¿Para qué se necesitan las proteínas G? El mecanismo de funcionamiento de los receptores acoplados a proteína G.

Ideas generales sobre las vías de transducción de señales.

Para la mayoría de las moléculas reguladoras, entre su unión a un receptor de membrana y la respuesta final de la célula, es decir, al cambiar su funcionamiento, se interponen series complejas de eventos: ciertas vías de transmisión de señales, también llamadas a través de vías de transducción de señales.

Las sustancias reguladoras suelen dividirse en endocrinas, neurocrinas y paracrinas. Endocrino reguladores (hormonas) secretada por las células endocrinas a la sangre y transportada por ésta a las células diana, que pueden ubicarse en cualquier parte del cuerpo. neurocrino Los reguladores son liberados por neuronas en las inmediaciones de las células diana. paracrino Las sustancias se liberan un poco más lejos de los objetivos, pero aún lo suficientemente cerca de ellos para llegar a los receptores. Las sustancias paracrinas son secretadas por un tipo de célula y actúan sobre otra, pero en algunos casos los reguladores están destinados a las células que las secretaron, o a células vecinas del mismo tipo. se llama autocrino regulación.

En algunos casos, la última etapa de la transducción de señales consiste en la fosforilación de determinadas proteínas efectoras, lo que conduce a un aumento o disminución de su actividad, y esto, a su vez, determina la respuesta celular necesaria para el organismo. Se lleva a cabo la fosforilación de proteínas. proteína quinasas y desfosforilación - Proteínas fosfatasas.

Los cambios en la actividad de la proteína quinasa ocurren como resultado de la unión de una molécula reguladora (generalmente llamada ligando) con su receptor de membrana, que desencadena cascadas de eventos, algunos de los cuales se muestran en la figura (Fig. 2-1). La actividad de varias proteínas quinasas está regulada por el receptor no directamente, sino a través de mensajeros secundarios(intermediarios secundarios), cuyo papel lo desempeñan, por ejemplo, AMP cíclico (AMPc), GMP cíclico (GMPc), Ca 2+, inositol-1,4,5-trifosfato (IP 3) Y diacilglicerol (DAG). En este caso, la unión del ligando al receptor de membrana cambia el nivel intracelular del segundo mensajero, lo que, a su vez, afecta la actividad de la proteína quinasa. Muchos reguladores

Estas moléculas influyen en los procesos celulares a través de vías de transducción de señales que involucran Proteínas heterotriméricas de unión a GTP (proteínas G heterotriméricas) o Proteínas monoméricas de unión a GTP (proteínas G monoméricas).

Cuando las moléculas de ligando se unen a receptores de membrana que interactúan con proteínas G heterotriméricas, la proteína G pasa a un estado activo al unirse a GTP. La proteína G activada puede entonces interactuar con muchos proteínas efectoras principalmente por enzimas como adenilato ciclasa, fosfodiesterasa, fosfolipasa C, A 2 Y D. Esta interacción desencadena cadenas de reacciones (fig. 2-1), que terminan con la activación de diversas proteínas quinasas, como proteína quinasa A (PKA), proteína quinasa G (PKG), proteína quinasa C (PKI).

En términos generales, la vía de transducción de señales que involucra proteínas G - proteínas quinasas incluye los siguientes pasos.

1. El ligando se une a un receptor de la membrana celular.

2. El receptor unido al ligando, al interactuar con la proteína G, la activa y la proteína G activada se une al GTP.

3. La proteína G activada interactúa con uno o más de los siguientes compuestos: adenilato ciclasa, fosfodiesterasa, fosfolipasas C, A 2, D, activándolos o inhibiéndolos.

4. El nivel intracelular de uno o más segundos mensajeros, como cAMP, cGMP, Ca 2+, IP 3 o DAG, aumenta o disminuye.

5. Un aumento o disminución en la concentración del segundo mensajero afecta la actividad de una o más proteínas quinasas que dependen de él, como la proteína quinasa dependiente de AMPc (proteína quinasa A), la proteína quinasa dependiente de cGMP (PKG), proteína quinasa dependiente de calmodulina(CMPC), proteína quinasa C. Un cambio en la concentración del segundo mensajero puede activar uno u otro canal iónico.

