.

Receptores de superficie celular

Ahora veremos dos vías de señalización, cada una mediada por una clase principal de receptores de superficie celular: los receptores acoplados a proteínas G (GPCR) y las tirosina quinasas receptoras (RTK). Si bien los detalles específicos de las vías de señalización que siguen la unión de las señales a cada uno de estos tipos de receptores son diferentes, es más fácil aprenderlas cuando se puede ver qué tienen en común las vías, es decir, la interacción de la señal con un receptor, seguido de la retransmisión y amplificación del señalizar a través de un número variable de moléculas intermedias, interactuando la última de estas moléculas con una diana o proteínas diana y modificando su actividad en la célula.

Receptores acoplados a proteína G

Los receptores acoplados a proteínas G (GPCR) están involucrados en las respuestas de las células a muchos tipos diferentes de señales, desde la epinefrina, a los olores, a la luz. De hecho, una variedad de fenómenos fisiológicos que incluyen visión, gusto, olfato y la respuesta de lucha o huida están mediados por los GPCR. ¿Qué son los receptores acoplados a proteínas G?

Los receptores acoplados a proteínas G son receptores de la superficie celular que transmiten las señales que reciben con la ayuda de proteínas de unión a nucleótidos de guanina (también conocidas como proteínas G). Antes de pensar más sobre las vías de señalización aguas abajo de los GPCR, es necesario conocer algunos datos importantes sobre estos receptores y las proteínas G que los ayudan.

Aunque hay cientos de receptores acoplados a proteínas G diferentes, todos tienen la misma estructura básica (Figura 7.139):

Todos ellos consisten en una sola cadena polipeptídica que se enrosca de ida y vuelta siete veces a través de la bicapa lipídica de la membrana plasmática. Por esta razón, a veces se les llama receptores transmembrana de siete pasos (7TM). Un extremo del polipéptido forma el dominio extracelular que se une a la señal mientras que el otro extremo está en el citosol de la célula.

Cuando un ligando (señal) se une al dominio extracelular de un GPCR, el receptor experimenta un cambio conformacional, en su lado citoplásmico, que le permite interactuar con una proteína G que luego pasará la señal a otros intermedios en la vía de señalización.

Proteínas G

¿Qué es una proteína G? Como se señaló anteriormente, una proteína G es una proteína de unión a nucleótidos de guanina que puede interactuar con un receptor unido a proteína G. Las proteínas G se asocian con el lado citosólico de la membrana plasmática, donde están idealmente situadas para interactuar con la cola del GPCR, cuando una señal se une al GPCR. Hay muchas proteínas G diferentes, todas las cuales comparten una estructura característica- están compuestas por tres subunidades llamadas α, β y γ (Figura 7.140). Debido a esto, a veces se les llama proteínas G heterotriméricas (hetero=diferente, trimérica= que tiene tres partes).

Vinculación a ligando

El sitio de unión al nucleótido guanina se encuentra en la subunidad α de la proteína G. Este sitio puede vincular PIB o GTP. La subunidad α también tiene una actividad GTPasa, es decir, es capaz de hidrolizar una molécula de GTP unida a ella en GDP.

En el estado no estimulado de la célula, es decir, en ausencia de una señal unida al GPCR, las proteínas G se encuentran en forma trimérica (α-β-γ unidas entre sí) y la subunidad α tiene una molécula GDP unida a ella. De esta forma, la subunidad α es inactiva. Con estos antecedentes sobre la estructura y propiedades generales de los GPCR y las proteínas G, ahora podemos observar lo que sucede cuando una señal llega a la superficie celular y se une a un GPCR (Figura 7.141).

La vía de señalización

La unión de una molécula señal por la parte extracelular del receptor unido a la proteína G hace que la cola citosólica del receptor interactúe con, y altere la conformación de, una proteína G asociada con la cara interna de la membrana plasmática.
Esto tiene dos consecuencias. Primero, la subunidad α de la proteína G pierde su PIB y se une a un GTP, en cambio. Segundo, la proteína G se descompone en la parte α unida a GTP y la parte β-γ.

