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Los receptores unidos a proteína G (GPCR, G protein-coupled receptors) se denominan así porque interactúan en conjunto con las proteínas G, como se explica más adelante. Los miembros de la familia GPCR también se conocen como receptores transmembrana de siete dominios (7TM) porque contienen siete hélices transmembrana (fig. 15.5). Se han identificado miles de distintos GPCR en organismos, desde las levaduras hasta las plantas fanerógamas y mamíferos, y en conjunto regulan un espectro extraordinario de procesos celulares. De hecho, los GPCR constituyen la superfamilia individual más grande de proteínas codificadas por genomas animales. Entre los ligandos naturales que se unen con GPCR figura un grupo diverso de hormonas tanto en plantas como en animales, neurotransmisores, derivados del opio, quimioatrayentes (moléculas que atraen células fagocíticas del sistema inmunitario), odorantes y saborizantes (moléculas detectadas por los receptores olfatorios y gustativos que inducen los sentidos del olfato y el gusto) y fotones. El cuadro 15.1 presenta una lista de algunos de los ligandos que operan mediante esta vía y los efectores a través de los cuales actúan.
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Transducción de la señal por receptores unidos a proteína G
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Los receptores acoplados a la proteína G poseen normalmente la siguiente topología. Su terminación amino aparece fuera de la célula; las siete hélices α que atraviesan la membrana plasmática están unidas por asas (“bucles”) de longitud variable, y la terminación carboxilo aparece en el interior de la célula (fig. 15.5). Se han identificado tres bucles en el exterior de la célula que en conjunto forman el “depósito” de unión con ligando, cuya estructura varía en diferentes receptores unidos a la proteína G (GPCR). También se identifican tres bucles en el lado citoplásmico de la membrana plasmática que aportan sitios de unión para las proteínas de señalización intracelular.
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Por diversas razones técnicas, resulta muy difícil preparar cristales de GPCR no modificados que son adecuados para el análisis cristalográfico radiográfico. Durante muchos años la rodopsina constituía el único miembro de la superfamilia del cual se pudo conocer su estructura cristalina radiográfica. Dicho pigmento tiene una estructura extraordinariamente estable en cuanto a GPCR y ello se debe al hecho de que su ligando (un grupo de retinal) está unido permanentemente a la proteína y la molécula proteínica existe únicamente con una sola conformación inactiva en caso de no haber estímulo (p. ej., en la oscuridad). Desde 2007, como producto de años de esfuerzo por parte de grupos de investigadores, en las publicaciones aparecieron numerosas estructuras cristalinas de GPCR. En su mayor parte tales estructuras indicaron que GPCR estaba en estado inactivo, pero publicaciones recientes han descrito las estructuras de versiones modificadas de varios de tales receptores en estado activo. También ha surgido un cúmulo de datos estructurales y espectroscópicos (como los descritos en la página 135) que han permitido conocer algunos de los cambios de conformación que suceden conforme se activa GPCR y se une a una proteína G.
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Brian Kobilka y col., de la Stanford University mostraron por primera vez la estructura cristalina radiográfica de GPCR activo con su proteína G unida, y tal imagen es la que se incluye en la página 617 que encabeza este capítulo. Esta última es estabilizada por interacciones no covalentes entre las hélices α transmembrana. La unión a un ligando afecta tales interacciones, lo cual hace que el receptor asuma una conformación activa. Esto requiere de rotaciones y corrimientos de las hélices α transmembrana unas respecto de otras. Dado que están unidas a las asas citoplásmicas, la rotación o el desplazamiento de estas hélices α transmembrana unas respecto a otras causa cambios en la conformación de las asas citoplásmicas. Esto a su vez ocasiona aumento en la afinidad del receptor por una proteína G que está presente en la superficie citoplásmica de la membrana plasmática (fig. 15.5b). Como consecuencia, el receptor unido con el ligando forma un complejo receptor-proteína G (fig. 15.6, paso 1). La interacción con el receptor induce un cambio en la conformación de la subunidad α de una proteína G, con lo que se libera GDP (difosfato de guanosina) y luego se une una molécula de GTP (paso 2). Mientras permanece en estado activo, un solo receptor puede activar varias moléculas de proteína G, lo que representa un medio para la amplificación de la señal (se describe mejor en la página 632).
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Las proteínas G heterotriméricas fueron descubiertas, purificadas y caracterizadas por Martin Rodbell y col., en los National Institutes of Health, y Alfred Gilman en la University of Virginia. Estas proteínas se conocen como proteínas G porque se unen con nucleótidos de guanina, sea GDP o GTP. Se describen como heterotriméricas porque poseen tres subunidades polipeptídicas diferentes, llamadas α, β y γ. Esta propiedad las distingue de las pequeñas proteínas monoméricas G, como Ras, que se revisan más adelante en este capítulo. Las proteínas G heterotriméricas se mantienen en la membrana plasmática mediante cadenas de lípidos que se unen en forma covalente con las subunidades α y γ (fig. 15.5a).
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El sitio para la unión con un nucleótido de guanina se encuentra en la subunidad Gα. La sustitución de GDP por GTP después de la interacción con un GPCR activado causa un cambio en la conformación en la subunidad Gα. En su conformación unida con GTP, la subunidad Gα presenta una baja afinidad por Gβγ, por lo que se disocia del complejo. Cada subunidad Gα separada (unida con GTP) está libre para activar a una proteína efectora, como la adenilciclasa (fig. 15.6, paso 3). En este caso, la activación del efector conduce a la producción del segundo mensajero AMP (monofosfato de adenosina) cíclico (paso 4). Otros efectores incluyen fosfolipasa C-β y fosfodiesterasa de GMP cíclico (véase más adelante). A su vez, los segundos mensajeros activan una o más proteínas celulares de señalización.
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Se dice que una proteína G está “encendida” o activada cuando su subunidad está unida a GTP. Las subunidades Gα pueden desactivarse a sí mismas por hidrólisis de GTP a GDP y fosfato inorgánico (Pi) (fig. 15.6, paso 5). Esto da por resultado un cambio conformacional que causa un decremento en la afinidad por el efector y un aumento en la afinidad por la subunidad γ. Así, después de la hidrólisis del GTP, la subunidad Gα se disocia del efector y vuelve a unirse a la subunidad βγ para volver a formar la proteína G heterotrimérica inactiva (paso 6). En cierto sentido, las proteínas G heterotriméricas funcionan como temporizadores moleculares. Se encienden mediante la interacción con un receptor activado y se apagan con la hidrólisis del GTP unido después de cierto tiempo. Mientras permanecen activas, las subunidades Gα pueden encender a los efectores corriente abajo.
