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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


Unidad I semana II