La unión de GTP a la subunidad α y su disociación de las subunidades β-γ activan la subunidad α. La subunidad α activada puede difundirse libremente a lo largo de la cara citosólica de la membrana plasmática y actuar sobre sus objetivos. (La unidad β-γ también es capaz de activar sus propios objetivos).

¿Qué sucede cuando las proteínas G interactúan con sus proteínas diana? Eso depende de cuál sea el objetivo. Las proteínas G interactúan con diferentes tipos de proteínas diana, de las cuales examinaremos dos categorías principales:

Canales de iones

Anteriormente hemos visto que algunos canales iónicos cerrados pueden abrirse o cerrarse mediante la unión directa de neurotransmisores a un receptor que es una proteína de canal iónico. En otros casos, los canales iónicos están regulados por la unión de proteínas G. Es decir, en lugar de que la señal se una directamente al canal iónico, se une a un GPCR, que activa una proteína G que luego puede provocar la apertura del canal iónico, ya sea directamente, uniéndose al canal, o indirectamente, a través de la activación de otras proteínas que pueden unirse al canal. El cambio en la distribución de iones a través de la membrana plasmática provoca un cambio en el potencial de la membrana.

Activación enzimática

La interacción de las proteínas G con sus enzimas diana puede regular la actividad de la enzima, ya sea aumentando o disminuyendo su actividad. El cambio en la actividad de la enzima diana, a su vez, da como resultado cambios aguas abajo en otras proteínas en la célula, y altera el estado metabólico de la célula. Esto se entiende mejor examinando la respuesta bien estudiada de las células a la epinefrina, mediada a través del receptor β-adrenérgico, un tipo de receptor acoplado a proteína G.

La epinefrina (Figura 7.142), también conocida como adrenalina, es una catecolamina que juega un papel importante en la respuesta de 'lucha o vuelo' del cuerpo. En respuesta a estímulos estresantes, la epinefrina se secreta a la sangre, para ser transportada a órganos diana cuyas células responderán a esta señal. Si estuvieras caminando por un callejón oscuro en un vecindario dudoso, y escuchabas pasos detrás de ti, tu cerebro respondería al peligro potencial enviando señales que en última instancia hacen que la corteza suprarrenal secrete epinefrina al torrente sanguíneo. La epinefrina que circula en tu sistema tiene muchos efectos, incluyendo aumentar tu frecuencia cardíaca, pero entre sus objetivos principales están tus células musculares. La razón de esto es que tus células musculares almacenan energía en forma de glucógeno, un polímero de glucosa. Si necesitas huir o luchar contra un agresor, tus células necesitarán energía en forma de glucosa.

Pero, ¿cómo consigue la epinefrina que tus células descompongan el glucógeno en glucosa? La unión de epinefrina al receptor β-adrenérgico en la superficie de las células provoca que el receptor active una proteína G asociada a su cola citoplásmica. Como se describió anteriormente, esto lleva a que la subunidad α intercambie su PIB por GTP y se disocie de las subunidades β-γ. La subunidad α activada interactúa entonces con la enzima adenilato ciclasa (también conocida como adenilil ciclasa) estimulándola para producir AMP cíclico (AMPc) a partir de ATP. El AMP cíclico a menudo se describe como un “segundo mensajero”, en el sentido de que sirve para propagar la señal recibida por la célula. ¿Cómo logra esto el AMPc?

Las moléculas de AMPc se unen a, y activan una enzima, la proteína quinasa A (PKA - Figura 7.145). PKA está compuesta por dos subunidades catalíticas y dos reguladoras que están estrechamente unidas entre sí. Tras la unión del AMPc, las subunidades catalíticas se liberan de las subunidades reguladoras, permitiendo que la enzima lleve a cabo su función, es decir, fosforilar otras proteínas. Así, el AMPc puede regular la actividad de PKA, que a su vez, al fosforilar otras proteínas pueden cambiar su actividad. En este caso, la proteína relevante que se activa es una enzima, la fosforilasa quinasa. Esta enzima puede entonces fosforilar y activar la glucógeno fosforilasa, la enzima responsable en última instancia de descomponer el glucógeno en glucosa-1-fosfato, que se convierte fácilmente en glucosa. La activación de la glucógeno fosforilasa suministra a las células la glucosa que necesitan, lo que le permite luchar o huir, como mejor le parezca. Simultáneamente, PKA también fosforila otra enzima, la glucógeno sintasa. En el caso de la glucógeno sintasa, la fosforilación la inactiva, y evita que la glucosa libre se agote para la síntesis de glucógeno, asegurando que tus células estén ampliamente abastecidas de glucosa (Figura 7.146).