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Las proteínas G heterotriméricas poseen cuatro formas, Gs, Gq, Gi y G12/13. Esta clasificación se basa en las subunidades Gα y los efectores con las que se unen. La respuesta particular inducida por un GPCR activado depende del tipo de proteína G con la que interactúe, aunque algunos GPCR pueden interactuar con distintas proteínas G y desencadenar más de una respuesta fisiológica. Los miembros de la familia Gs se unen con receptores para la adenilciclasa. La adenilciclasa se activa con las subunidades Gα unidas con GTP. Los miembros de la familia Gq contienen subunidades Gα que activan PLCβ. Este último hidroliza al difosfato de fosfatidilinositol, con lo que se obtiene trifosfato de inositol y diacilglicerol (pág. 630). Las subunidades Gi activadas funcionan por inhibición de la adenilciclasa. Los miembros de G12/13 no están tan bien caracterizados como las otras familias de proteínas G, aunque su activación inapropiada se ha vinculado con proliferación celular excesiva y transformación maligna. Después de su separación de la subunidad Gα, el complejo βγ también tiene una función de señal y puede unirse por lo menos con cuatro tipos de efectores diferentes: PLCβ, conductos iónicos para K+ y adenilciclasa.
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Terminación de la respuesta
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Ya se mostró que la unión con ligandos conduce a la activación del receptor. Los receptores activados encienden las proteínas G y éstas a su vez a los efectores. Para prevenir la estimulación excesiva es necesario que se bloqueen los receptores para que no continúen la activación de las proteínas G. Para recuperar la sensibilidad a estímulos futuros, el receptor, la proteína G y el efector deben regresar a su estado inactivo. La desensibilización, proceso que bloquea a los receptores activos para que suspendan la activación adicional de las proteínas G, ocurre en dos pasos. En el primero, el dominio citoplásmico del GPCR activado se fosforila por acción de un tipo específico de cinasa, la cinasa del receptor unido a proteína G (GRK) (fig. 15.6, paso 7). Las GRK forman una pequeña familia de cinasas proteínicas de serina-treonina que reconocen de forma específica a los GPCR activados.
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La fosforilación del GPCR establece las bases para el segundo paso, que es la unión de proteínas llamadas arrestinas (fig. 15.6, paso 8). Las arrestinas constituyen un pequeño grupo de proteínas que se unen con los GPCR y compiten por la unión con las proteínas G heterotriméricas. Como consecuencia, la unión de la arrestina previene la activación adicional de más proteínas G. Esta acción se conoce como desensibilización porque la célula deja de responder al estímulo, mientras que ese estímulo aún actúa en la superficie externa de la célula. La desensibilización es uno de los mecanismos que le permite a una célula responder a un cambio en su ambiente en lugar de continuar su “disparo” de modo indefinido en presencia de un ambiente inmutable. La importancia de la desensibilización se ilustra por la observación de que las mutaciones que interfieren con la fosforilación de la rodopsina por una GRK conducen a la muerte de las células fotorreceptoras en la retina. Se cree que este tipo de muerte celular en la retina es una de las causas de la ceguera secundaria a la retinitis pigmentosa.
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Las arrestinas pueden describirse como “centros” proteínicos (pág. 62), porque pueden unirse a muy diversas proteínas que intervienen en los procesos intracelulares. Al estar unidas a GPCR fosforilados (fase 1, fig. 15.7), las moléculas de arrestina pueden unirse a moléculas del adaptador AP2 situadas en las “depresiones” revestidas de clatrina (pág. 310). La interacción entre la arrestina ligada y las depresiones revestidas de clatrina (fase 2) induce la captación de GPCR fosforilados al interior de la célula por medio de endocitosis. Según las circunstancias, los receptores que han sido separados de la superficie por acción de endocitosis tienen varias culminaciones diferentes. En algunos casos, los receptores transcurren por la vía endocítica al interior de endosomas (pág. 312), en que las moléculas de arrestina acompañantes actúan como una estructura de andamiaje para el ensamblaje de complejos de señalización citoplásmica. La vía MAPK que se expone con mayor detalle en apartados ulteriores, según expertos, es activada por GPCR unidos a arrestina y localizados dentro de los endosomas (fase 3). El descubrimiento de “endosomas señalizadores” causó sorpresa a los investigadores en el campo de señales celulares que habían elaborado en el supuesto de que GPCR (y también RTK) fueran capaces sólo de la transducción de señales cuando estaban en la superficie celular. Se sabe ahora que al parecer las señales transmitidas desde los endosomas poseen diferentes propiedades y funciones fisiológicas, en comparación de las que nacen de la membrana plasmática. Como una segunda culminación, los receptores internalizados pueden “pasar” de los endosomas a los lisosomas, sitio en que son degradados (fase 4). Si los receptores son degradados, las células pierden (cuando menos temporalmente) sensibilidad para el ligando en cuestión. Por último, según lo señala un tercer esquema, los GPCR ligados a arrestina pueden ser desfosforilados y devueltos a la membrana plasmática (fase 5). Si retornan los receptores a la superficie celular, las células conservan su sensibilidad al ligando (situación conocida como resensibilización).
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La señalización por la subunidad Gα activada se termina por un mecanismo menos complejo: la molécula de GTP unida tan sólo se hidroliza a GDP (paso 5, fig. 15.6). Por consiguiente, la fuerza y duración de la señal dependen en parte de la velocidad de hidrólisis del GTP por la subunidad Gα. Las subunidades Gα tienen una débil actividad de GTP-asa, lo cual les permite hidrolizar lentamente el GTP unido y desactivarse a sí mismas. La terminación de la reacción se acelera por los reguladores de la señalización de proteína G (RGS). La interacción con una proteína RGS aumenta la velocidad de hidrólisis de la GTP-asa por la subunidad Gα. Una vez que se hidroliza la GTP, la Gα-GDP se vincula de nueva cuenta con las subunidades Gβγ para reformar el complejo trimérico inactivo (paso 6) como se expuso antes. Esto devuelve el sistema a su estado de reposo.
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El mecanismo para transmitir señales a través de la membrana plasmática mediante las proteínas G tiene un origen evolutivo ancestral y está muy bien conservado. Esto lo ilustra un experimento en el que células de levadura se modificaron mediante ingeniería genética, para expresar un receptor para la hormona humana somatostatina. Cuando estas células de levadura se trataron con somatostatina, los receptores de mamíferos en la superficie celular interactuaron con las proteínas G heterotriméricas de levaduras en la superficie interna de la membrana y desencadenaron una respuesta que condujo a la proliferación de las células de levadura.
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Los efectos de ciertas mutaciones en la función de los receptores unidos a proteína G se explican en la sección Perspectiva humana.
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PERSPECTIVA HUMANA Trastornos relacionados con los receptores unidos a proteína G
Los GPCR representan la familia más grande de genes codificados por el genoma humano. Su importancia en la biología humana se refleja por el hecho de que más de un tercio de todos los fármacos que requieren prescripción médica actúa como ligandos para esta enorme superfamilia de receptores. El origen de varios trastornos hereditarios se rastreó hasta defectos en los GPCR (fig. 1) y las proteínas G heterotriméricas (cuadro 1). La retinitis pigmentosa (RP) es una enfermedad hereditaria caracterizada por la degeneración progresiva de la retina, hasta llegar a la ceguera. Esta anomalía puede ser causada por mutaciones en el gen que codifica la rodopsina, el pigmento visual de los bastones. Muchas de estas mutaciones conducen a la terminación prematura o el plegamiento inadecuado de la proteína rodopsina y su eliminación de la célula antes de llegar a la membrana plasmática (pág. 288). Otras mutaciones dan lugar a la síntesis de una molécula de rodopsina que no puede activar su proteína G y, por lo tanto, no puede transmitir la señal corriente abajo hacia el efector.