6. Cambia el nivel de fosforilación de una enzima o canal iónico, lo que afecta la actividad del canal iónico, determinando la respuesta final de la célula.

Arroz. 2-1. Unas cascadas de acontecimientos realizados en la célula gracias a mensajeros secundarios.

Designaciones: * - enzima activada

Receptores de membrana acoplados a proteína G

Los receptores de membrana que median la activación de proteínas G dependiente de agonistas constituyen una familia especial de proteínas, con más de 500 miembros. Incluye acetilcolina muscarínica α y β adrenérgica, serotonina, adenosina, receptores olfativos, rodopsina y receptores para la mayoría de las hormonas peptídicas. Los miembros de la familia de receptores acoplados a proteína G tienen siete hélices α transmembrana (Figura 2-2 A), cada una de las cuales contiene 22 a 28 residuos de aminoácidos predominantemente hidrofóbicos.

Para algunos ligandos, como la acetilcolina, la epinefrina, la norepinefrina y la serotonina, se conocen diferentes subtipos de receptores acoplados a proteína G. A menudo difieren en su afinidad por los agonistas y antagonistas competitivos.

A continuación se presenta (Fig. 2-2 B) la organización molecular de la adenilato ciclasa, una enzima que produce AMPc (el primer segundo mensajero descubierto). La vía reguladora de la adenilato ciclasa se considera la vía clásica de transducción de señales mediada por la proteína G.

La adenilato ciclasa sirve como base para el control positivo o negativo de las vías de transducción de señales a través de las proteínas G. En un control positivo, la unión de un ligando estimulante, como la epinefrina, que actúa a través de receptores β-adrenérgicos, conduce a la activación de proteínas G heterotriméricas con la subunidad α del tipo as (“s” significa estimulación). La activación de las proteínas G de tipo Gs por el receptor unido al ligando hace que su subunidad as se una al GTP y luego se disocia del dímero βγ.

La figura 2-2 B muestra cómo la fosfolipasa C descompone el fosfatidilinositol 4,5-bifosfato en inositol 1,4,5-trifosfato y diacilglicerol. Ambas sustancias, el inositol 1,4,5-trifosfato y el diacilglicerol, son mensajeros secundarios. IP3, que se une a canales de Ca 2+ específicos dependientes de ligando del retículo endoplásmico, libera Ca 2+ de él, es decir, aumenta la concentración de Ca 2+ en el citosol. El diacilglicerol, junto con el Ca 2+, activa otra clase importante de proteínas quinasas: la proteína quinasa C.

Luego se muestra la estructura de algunos segundos mensajeros (Fig. 2-2 D-E): cAMP, GMP,

cGMP.

Arroz. 2-2. Ejemplos de la organización molecular de algunas estructuras implicadas en vías de transducción de señales.

A es un receptor de membrana celular que se une a un ligando en la superficie exterior y a una proteína G heterotrimérica en el interior. B - organización molecular de la adenilato ciclasa. B - estructura del fosfatidilinositol-4,5-difosfato e inositol-1,4,5-trifosfato y diacilglicerol formados bajo la acción de la fosfolipasa C. D - estructura del AMP cíclico 3",5" (activador de la proteína quinasa A). D - estructura de HMF. E - estructura del GMP cíclico de 3",5" (activador de la proteína quinasa G)

Proteínas G heterotriméricas

La proteína G heterotrimérica consta de tres subunidades: α (40 000 a 45 000 Da), β (aproximadamente 37 000 Da) y γ (8 000 a 10 000 Da). Actualmente se conocen alrededor de 20 genes diferentes que codifican estas subunidades, incluidos al menos cuatro genes de la subunidad β y aproximadamente siete genes de la subunidad γ de mamíferos. La función y especificidad de una proteína G suele estar determinada, aunque no siempre, por su subunidad α. En la mayoría de las proteínas G, las subunidades β y γ están estrechamente unidas entre sí. En la tabla se enumeran algunas proteínas G heterotriméricas y las vías de transducción en las que participan. 2-1.