Patrón común

Aunque los pasos descritos anteriormente parecen complicados, siguen el patrón simple esbozado al inicio de esta sección:
• Unión de señal al receptor
• Varios pasos donde la señal se pasa a través de moléculas intermedias (proteínas G, adenilato ciclasa, AMPc, y finalmente, PKA)
• Fosforilación de proteínas diana por la quinasa, lo que lleva a cambios en la célula. Los cambios específicos dependen de las proteínas que son fosforiladas por la PKA.

¿Por qué tantos pasos? Si necesitas activar la glucógeno fosforilasa para descomponer la glucosa a toda prisa, ¿por qué no tener un sistema en el que la unión de una señal al receptor activara directamente la enzima diana?

La respuesta a este rompecabezas es simple: hay amplificación de la señal en cada paso del camino. Una sola molécula señal que se une a un receptor pone en marcha una cascada de reacciones, con la señal cada vez más grande en cada paso, de modo que la unión de una molécula de epinefrina a su receptor da como resultado la activación de un millón de moléculas de la enzima glucógeno fosforilasa.

Apagar las señales

Si la señal que se une al receptor sirve como un interruptor que pone en movimiento estos eventos, debe haber mecanismos para apagar la vía. El primero está a nivel del propio receptor. Una quinasa llamada quinasa receptora de proteína G (GRK) fosforila la cola citoplásmica del receptor. La cola fosforilada se une entonces por una proteína llamada arrestina, lo que impide una mayor interacción con una proteína G.

El siguiente punto de control está en la proteína G. Recordemos que la subunidad α de la proteína G se encuentra en su estado libre y activado cuando tiene GTP unido, y que se asocia con las subunidades β-γ y tiene un GDP unido cuando está inactiva. También sabemos que la subunidad α tiene una actividad que le permite hidrolizar GTP al PIB. Esta actividad hidrolizante de GTP permite que la subunidad α, una vez completada su tarea, regrese a su estado vinculado al PIB, se vuelva a asociar con la parte β-γ y vuelva a estar inactiva.

Un tercer “interruptor de apagado” está más abajo en la vía de señalización y controla el nivel de AMPc. Acabamos de señalar que los niveles de AMPc aumentan cuando se activa la adenilato ciclasa. Cuando se realiza su trabajo, el AMPc es descompuesto por una enzima llamada fosfodiesterasa (Figura 7.147). Cuando bajan los niveles de AMPc, la PKA vuelve a su estado inactivo, frenando los cambios provocados por la activación de la adenilato ciclasa por una proteína G activada.

Otra forma más en la que los efectos de esta ruta pueden desactivarse es a nivel de las proteínas diana fosforiladas. Estas proteínas, que se activan por fosforilación, pueden retornar a su estado inactivo mediante la eliminación de los fosfatos por las fosfatasas.

Tirosina quinasas receptoras

Otra clase importante de receptores de superficie celular son los receptores tirosina quinasas o RTK. Al igual que los GPCR, las tirosina quinasas receptoras se unen a una señal, luego pasan el mensaje a través de una serie de moléculas intracelulares, la última de las cuales actúa sobre las proteínas diana para cambiar el estado de la célula.

Como su nombre indica, un receptor tirosina quinasa es un receptor de superficie celular que también tiene actividad tirosina quinasa. El dominio de unión a señal del receptor tirosina quinasa se encuentra en la superficie celular, mientras que la actividad enzimática de tirosina quinasa reside en la parte citoplasmática de la proteína (Figura 7.148). Una hélice α transmembrana conecta estas dos regiones del receptor.