La retinitis pigmentosa es resultado de una mutación que causa pérdida de la función del receptor codificado. Muchas mutaciones que alteran la estructura de las proteínas de señalización pueden tener el efecto contrario, y causar lo que se conoce como “ganancia de función”. En uno de estos casos se identificaron mutaciones que provocan un tipo de tumor tiroideo benigno llamado adenoma. A diferencia de las células tiroideas normales que secretan hormona tiroidea sólo como reacción a la estimulación de la hormona hipofisaria TSH, las células de estos adenomas tiroideos secretan grandes cantidades de hormona tiroidea sin necesitar el estímulo de la TSH (se dice que el receptor actúa en forma constitutiva). El receptor para TSH de estas células tiene una sustitución de aminoácido que afecta la estructura de la tercera asa intracelular de la proteína (fig. 1, mutaciones en los sitios 5 o 6). Como resultado de la mutación, el receptor para TSH activa de manera constitutiva una proteína G en su superficie interna, lo que emite una señal continua por la vía que ocasiona no sólo la secreción excesiva de hormona tiroidea, sino la proliferación celular exagerada que representa el tumor. Esta conclusión se comprobó con la introducción de un gen mutante en células cultivadas, que en condiciones normales carecen de este receptor, y la demostración de que la síntesis de la proteína mutante y su incorporación en la membrana plasmática propiciaron la producción constante de cAMP en las células modificadas por ingeniería genética.
La mutación que causa los adenomas tiroideos no se encuentra en la porción normal de la tiroides del paciente, sino sólo en el tejido tumoral, lo que indica que la mutación no se heredó, sino que surgió en una de las células de la tiroides que luego proliferó hasta dar lugar al tumor. Una mutación en una célula del cuerpo, como una célula tiroidea, se llama mutación somática, para distinguirla de una mutación heredada que estaría en todas las células del individuo. Como resulta evidente en el capítulo siguiente, las mutaciones somáticas son un factor etiológico principal del cáncer en los seres humanos. Ya se demostró que por lo menos un virus causante de cáncer codifica una proteína que actúa como un GPCR con actividad constitutiva. El agente es un tipo de virus del herpes que provoca sarcoma de Kaposi, en el que se reconocen lesiones cutáneas purpúreas, algo frecuente en los pacientes con síndrome de inmunodeficiencia adquirida. El genoma del virus codifica un receptor con actividad constitutiva para la interleucina 8, que estimula las vías de señalización que controlan la proliferación celular.
Como se muestra en el cuadro 1, las mutaciones en los genes que codifican a las subunidades de las proteínas G heterotriméricas también pueden ocasionar trastornos hereditarios. Esto lo ilustra un informe sobre dos pacientes masculinos que sufren una combinación poco común de trastornos endocrinos: pubertad precoz e hipoparatiroidismo. Se encontró que ambos pacientes tenían sustitución de un solo aminoácido en una de las isoformas de Gα. La alteración de la secuencia de aminoácidos tuvo dos efectos en la proteína G mutante. Con temperaturas inferiores a la corporal normal, la proteína G mutante se mantenía en estado activo, incluso en ausencia de un ligando unido. En cambio, con temperatura corporal normal, la proteína G mutante se mantenía inactiva, en presencia o ausencia del ligando. Los testículos, que se hallan lejos del centro del cuerpo, tienen una temperatura menor que las vísceras (33 contra 37°C). En condiciones normales, las células endocrinas de los testículos comienzan la producción de testosterona en la pubertad como respuesta a la hormona hipofisaria LH, que empieza a producirse en esa etapa. La LH circulante se une con los receptores específicos para ella en la superficie de las células testiculares, lo que induce la síntesis de cAMP y la producción posterior de la hormona sexual masculina. Las células testiculares de los individuos con la mutación en la proteína G se estimularon para sintetizar cAMP en ausencia del ligando LH, lo que suscitó la síntesis prematura de testosterona y la pubertad precoz. En cambio, la mutación en esa misma subunidad de Gα en las células de las glándulas paratiroideas, que funcionan a una temperatura de 37°C, hizo que la proteína G permaneciera inactiva. En consecuencia, las células de las glándulas paratiroides no pueden responder a los estímulos que las inducirían a producir hormona paratiroidea en condiciones normales, lo que origina el hipoparatiroidismo. El hecho de que la mayoría de los órganos del cuerpo funcionara de manera normal en estos sujetos indica que esta isoforma particular de Gβγ no es esencial en las actividades de la mayor parte de las demás células.
Las mutaciones se consideran cambios raros y discapacitantes en la secuencia de nucleótidos de un gen. En cambio, los polimorfismos genéticos son variaciones frecuentes y “normales” en la población (pág. 416). Aun así, en los últimos años resultó claro que el polimorfismo genético puede tener un efecto considerable en las enfermedades humanas, al tornar a ciertos individuos más o menos susceptibles a determinados trastornos respecto de otros. Esto ya se documentó en el caso de los GPCR. Por ejemplo, ciertos alelos del gen que codifica al receptor adrenérgico β se relacionan con una mayor probabilidad de sufrir asma o elevación de la presión sanguínea; ciertos alelos de un receptor para dopamina se relacionan con un mayor riesgo de abuso de sustancias o esquizofrenia; y algunos alelos de un gen (CCR5) se acompañan de una mayor supervivencia en las personas infectadas con el virus de inmunodeficiencia humana (VIH). Como se explica en la página 417, la identificación de las relaciones entre la susceptibilidad a la enfermedad y los polimorfismos genéticos es un tema de la investigación clínica actual.
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Toxinas bacterianas Como las proteínas G son tan importantes para la fisiología normal de los organismos multicelulares, representan blancos excelentes para los patógenos bacterianos. Por ejemplo, la toxina del cólera (producida por la bacteria Vibrio cholerae) ejerce su efecto mediante la modificación de las subunidades Gα e inhibición de su actividad de GTP-asa en las células del epitelio intestinal. Como resultado, las moléculas de adenilil ciclasa permanecen en el modo activado, lo que agita al cAMP, que hace que las células epiteliales secreten grandes cantidades de líquido hacia la luz intestinal. La pérdida de agua consecuente con esta respuesta inapropiada conduce a menudo a la muerte por deshidratación.
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La toxina de la tos ferina es uno de los diversos factores de virulencia producidos por Bordetella pertussis, un microorganismo que causa la tos ferina. Esta enfermedad es una infección debilitante de las vías respiratorias que se presenta en 50 millones de personas en todo el mundo cada año y causa la muerte de cerca de 350 000 de estos casos en ese mismo lapso. La toxina tosferínica también desactiva subunidades de Gα, lo que interfiere con la vía de señalización que lleva al hospedador a establecer una respuesta defensiva contra la infección bacteriana.
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Descubrimiento del AMP cíclico, prototipo de segundo mensajero
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¿De qué forma la unión de una hormona con la membrana plasmática cambia la actividad de las enzimas citoplásmicas, como la glucógeno fosforilasa, una enzima participante en el metabolismo del glucógeno? La respuesta a esta pregunta se obtuvo tras los estudios que comenzaron a mediados del decenio de 1950 en los laboratorios de Earl Sutherland y col., de la Case Western Reserve University, y de Edwin Krebs y Edmond Fischer, de la Washington University. El objetivo de Sutherland era desarrollar un sistema in vitro para estudiar las reacciones fisiológicas a las hormonas. Después de un considerable esfuerzo, pudo activar la glucógeno fosforilasa en una preparación de células rotas que se habían incubado con glucagón o adrenalina. Esta preparación de células rotas pudo dividirse por centrifugación, en una fracción de partículas consistente sobre todo en membranas celulares, y una fracción de sobrenadante soluble. Aunque había glucógeno fosforilasa sólo en la fracción sobrenadante, el material en partículas era necesario para obtener la respuesta hormonal. Los experimentos posteriores indicaron que la respuesta ocurrió por lo menos en dos pasos. Si la fracción de partículas de un homogeneizado de hígado se aislaba e incubaba con la hormona, se liberaba cierta sustancia que, cuando se agregaba a la fracción sobrenadante, activaba las moléculas solubles de la glucógeno fosforilasa. Sutherland identificó la sustancia liberada por las membranas de la fracción de partículas como monofosfato de adenosina cíclico (AMP cíclico o cAMP). Este descubrimiento se anunció como el principio del estudio de la transducción de la señal. Como se explica más adelante, el cAMP estimula la movilización de glucosa mediante la activación de una proteína cinasa que agrega un grupo fosfato a un residuo específico de serina del polipéptido glucógeno fosforilasa.
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El cAMP es un segundo mensajero capaz de difundirse a otros sitios dentro de la célula. La síntesis de cAMP sigue a la unión del primer mensajero, una hormona u otro ligando, con un receptor en la superficie externa de la célula. La figura 15.8 muestra la difusión del cAMP dentro del citoplasma de una neurona después de la estimulación con una molécula mensajera extracelular. Mientras que el primer mensajero se une sólo con una sola especie de receptor, el segundo mensajero estimula con frecuencia diversas actividades celulares. Como resultado, los segundos mensajeros permiten a las células establecer una respuesta coordinada a mayor escala después de la estimulación con un solo ligando extracelular. Existen otros segundos mensajeros como el Ca2+, fosfoinosítidos, trifosfato de inositol, diacilglicerol, GMP cíclico y óxido nítrico.
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Segundos mensajeros derivados de fosfatidilinositol
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Hasta no hace mucho tiempo, los fosfolípidos de la membrana celular se consideraban sólo como moléculas estructurales que mantenían la cohesión de las membranas y las hacían impermeables a los solutos acuosos. La apreciación de los fosfolípidos ha crecido con el descubrimiento de que estas moléculas constituyen los precursores de varios segundos mensajeros. Los fosfolípidos de las membranas celulares se convierten en segundos mensajeros por la acción de varias enzimas que se regulan como respuesta a las señales extracelulares. Estas enzimas incluyen fosfolipasas (enzimas separadoras de lípidos), fosfolípidocinasas (enzimas que fosforilan lípidos) y fosfolípidos fosfatasas (enzimas que desfosforilan lípidos). Las fosfolipasas son enzimas que hidrolizan enlaces ésteres específicos que conectan diferentes bloques de construcción que forman una molécula de fosfolípido. La figura 15.9a muestra los sitios de separación dentro de un fosfolípido general que son el sitio de acción de las principales clases de fosfolipasas. Las cuatro clases de enzimas mostradas en la figura 15.9a se activan como respuesta a señales extracelulares y los productos que se obtienen funcionan como segundos mensajeros. Esta sección se enfoca en los lípidos que actúan como segundos mensajeros y han sido los mejor estudiados, los cuales se derivan del fosfatidilinositol y se producen después de la transmisión de señales de receptores unidos a proteína G y proteína tirosina cinasa receptoras. No se revisa otro grupo de segundos mensajeros lipídicos derivados de la esfingomielina.
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Fosforilación del fosfatidilinositol Cuando el neurotransmisor acetilcolina se une a la superficie de una célula de músculo liso dentro de la pared del estómago, se estimula para contraerse. Cuando un antígeno extraño se une con la superficie de un mastocito, la estimula para secretar histamina, una sustancia que puede provocar los síntomas de un ataque de alergia. Estas dos respuestas, una que causa la contracción y la otra que induce la secreción, se activan con el mismo segundo mensajero, una sustancia derivada del compuesto fosfatidilinositol, un componente menor de la mayor parte de las membranas celulares (fig. 4.10).
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La primera indicación de que los fosfolípidos podían participar en las respuestas celulares a las señales extracelulares surgió de los estudios que realizaron a principios del decenio de 1950 Lowell y Mabel Hokin en el Montreal General Hospital y la McGill University. Estos investigadores se habían enfocado en el estudio de los efectos de la acetilcolina en la síntesis de RNA en el páncreas. Para llevar a cabo tales estudios incubaron rebanadas de páncreas de paloma con [32P]ortofosfato. La idea era que el [32P]ortofosfato se incorporara en los trifosfatos de nucleósidos, que se emplean como precursores durante la síntesis de RNA. Lo interesante es que encontraron que el tratamiento del tejido con acetilcolina conducía a la incorporación de radiactividad en la fracción de fosfolípidos de la célula. El análisis adicional reveló que el isótopo se incorporaba sobre todo en el fosfatidilinositol (PI), que pronto se convertía en otros derivados fosforilados, conocidos en conjunto como fosfoinosítidos. Esto sugirió que los lípidos que contienen inositol pueden fosforilarse por acción de cinasas específicas que se activan como respuesta a moléculas mensajeras extracelulares, como la acetilcolina. Ahora se sabe que las cinasas de lípidos se activan como respuesta a una gran variedad de señales extracelulares.
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Varias de las reacciones del metabolismo del fosfoinosítido se muestran en la figura 15.10 para generar 7 distintos fosfoinosítidos. Como se indica en la parte izquierda de esta figura, el anillo inositol, que se encuentra en la superficie citoplásmica de la bicapa, tiene seis átomos de carbono. El carbono número 1 participa en el enlace entre el inositol y el diacilglicerol. Los carbonos 3, 4 o 5 pueden ser fosforilados por cinasas de fosfoinosítido presentes en las células. Por ejemplo, la transferencia de un solo grupo fosfato a la posición cuatro del azúcar inositol del PI por acción de la 4-cinasa de PI (PI4K), genera 4-fosfato de fosfatidilinositol (PI(4)P), que puede fosforilarse por acción de la 5-cinasa de PIP (PIP5K) para formar 4,5-difosfato de PI (PI(4,5)P2; fig. 15.10, pasos 1 y 2). El PI(4,5)P2 puede fosforilarse por acción de la 3-cinasa de PI para formar PI(3,4,5)P3 (PIP3) (que se muestra en la fig. 15.25c). La fosforilación de PI(4,5)P2 para formar PIP3 reviste particular interés porque las enzimas PI3K implicadas en este proceso pueden ser controladas por una gran variedad de moléculas extracelulares, y la sobreactividad de PI3K se ha vinculado con diversos tipos de cáncer del ser humano. En la página 645 se expone la formación de PIP3 durante la respuesta a insulina.