¿Qué sucede cuando las moléculas señal se unen a las tirosina quinasas receptoras? La unión de moléculas señal a los dominios extracelulares de las proteínas receptoras de tirosina quinasa provoca que dos moléculas receptoras se dimericen (se juntan y se asocian - Figura 7.149). Esto acerca las colas citoplásmicas de los receptores entre sí y provoca que se encienda la actividad tirosina quinasa de estas colas. Las colas activadas luego se fosforilan entre sí en varios residuos de tirosina (Figura 7.150). Esto se llama autofosforilación.

La fosforilación de tirosinas en las colas del receptor desencadena el ensamblaje de un complejo de señalización intracelular en las colas. Las tirosinas recientemente fosforiladas sirven como sitios de unión para una variedad de proteínas de señalización que luego pasan el mensaje a otras proteínas para provocar cambios en la célula. Las tirosina quinasas receptoras median las respuestas a un gran número de señales, incluyendo hormonas peptídicas como la insulina y factores de crecimiento como el factor de crecimiento epidérmico (EGF). Examinaremos cómo la insulina y el EGF actúan sobre las células al unirse a tirosina quinasas receptoras.

Receptor de insulina

La insulina juega un papel central en la captación de glucosa del torrente sanguíneo. Aumenta la captación de glucosa al estimular el movimiento del receptor de glucosa GLUT4 a la membrana plasmática de las células.

¿Cómo aumenta la insulina las concentraciones de GLUT4 en la membrana celular? La unión de la insulina al receptor de insulina (IR - Figura 7.151), da como resultado la dimerización de los monómeros del receptor y posterior autofosforilación de los dominios cinasas citosólicas. Los dominios de tirosina quinasa activados también fosforilan proteínas intracelulares llamadas Sustratos del Receptor de Insulina o proteínas Estas proteínas interactúan con, y activan otra quinasa llamada PI3-quinasa. La PI3-quinasa cataliza entonces la formación de la molécula lipídica PIP3, que sirve para activar otra quinasa más, PDK1, que a su vez, activa el grupo Akt de quinasas. Es este grupo de enzimas el que parece incrementar la translocación del GLUT4 a la membrana plasmática (Figura 7.152), ya que las células que carecen de Akts funcionales presentan una mala captación de glucosa y resistencia a la insulina.

Vía EGFR

El factor de crecimiento epidérmico, EGF, es una importante molécula de señalización involucrada en el crecimiento, proliferación y diferenciación en células de mamíferos. EGF actúa a través del receptor EGF, EGFR, un receptor tirosina quinasa (Figura 7.153). Debido a su papel en la estimulación de la proliferación celular y debido a que la sobreexpresión de EGFR está asociada con algunos tipos de cáncer, EGFR es el objetivo de muchas terapias anticancerígenas. Podemos rastrear la vía de transducción de señales desde la unión de EGF a su receptor hasta la estimulación de la división celular.

La unión de EGF al EGFR es seguida por la dimerización del receptor y la estimulación de la actividad tirosina quinasa de los dominios citosólicos del EGFR. La autofosforilación de las colas del receptor es seguida por el ensamblaje de un complejo de señalización nucleado por la unión de proteínas que reconocen residuos de fosfotirosina. Una proteína importante que posteriormente es activada por los complejos de señalización en las tirosina quinasas receptoras se llama Ras (Figura 7.154). La proteína Ras es una proteína monomérica de unión a nucleótidos de guanina que se asocia con la cara citosólica de la membrana plasmática
(de hecho, se parece mucho a la subunidad α de las proteínas G triméricas). Al igual que la subunidad α de una proteína G, Ras está activa cuando GTP está unida a ella e inactiva cuando el PIB está unido a ella. Además, al igual que la subunidad α, Ras puede hidrolizar el GTP al PIB.