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Todas estas especies de fosfolípidos permanecen en la hoja citoplásmica de la membrana plasmática. Del mismo modo que hay cinasas de lípidos para agregar grupos fosfato, hay fosfatasas de lípidos para retirarlos (p. ej., PTEN). La actividad de estas cinasas y de las fosfatasas puede regularse para que los fosfoinosítidos específicos aparezcan en regiones particulares de la membrana en momentos determinados después de recibir una señal. La función de los fosfoinosítidos específicos en el tráfico de membrana se describe en la página 311.
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Los anillos fosforilados de inositol de los fosfoinosítidos forman sitios de unión para varios dominios de unión a lípidos (PH, PX y FYVE) presentes en proteínas. El mejor conocido es el dominio PH (fig. 15.9b), que se ha identificado en más de 150 proteínas distintas. La unión de una proteína por su dominio PH con PI(3, 4)P2 o PIP3 casi siempre atrae a la proteína a la cara citoplásmica de la membrana plasmática, donde puede interactuar con otras proteínas unidas con la membrana, incluidos activadores, inhibidores o sustratos. La figura 15.9c muestra un ejemplo en el que PIP3 se localiza de manera específica en una porción particular de la membrana plasmática de una célula. PIP3 se produce en la parte frontal de la célula por una cinasa de lípido localizada y luego se degrada en las partes posterior y laterales de la célula por efecto de una fosfatasa lipídica localizada. La célula mostrada en la figura 15.9c participa en la quimiotaxis, lo que equivale a decir que se mueve hacia un sitio con mayor concentración de una sustancia química particular en el medio que sirve como quimioatrayente. Este es el mecanismo que hace que las células fagocíticas, como los macrófagos, se desplacen hacia las bacterias y otros blancos a los que engullen. La quimiotaxis depende de la producción localizada de mensajeros fosfoinositídicos que se unen a algunas proteínas que se ligan a actina (pág. 372) para influir en la formación de los filamentos de actina y los lamelipodios necesarios para desplazar a la célula en la dirección de su “sitio de acción” o blanco.
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No todos los segundos mensajeros que contienen inositol permanecen en la bicapa de lípidos de una membrana, como se describió antes. Cuando la acetilcolina se une con una célula de músculo liso, o un antígeno se une con un mastocito, el receptor unido activa una proteína G heterotrimérica (fig. 15.10, paso 3), que a su vez activa al efector fosfolipasa C-β específica para fosfatidilinositol (PLCβ) (paso 4). Como la proteína mostrada en la figura 15.9b, PLCβ se sitúa en la superficie interna de la membrana (fig. 15.10), unida ahí por la interacción entre su dominio PH y una fosfoinosítido incrustada en la bicapa. PLCβ cataliza una reacción que separa PI(4, 5)P2 en dos moléculas, 1,4,5-trifosfato de inositol (IP3) y diacilglicerol (DAG) (paso 5, fig. 15.10), dos sustancias que tienen funciones importantes como segundos mensajeros en la señalización celular. A continuación se describe cada uno de estos segundos mensajeros.
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Diacilglicerol El diacilglicerol (fig. 15.10) es una molécula lipídica que permanece en la membrana plasmática después de su formación por PLCβ. Ahí recluta y activa proteínas efectoras que portan un dominio C1 de unión con DAG. La mejor estudiada de estas proteínas es la proteína cinasa C (PKC) (paso 6, fig. 15.10), que fosforila los residuos de serina y treonina en una gran variedad de proteínas blanco.
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La proteína cinasa C tiene varias funciones importantes en el crecimiento y diferenciación celulares, metabolismo celular, muerte celular y respuestas inmunitarias. La importancia aparente de la proteína cinasa C en el control del crecimiento se demuestra en estudios con un grupo de compuestos vegetales potentes, los ésteres de forbol, que se parecen al diacilglicerol. Estos compuestos activan a la proteína cinasa C en diversas células cultivadas, hacen que pierdan el control del crecimiento y se comporten como células malignas durante un tiempo. Cuando el éster de forbol se elimina del medio, las células recuperan sus propiedades de crecimiento normales. En cambio, las células que se modificaron mediante ingeniería genética para expresar de manera constitutiva la proteína cinasa C expresan un fenotipo maligno permanente en el cultivo celular y pueden originar tumores en ratones susceptibles. La importancia de PKC en la inducción de respuestas inmunitarias se advierte en estudios de un inhibidor específico de PKC llamado AEBO71, estudiado en seres humanos como un inmunodepresor para evitar el rechazo de riñones trasplantados, y para tratar la psoriasis, una dermatosis autoinmunitaria.
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1,4,5-trifosfato de inositol (IP3) El 1,4,5-trifosfato de inositol (IP3) es un fosfato de azúcar, una pequeña molécula hidrosoluble capaz de difundirse con rapidez por el interior de la célula. Las moléculas de IP3 formadas en la membrana se difunden hacia el citosol (paso 7, fig. 15.10) y se unen con un receptor específico para IP3 ubicado en la superficie del retículo endoplásmico liso (paso 8). En la página 280 se mencionó que el retículo endoplásmico liso es un sitio de almacenamiento de calcio en diversas células. El receptor IP3 también funciona como conducto tetramérico para el Ca2+. La unión de IP3 abre el conducto y permite que los iones Ca2+ se difundan al citoplasma (paso 9). Los iones de calcio también pueden considerarse segundos mensajeros o mensajeros intracelulares porque se unen con varias moléculas blanco, lo que activa reacciones específicas. En los dos ejemplos antes empleados, la contracción de una célula de músculo liso y la exocitosis de gránulos secretores con histamina en un mastocito se activan por las concentraciones elevadas de calcio. Éste también es el caso para la respuesta de una célula hepática a la hormona vasopresina (la misma hormona que tiene actividad antidiurética en el riñón, pág. 151). La vasopresina se une con su receptor en la superficie de la célula hepática y genera una serie de pulsos de liberación de Ca2+ mediados por IP3 que aparecen como oscilaciones de calcio libre en el registro que se muestra en la figura 15.11. La frecuencia e intensidad de estas oscilaciones pueden codificar la información que regula la reacción celular específica. El cuadro 15.2 presenta una lista de algunas de las respuestas mediadas por IP3. En la sección 15.5 se explica en forma más amplia sobre los iones Ca2+.
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Especificidad de las reacciones relacionadas con la proteína G
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Es evidente que una gran diversidad de agentes, entre ellos las hormonas, neurotransmisores y estímulos sensitivos, actúan mediante los GPCR y las proteínas G heterotriméricas para transmitir información a través de la membrana plasmática, lo que desencadena muchas y diversas respuestas celulares. Por tal razón, los GPCR en forma de grupo, pueden unirse a ligandos de muy diverso tipo. Además, el receptor que corresponde a un ligando particular existe en diferentes versiones (isoformas). Por ejemplo, los investigadores han identificado nueve isoformas diferentes del receptor adrenérgico que se une con la adrenalina y 15 isoformas distintas del receptor para serotonina, un neurotransmisor potente que liberan las células nerviosas en algunas partes del cerebro y que regula las emociones. Las diversas isoformas pueden tener afinidad distinta por el ligando o interactuar con diferentes tipos de proteínas G. Las isoformas diversas de un receptor pueden coexistir en la misma membrana plasmática o encontrarse en membranas de tipos distintos de células blanco. Las proteínas G heterotriméricas que transmiten señales del receptor al efector también pueden existir en múltiples isoformas, al igual que muchos de los efectores. Se han reconocido cuando menos 16 subunidades diferentes de Gα, cinco subunidades Gβ y 11 subunidades distintas de Gγ, junto con nueve isoformas del efector adenilciclasa. Las diferentes combinaciones de las subunidades específicas construyen proteínas G con distintas capacidades de reacción con isoformas específicas de receptores y efectores.
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Como se menciona en la página 624, algunas proteínas G actúan por la inhibición de sus efectores. El mismo estímulo puede activar una proteína G estimulante (una con alguna subunidad Gαs) en una célula y una proteína G inhibidora (una con alguna subunidad Gαi) en otra diferente. Por ejemplo, cuando la adrenalina se une con un receptor adrenérgico β en una célula de músculo cardiaco, se activa una proteína G con una subunidad Gαs, lo cual estimula la producción de cAMP, lo que a su vez aumenta la velocidad y fuerza de la contracción. En cambio, cuando la adrenalina se une con un receptor adrenérgico α en una célula de músculo liso en el intestino, se activa una proteína G con una subunidad Gαi, la cual inhibe la producción de cAMP e induce relajación del músculo. Por último, algunos receptores adrenérgicos activan proteínas G con subunidades Gαq, que activan PLCβ. Está claro que el mismo mensajero extracelular puede activar varias vías en distintas células.
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Regulación de las concentraciones de glucosa sanguínea
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Todos los tipos de células del cuerpo pueden utilizar glucosa como fuente de energía; se oxida a CO2 y H2O por hidrólisis en el ciclo del ácido tricarboxílico, lo que brinda a las células el ATP que puede emplearse para impulsar las reacciones que requieren energía. El cuerpo mantiene las concentraciones de glucosa en la sangre en un intervalo estrecho. Como se expone en el capítulo 3, en las células animales el exceso de glucosa se almacena en forma de glucógeno, un polímero grande y ramificado que consta de monómeros de glucosa unidos por enlaces glucosídicos. La hormona glucagón es producida por las células α del páncreas en respuesta a concentraciones bajas de glucosa en la sangre. El glucagón estimula la degradación del glucógeno y libera la glucosa en el torrente sanguíneo, lo cual causa aumento de sus concentraciones ahí. La hormona insulina es producida por las células β del páncreas en respuesta a altas concentraciones de glucosa y estimula la captación de ésta y su almacenamiento como glucógeno. Por último, la adrenalina (epinefrina), en ocasiones llamada hormona de “lucha o huida”, se produce en las glándulas suprarrenales en situaciones de estrés. La adrenalina incrementa las concentraciones sanguíneas de glucosa (glucemia) para proporcionar al organismo la energía extra necesaria para enfrentar la situación de estrés en un momento dado.
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La insulina actúa a través de la proteína tirosina cinasa receptora y su transducción de señales se expone en la página 644. En cambio, tanto el glucagón como la adrenalina actúan al unirse al GPCR. El glucagón es una proteína pequeña formada por 29 aminoácidos, mientras que la adrenalina es una molécula pequeña derivada de la tirosina. En términos de estructura, estas moléculas no tienen nada en común, aunque ambas se unen al GPCR y estimulan la degradación del glucógeno a 1-fosfato de glucosa (fig. 15.12). Además, la unión a cualquiera de estas hormonas inhibe a la enzima glucógeno sintasa que cataliza la reacción contraria en la cual se agregan unidades glucosa a las moléculas de glucógeno en crecimiento. Por lo tanto, dos estímulos diferentes (glucagón y adrenalina), reconocidos por receptores distintos, inducen la misma reacción en una misma célula blanco. Los dos receptores difieren sobre todo en la estructura del saco de unión con ligando en la superficie externa de la célula, que es específica para una u otra hormona. Después de la activación de sus ligandos respectivos, ambos receptores activan el mismo tipo de proteínas G heterotriméricas que elevan las concentraciones de cAMP.
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Movilización de glucosa: ejemplo de una reacción inducida por cAMP
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El cAMP se sintetiza por acción de la adenilil ciclasa, una proteína integral de la membrana cuyo dominio catalítico se encuentra en la superficie interna de la membrana plasmática (fig. 15.13). El cAMP induce una respuesta que conduce a la movilización de glucosa mediante una cadena de reacciones, como se ilustra en la figura 15.14. El primer paso en esta cascada de reacciones tiene lugar cuando la hormona se une con su receptor, lo que activa la subunidad Gαs, la cual promueve un efector de la adenilil ciclasa. La enzima activada cataliza la formación de cAMP (pasos 1 y 2, fig. 15.14).
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Una vez formadas, las moléculas de cAMP se difunden en el citoplasma, donde se unen con un sitio alostérico en una subunidad reguladora de una proteína cinasa dependiente de cAMP (proteína cinasa A, PKA) (paso 3, fig. 15.14). En su forma inactiva, la PKA es un heterotetrámero formado por dos subunidades reguladoras (R) y dos catalíticas (C). En condiciones normales, las subunidades reguladoras inhiben la actividad catalítica de la enzima. La unión con cAMP hace que se separen las subunidades inhibidoras, con lo que se liberan las subunidades catalíticas de la PKA. Los sustratos de la PKA en una célula hepática incluyen dos enzimas que tienen una función crucial en el metabolismo de la glucosa, la glucógeno sintasa y la fosforilasa cinasa (pasos 4 y 5). La fosforilación de la glucógeno sintasa inhibe su actividad catalítica, con lo que se impide la conversión de glucosa en glucógeno. En cambio, la fosforilación de la fosforilasa cinasa activa la enzima para que catalice la transferencia de grupos fosfatos a las moléculas de glucógeno fosforilasa. Como descubrieron Krebs y Fischer (pág. 115), la adición de un solo grupo fosfato a un residuo específico de serina en el polipéptido de la glucógeno fosforilasa activa esta enzima (paso 6), con lo que se estimula la degradación del glucógeno (paso 7). El 1-fosfato de glucosa que se forma en la reacción se convierte en glucosa, la cual se difunde a la corriente sanguínea y así llega a los otros tejidos del cuerpo (paso 8).