Activación Ras

La activación de Ras acompaña el intercambio del PIB vinculado al Ras inactivo por un GTP. El Ras activado desencadena una cascada de fosforilación de tres proteínas quinasas, que retransmiten y distribuyen la señal. Estas proteínas quinasas son miembros de un grupo llamado MAP quinasas (Mitogen Activated Protein Kinases). La quinasa final en esta cascada fosforila diversas proteínas diana, incluyendo enzimas y activadores transcripcionales que regulan la expresión génica.

La fosforilación de diversas enzimas puede alterar sus actividades, y desencadenar nuevas reacciones químicas en la célula, mientras que la fosforilación de activadores transcripcionales puede cambiar qué genes se expresan. El efecto combinado de los cambios en la expresión génica y la actividad proteica altera el estado fisiológico de la célula y promueve la división celular.

Una vez más, al seguir la vía de transducción de señales mediada por RTK, es posible discernir el mismo patrón básico de eventos: una señal se une a los dominios extracelulares de las tirosina quinasas receptoras, dando como resultado la dimerización del receptor y la autofosforilación de las colas citosólicas, transportando así el mensaje al interior de la celda.

Luego, el mensaje se transmite a través de un complejo de señalización a proteínas que estimulan una serie de quinasas. La quinasa terminal en la cascada actúa sobre las proteínas diana y produce cambios en las actividades de las proteínas.

¿Qué es el interruptor OFF para RTK? Resulta que las RTK con la señal unida pueden endocitarse en la célula y descomponerse. Es decir, la región de la membrana plasmática en la que está la RTK se puede pellizcar internamente en una vesícula que contiene el receptor unido al ligando que luego se dirige para la degradación.

El Ras, que se activa por la unión a GTP, también se puede desactivar por hidrólisis del GTP al PIB. La importancia de este mecanismo para cerrar la ruta es evidente en células que tienen un gen ras mutante que codifica una proteína Ras con actividad GTPasa defectuosa. Al no poder apagar a Ras, las células continúan recibiendo una señal para proliferar. El Instituto Nacional del Cáncer estima que más del 30% de los cánceres humanos son impulsados por mutaciones en genes ras.

Las descripciones anteriores proporcionan un boceto muy simple de algunas de las principales clases de receptores y tratan principalmente de los detalles mecanicistas de los pasos por los cuales las señales recibidas por diversos tipos de receptores provocan cambios en las células. Una lección importante para llevar a casa es la similitud esencial de los diferentes caminos. Otro punto a tener en cuenta es que si bien hemos mirado cada vía individual de forma aislada, una célula, en un momento dado, recibe múltiples señales que desencadenan una variedad de respuestas diferentes a la vez (Figura 7.155). Las vías descritas anteriormente muestran un grado considerable de “conversación cruzada” y la respuesta a cualquier señal dada se ve afectada por las otras señales que recibe la célula simultáneamente. La multitud de diferentes receptores, señales y sus combinaciones son los medios por los cuales las células son capaces de responder a una enorme variedad de circunstancias diferentes.

RTK, cáncer y terapias contra el cáncer

Como se describió anteriormente, la unión de EGF a su receptor desencadena una vía de señalización que da como resultado la activación de una serie de proteínas quinasas activadas por mitógenos (MAP quinasas). Estas quinasas son llamadas porque son activadas por un mitógeno, una molécula, como EGF y otros factores de crecimiento, que estimula la mitosis o división celular. La quinasa final en la cascada de MAP quinasa fosforila una serie de proteínas diana, muchas de ellas factores de transcripción, que cuando se activan, aumentan la expresión de genes asociados a la proliferación celular.

Dado que la vía del receptor de EGF normalmente funciona para estimular la división celular, no es sorprendente que las disfunciones en la ruta puedan conducir a una proliferación celular incontrolada, o cáncer. A continuación, echaremos un breve vistazo a algunos ejemplos de tales defectos.

HER2

La familia de receptores EGF humanos (HER) tiene cuatro miembros, HER1, HER2, HER3 y HER4. Estas son todas las tirosina quinasas receptoras, receptores de superficie celular que se unen a EGF (Figura 7.157) y estimulan la proliferación celular.

Un paso crucial en la vía de transducción de señales es la dimerización de los receptores después de la unión de la señal, EGF, al receptor. Mientras que HER1, HER3 y HER4 deben unirse a la señal para dimerizar, la estructura del receptor HER2 puede, aparentemente, permitir que los monómeros del receptor dimericen independientemente de la unión a EGF.

Esto significa que los eventos aguas abajo de la ruta de señalización se pueden desencadenar incluso en ausencia de una señal de crecimiento. En las células normales, solo unos pocos receptores HER2 se expresan en la superficie celular, por lo que esta propiedad del HER2 juega un papel relativamente menor en la estimulación de la división celular. Sin embargo, en aproximadamente una cuarta parte de los pacientes con cáncer de mama, los receptores HER2 están sobreexpresados, lo que lleva a un aumento de la dimerización y posterior proliferación celular incontrolada.

Los cánceres de mama que son positivos para HER2 pueden ser más agresivos con una mayor tendencia a metastatizar (diseminarse) por lo que la terapia que bloquea la señalización de HER2 es clave en el tratamiento exitoso de dichos cánceres. Herceptin, un anticuerpo monoclonal contra el receptor HER2, ha demostrado ser un tratamiento eficaz contra los cánceres de mama HER2 positivos. La herceptina actúa uniéndose específicamente al dominio extracelular del receptor HER2 (Figura 7.158). Esto evita la dimerización del receptor y, por lo tanto, bloquea la señalización aguas abajo. Adicionalmente, la unión del anticuerpo Herceptin al receptor señala al sistema inmune que destruya las células HER2 positivas.

BCR-ABL

Otro ejemplo de un cáncer causado por defectos en una vía de señalización RTK es la leucemia mieloide crónica (LMC). Los pacientes con LMC tienen un receptor tirosina quinasa anormal que es producto de un gen híbrido llamado bcr-abl, formado por la rotura y reincorporación de los cromosomas 9 y 22. Esta tirosina quinasa anormal se dimeriza constitutivamente, incluso cuando no se une ninguna señal. Como resultado, continuamente señala a las células que se dividan, lo que lleva a la proliferación masiva de un tipo de células sanguíneas llamadas granulocitos.

Al igual que con HER2, el problema en la LMC es un receptor tirosina quinasa que dimeriza en ausencia de una señal de crecimiento. El enfoque en este caso fue apuntar al siguiente paso en la vía de señalización. Como se sabe, la dimerización de las RTK activa el dominio tirosina quinasa del receptor, lo que da como resultado la autofosforilación de los dominios citoplásmicos de ambos monómeros. Las tirosinas fosforiladas sirven para reclutar una serie de otras proteínas de señalización que pasan la señal dentro de la célula.

En el caso de la RTK bcr-abl, el fármaco Gleevec (imatinib) fue diseñado para unirse cerca del sitio de unión a ATP del dominio tirosina quinasa. Esto “bloquea” el sitio en una conformación que inhibe la actividad enzimática de la tirosina quinasa y, por lo tanto, bloquea la señalización aguas abajo. Sin la señal de “crecimiento” transmitida, las células dejan de proliferar.

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Figura 7.130 - Representación esquemática de una proteína receptora transmembrana. E = extracelular; P = membrana plasmática; I = intracelular

Wikipedia

Figura 7.129 - Algunos ejemplos de moléculas señal

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Figura 7.132 - Apertura del receptor del canal iónico regulado por ligando en respuesta a una señal (ligando)

Wikipedia

Figura 7.131 Características generales de las vías de transducción de señales

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Figura 7.133 - Señalización neuromuscular - A = axón de neuronas motoras; B = axón terminal; C = hendidura sináptica; D = célula muscular; E = miofibrilla. Pasos en el proceso: 1) el potencial de acción alcanza el axón terminal; 2) puertas de calcio dependientes del voltaje se abren; (3) vesículas de neurotransmisores se fusionan con la membrana presináptica y acetilcolina (ACh) liberada en la hendidura sináptica; (4) ACh se une a receptores postsinápticos en el sarcolema; (5) unión a ACh hace que los canales iónicos se abran y permite que los iones de sodio fluyan a través de la membrana hacia la célula muscular; 6) el flujo de iones de sodio a través de la membrana hacia la célula muscular genera un potencial de acción que viaja a la miofibrilla y da como resultado la contracción muscular.