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Como pudiera esperarse, debe haber un mecanismo que revierta los pasos explicados antes; de lo contrario, la célula permanecería en el estado activado por tiempo indefinido. Las células hepáticas contienen fosfatasas que retiran los grupos fosfatos agregados por las cinasas. Un miembro particular de esta familia de enzimas, la fosfatasa 1, puede eliminar los fosfatos de todas las enzimas fosforiladas de la figura 15.14: fosforilasa cinasa, glucógeno sintasa y glucógeno fosforilasa. La destrucción de las moléculas de cAMP presentes en la célula se logra mediante la enzima fosfodiesterasa de cAMP, la cual ayuda a terminar la respuesta.
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Amplificación de señales
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La unión de una sola molécula de hormona con la superficie celular puede activar varias moléculas de la adenilciclasa, cada una de las cuales da origen a una gran cantidad de mensajeros cAMP en un periodo corto de tiempo. Por lo tanto, la producción de un segundo mensajero representa un mecanismo para amplificar de manera considerable la señal emitida por el mensaje original. Muchos de los pasos de la cascada de reacciones ilustrada en la figura 15.14 producen la amplificación de la señal (estos pasos se indican con las flechas azules). Las moléculas de cAMP activan la PKA. Cada subunidad catalítica de PKA fosforila una gran cantidad de moléculas de fosforilasa cinasa, las que a su vez fosforilan una cantidad aún mayor de moléculas de glucógeno fosforilasa, que luego pueden catalizar la formación de una cantidad mucho mayor de fosfatos de glucosa. Por lo tanto, lo que inicia como un estímulo apenas perceptible en la superficie celular pronto se transforma en una movilización mayor de glucosa dentro de la célula.
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Otros aspectos de las vías de transducción de la señal del cAMP
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Aunque la mayor parte de los efectos rápidos y mejor estudiados del cAMP se produce en el citoplasma, el núcleo y sus genes también intervienen en la respuesta. Una fracción de las moléculas de PKA activadas se traslada al núcleo, donde fosforila proteínas nucleares claves (paso 9, fig. 15.14), en particular un factor de transcripción denominado CREB (proteína de unión con el elemento de respuesta a cAMP). La versión fosforilada de CREB se une como dímero en puntos sobre el DNA (fig. 15.14, paso 10), que contiene una secuencia particular de nucleótidos (TGACGTCA), conocida como elemento de respuesta al cAMP (CRE). En la página 525 se explica que los elementos de respuesta son sitios en el DNA en los que se unen factores de transcripción y aumentan el ritmo de iniciación de la transcripción. Los CRE se localizan en las regiones reguladoras de los genes que participan en la respuesta al cAMP. Por ejemplo, en las células hepáticas, varias de las enzimas que participan en la gluconeogénesis, una vía en la que se forma glucosa a partir de intermediarios de la glucólisis (fig. 3.31), se codifican en genes que contienen los CRE cercanos. Por consiguiente, la adrenalina y el glucagón no sólo activan las enzimas catabólicas participantes en la degradación del glucógeno, sino que promueven también la síntesis de enzimas anabólicas necesarias para sintetizar glucosa a partir de precursores más pequeños.
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El cAMP se produce en muchas células diferentes como reacción a una gran diversidad de distintos ligandos (es decir, primeros mensajeros). El cuadro 15.3 lista varias de las respuestas hormonales mediadas por cAMP en las células de los mamíferos. Las vías del cAMP también se han referido en procesos que ocurren en el sistema nervioso, como el aprendizaje, la memoria y la adicción a las drogas. Por ejemplo, el consumo crónico de opiáceos eleva los niveles de adenilil ciclasa y PKA, lo cual puede ser causa, al menos en parte, de las reacciones fisiológicas que se observan durante la abstinencia farmacológica. Otro nucleótido cíclico, el GMP cíclico, también actúa como segundo mensajero en ciertas células, como lo ilustra la relajación inducida en las células de músculo liso que se explica en la página 656. Además, el GMP cíclico tiene una función clave en la vía de señalización de la visión.
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Como el cAMP ejerce la mayor parte de sus efectos mediante la activación de PKA, la reacción de una célula determinada al cAMP casi siempre depende de las proteínas específicas que se fosforilan por acción de esta cinasa (fig. 15.15). Aunque la activación de PKA en la célula hepática como respuesta a la adrenalina conduce a la degradación del glucógeno, la activación de la misma enzima en una célula del túbulo renal como reacción a la vasopresina produce una mayor permeabilidad de la membrana al agua y en una célula tiroidea como respuesta a la TSH conduce a la secreción de la hormona tiroidea. Es claro que la PKA debe fosforilar diferentes sustratos en cada uno de estos tipos celulares, con lo cual vincula el incremento de las concentraciones de cAMP inducido por adrenalina, vasopresina y TSH con diferentes respuestas fisiológicas.
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Se han descrito más de 100 sustratos de PKA. La mayor parte de ellos realiza funciones separadas, lo cual hace surgir la interrogante de cómo es que la PKA fosforila los sustratos apropiados en respuesta a un estímulo específico en un tipo celular específico. La respuesta se obtuvo en parte de la observación de que diferentes células expresan diferentes sustratos de PKA y también en parte del descubrimiento de proteínas fijadoras de PKA o AKAP, que funcionan como centros de señalización. Las primeras AKAP se descubrieron como proteínas co-purificadas con PKA. Desde entonces se han descubierto al menos 50 AKAP diferentes, algunas de las cuales se muestran en la figura 15.16. Como se indica en esta figura, las AKAP proporcionan un marco estructural para coordinar interacciones proteína-proteína secuestrando PKA en sitios específicos de la célula. En consecuencia, la PKA se acumula en estrecha proximidad con uno o más sustratos. Cuando las concentraciones de cAMP aumentan y se activa la PKA, los sustratos necesarios están a la mano y son los primeros en ser fosforilados. Así, la selección de sustratos es en parte consecuencia de la localización de PKA en presencia de sustratos específicos. Diferentes células expresan diferentes AKAP, de lo que resulta la localización de PKA cerca de diferentes sustratos y por tal motivo la fosforilación de diferentes sustratos después de un aumento en la concentración de cAMP. Es interesante observar que, a diferencia de la mayoría de las proteínas con función similar, las AKAP tienen diversas estructuras, lo cual sugiere que la evolución dirigió distintos tipos de proteínas a realizar una actividad similar en la señalización celular.
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La función de los GPCR en la percepción sensitiva
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La capacidad de los seres humanos para ver, percibir sabores y olores depende en buena medida de los GPCR. Antes se mencionó que la rodopsina, cuya estructura se mostró en la figura 15.5b, es un GPCR. La rodopsina es la proteína sensible a la luz presente en los bastones de la retina, que son las células fotorreceptoras que responden a la baja intensidad de luz y proporcionan las imágenes en blanco y negro del ambiente por la noche o en una habitación oscura. En los conos de la retina existen varios GPCR muy relacionados que suministran la capacidad para la visión a color cuando la luz es más intensa. La absorción de un solo fotón induce un cambio en la conformación en la molécula de rodopsina, la cual transmite la señal a una proteína G heterotrimérica (llamada transducina), que a su vez activa al efector unido. En este caso, el efector es la enzima fosfodiesterasa de cGMP, que hidroliza al nucleótido cGMP, un segundo mensajero con estructura similar al cAMP (fig. 15.13). El cGMP tiene un cometido importante en la excitación visual en los bastones de la retina. En la oscuridad, son grandes los niveles de cGMP y por ello pueden unirse a los conductos de sodio regulados por cGMP en la membrana plasmática, de modo que conservan a los conductos con una configuración abierta y ello culmina en una continua penetración de corriente de iones (“corriente propia de la oscuridad”). La activación de fosfodiesterasa de cGMP da por resultado concentraciones más bajas de cGMP, lo que ocasiona el cierre de los conductos de sodio. Esta respuesta, inusual en el sentido de que es inducida por un disminución en la concentración de un segundo mensajero, puede hacer que se generen potenciales de acción a lo largo del nervio óptico.