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Figura 7.134 - Sistemas nerviosos

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Figura 7.135 - Estructuras de hormonas esteroides, con los nombres de sus receptores

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Figura 7.136 - Receptor glucocorticoide con sus tres dominios: unión a ADN (izquierda), dominio activador (parte superior) y dominio de unión a ligando (recuadrado).

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Figura 7.137 - Vía de señalización de glucocorticoides

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Figura 7.138 - Señalización de hormonas esteroideas

Imagen de Aleia Kim

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Figura 7.139 - Estructura de un receptor unido a proteína G

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Figura 7.140- Una proteína G heterotrimérica: subunidad α en azul, subunidades βγ rojo y verde

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Figura 7.141 - Ciclo de activación de la proteína G - 1) unión del ligando; 2) cambio de estructura del receptor; 3) estimulación de la subunidad α; 4) unión de GTP, liberación de GDP; 5) separación de la subunidad α de β-γ; 6) hidrólisis de GTP por subunidad α y retorno al estado inactivo.

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Figura 7.142 - Receptor β2-adrenérgico embebido en membrana (gris)

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Figura 7.143 - Epinefrina

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Figura 7.144 - Receptor acoplado a proteína G. La señal comienza con la unión del ligando (círculo naranja). Gs = proteína G; AC = adenilato ciclasa.

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Figura 7.145 - Activación de la Proteína Cinasa A por AMPc

Imagen de Martha Baker

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Figura 7.146 - Activación simultánea de la descomposición del glucógeno e inhibición de la síntesis de glucógeno por la unión de epinefrina al receptor b-adrenérgico. Nombres de enzimas rojas = formas activadas; nombres de enzimas negras = formas inactivadas; GpB = glucógeno fosforilasa b; GpA = glucógeno fosforilasa a.

Imagen de Penelope Irving

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Interruptores de Apagado de Señalización β-adrenérgica

1. Cola del Receptor de Fosforila GRK

Cola del receptor unida por Arrestin

2. subunidad α Proteína G escinde GTP a PIB

Subunidades β-γ Reasociarse con la Subunidad α

3. AMPc Hidrolizado por Fosfodiesterasa

PKA se vuelve inactiva

4. Desfosforilación de proteínas fosforiladas por fosfoproteína fosfatasa

Interruptores de encendido de señalización β-adrenérgica

1. La unión de la molécula de señal al receptor

2. Paso de la señal a través de varias moléculas (proteínas G, adenilato ciclasa, AMPc, PKA)

3. Fosforilación de proteínas diana

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Figura 7.147 - El AMP cíclico se descompone por fosfodiesterasa

Figura 7.148 - Estructura de una tirosina quinasa receptora

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Figura 7.149 - Resultados de la unión a la señal en la dimerización del receptor y la activación de la actividad tirosina quinasa

Figura 7.150 - Las tirosina quinasas activadas fosforilan tirosinas en las colas del receptor.

Figura 7.151 -El receptor de insulina, un receptor tirosina quinasa

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Figura 7.152 - Efectos de la unión de insulina a su receptor tirosina quinasa: 1) unión a insulina; 2) activación de cascadas de activación de proteínas. Estos incluyen: 3) translocación del transportador Glut-4 a membrana plasmática y afluencia de glucosa; 4) síntesis de glucógeno; 5) glucólisis; y 6) síntesis de ácidos grasos.

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Figura 7.153 - Señalización de EGFR comenzando en la parte superior con unión de EGF, dimerización del receptor, transmisión de señal a través de proteínas, activación de quinasas, fosforilación de factores de transcripción y efectos sobre la transcripción

Imagen de Aleia Kim

Figura 7.154 - Ras con encuadernación GTP

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