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El sentido del olfato depende de los impulsos nerviosos transmitidos por las neuronas olfatorias desde el epitelio que recubre la parte superior de la cavidad nasal hasta el bulbo olfatorio, que se localiza en la base del cerebro. Las puntas distales de estas neuronas, que se encuentran en el epitelio nasal, contienen receptores olfatorios, que son GPCR capaces de unirse con varias sustancias que ingresan a la nariz. Los receptores olfatorios de los mamíferos fueron identificados por primera vez en 1991 por Linda Buck y Richard Axel de la Columbia University. Se estima que los seres humanos expresan apenas 400 receptores olfatorios diferentes que, en conjunto, pueden combinarse con una gran variedad de estructuras químicas distintas (odorantes).1
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Cada neurona olfatoria expresa sólo un alelo de uno de los cientos de receptores olfatorios diferentes codificados en el genoma y, por consiguiente, sólo es capaz de reaccionar a una o unas cuantas sustancias relacionadas. Como resultado, la activación de distintas neuronas que contienen diversos receptores olfatorios proporciona la percepción de diversos aromas. Esto no significa que una sola sustancia no interactúe con más de un receptor olfatorio, sino más bien que la combinación específica de receptores activados por ese compuesto pueda intervenir de manera decisiva para la génesis de un “olor” particular. Las mutaciones en un gen específico que codifica un receptor oloroso particular pueden hacer que la persona sea incapaz de detectar el olor de una sustancia química precisa en el entorno, que percibirían otros miembros de la población. Los receptores olorosos, activados por ligandos unidos envían señales a través de proteínas G heterotriméricas hasta la adenilil ciclasa y ello culmina en la síntesis de cAMP y la abertura de un conducto catiónico regulado por cAMP. La respuesta anterior permite que se generen potenciales de acción transmitidos al encéfalo.
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La percepción del sabor por parte de los humanos es mucho menos discriminativa que la del olfato. Cada célula receptora del gusto en la lengua transmite sólo una de cinco características básicas que son: salado, agrio, dulce, amargo o umami (término japonés que denota “gustoso”). Las células receptoras del gusto que inducen el sabor de umami reaccionan a los aminoácidos, ácidos aspártico y glutámico y a nucleótidos purínicos y generan una percepción de que un alimento es “sabroso”; ésta es la explicación de la adición frecuente de glutamato monosódico y guanilato disódico a alimentos preparados para intensificar su sabor. El sabor umami agradable, según se piensa, es producto de la evolución como mecanismo para impulsar a los mamíferos a buscar alimentos con abundantes proteínas. La percepción de que un alimento o bebida es salado o agrio es inducida directamente por iones sódicos o protones en el alimento. Estos iones pasan a través de la membrana plasmática de células receptoras, por medio de los conductos de sodio o hidrógeno, respectivamente lo cual culmina en una despolarización de la membrana plasmática de tales células (pág. 166). En cambio, la percepción de que el alimento es amargo, dulce o sabroso, depende de la interacción de compuestos de GPCR en la superficie de la célula receptora. Los humanos codifican una familia de unos 30 receptores del sabor amargo llamados T2R acoplados a la misma proteína G heterotrimérica. En forma de grupo, tales receptores gustativos se unen a muy diversos compuestos como serían alcaloides o cianuros vegetales, que inducen un sabor amargo en la boca. En su mayor parte, las sustancias que desencadenan tal percepción son tóxicas, e inducen una respuesta protectora desagradable que provoca la expulsión de la sustancia, desde la boca. A diferencia de las células olfatorias que contienen una sola proteína receptora, una sola célula de yema gustativa que induce una sensación amarga contiene diversos receptores T2R que responden a sustancias nocivas. Como consecuencia, las sustancias heterogéneas desencadenan el mismo sabor básico que indica que simplemente el alimento que se tiene en la boca es amargo y desagradable. A diferencia de ello, el alimento que genera un sabor dulce posiblemente es el que contiene carbohidratos con abundantes calorías. Los humanos poseen sólo un receptor de alta afinidad del sabor dulce (el heterodímero T1R2-T1R3) y reacciona a los azúcares, a algunos péptidos dulces y proteínas (como la monelina) y edulcorantes artificiales. Los receptores de umami consisten en un heterodímero TR1-TR3. Por fortuna, cuando se mastica, el alimento libera sustancias odoríferas que se desplazan por la faringe hasta las células receptoras olfatorias de la mucosa nasal, lo que posibilita que el cerebro diferencie mucho más en la comida consumida que en los mensajes relativamente simples que suministran los receptores gustativos. Esta información combinada de las neuronas olfatorias y gustativas es la que proporciona el rico sentido del gusto. La importancia de las neuronas olfatorias en la percepción del gusto se torna más evidente cuando un resfriado impide reconocer parte del sabor de los alimentos.
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REVISIÓN
¿Cuál es la participación de las proteínas G en una vía de señalización?
Describa el experimento de Sutherland que condujo al concepto del segundo mensajero.
¿Qué significa el término amplificación respecto de la transducción de señales?, ¿cómo es que el uso de una cascada de reacciones provoca amplificación de una señal?, ¿cómo incrementa esto las posibilidades de regulación metabólica?
¿De qué manera el mismo primer mensajero, como la adrenalina, puede inducir diferentes reacciones en distintas células blanco y cómo el mismo segundo mensajero, como el cAMP, también es capaz de suscitar diferentes respuestas en distintas células blanco? Por último ¿de qué forma distintos estímulos pueden iniciar la misma respuesta, como la degradación del glucógeno?
Describa los pasos que llevan de la síntesis de cAMP en la superficie interna de la membrana plasmática de una célula hepática a la liberación de glucosa hacia el torrente sanguíneo. ¿Cómo controlan el proceso las GRK y la arrestina y cómo las fosfatasas de proteína y la fosfodiesterasa de cAMP?
Describa los pasos entre la unión de un ligando como el glucagón a un receptor con siete dominios transmembrana y la activación de un efector como la adenilil ciclasa. ¿Cómo se atenúa esta respuesta en condiciones normales?
¿Cuál es el mecanismo de formación del segundo mensajero IP3?, ¿cuál es la relación entre la formación de IP3 y el aumento de la [Ca2+] intracelular?
Describa la relación entre el fosfatidilinositol, diacilglicerol, iones de calcio y proteína cinasa C. ¿De qué manera los ésteres de forbol interfieren con las vías de señalización que incluyen diacilglicerol?
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