Las proteínas G heterotriméricas sirven como intermediarias entre los receptores de la membrana plasmática para más de 100 sustancias reguladoras extracelulares y los procesos intracelulares que controlan. En términos generales, la unión de una sustancia reguladora a su receptor activa una proteína G, que activa o inhibe la enzima y/o desencadena una cadena de eventos que conducen a la activación de canales iónicos específicos.

En la figura. 2-3 muestra el principio general de funcionamiento de las proteínas G heterotriméricas. En la mayoría de las proteínas G, la subunidad α es el "elemento de trabajo" de las proteínas G heterotriméricas. La activación de la mayoría de las proteínas G conduce a un cambio conformacional en esta subunidad. Las proteínas G inactivas existen principalmente en forma de heterotrímeros αβγ,

con GDP en posiciones de unión de nucleótidos. La interacción de las proteínas G heterotriméricas con el receptor unido al ligando conduce a la conversión de la subunidad α en una forma activa con una mayor afinidad por el GTP y una afinidad reducida por el complejo βγ. Como resultado, la subunidad α activada libera GDP, se une a GTP y luego se disocia del dímero βγ. Para la mayoría de las proteínas G, la subunidad α disociada interactúa con proteínas efectoras en la vía de transducción de señales. Sin embargo, para algunas proteínas G, el dímero βγ liberado puede ser responsable de todos o algunos de los efectos del complejo receptor-ligando.

El funcionamiento de algunos canales iónicos está modulado directamente por las proteínas G, es decir, sin la participación de mensajeros secundarios. Por ejemplo, la unión de acetilcolina a los receptores muscarínicos M2 del corazón y de algunas neuronas conduce a la activación de una clase especial de canales de K+.

En este caso, la unión de la acetilcolina al receptor muscarínico conduce a la activación de la proteína G. Su subunidad α activada luego se disocia del dímero βγ, y el dímero βγ interactúa directamente con una clase especial de canales de K +, llevándolos al estado abierto. La unión de la acetilcolina a los receptores muscarínicos, que aumenta la conductividad de K+ de las células marcapasos en el nódulo sinoauricular del corazón, es uno de los principales mecanismos por los cuales los nervios parasimpáticos provocan una disminución de la frecuencia cardíaca.

Arroz. 2-3. El principio de funcionamiento de las proteínas de unión a GTP heterotriméricas (proteínas G heterotriméricas).Tabla 2-1.

Algunas proteínas de unión a GTP heterotriméricas de mamíferos, clasificadas según sus subunidades α*

* Dentro de cada clase de subunidades α, se distinguen varias isoformas. Se han identificado más de 20 subunidades α.

Proteínas G monoméricas Las células contienen otra familia de proteínas de unión a GTP llamadas monomérico Proteínas de unión a GTP. También son conocidos como o Proteínas G de bajo peso molecular proteínas G pequeñas

(peso molecular 20.000-35.000 Da). En la tabla 2-2 se enumeran las principales subclases de proteínas monoméricas de unión a GTP y algunas de sus propiedades. Las proteínas monoméricas de unión a GTP similares a Ras y Rho están involucradas en la vía de transducción de señales en la etapa de transmisión de señales desde la tirosina quinasa, el receptor del factor de crecimiento, a los efectores intracelulares. Entre los procesos regulados por vías de transducción de señales en los que intervienen proteínas monoméricas de unión a GTP se encuentran el alargamiento de la cadena polipeptídica durante la síntesis de proteínas, la proliferación y diferenciación de las células, su degeneración maligna, el control del citoesqueleto de actina, la comunicación entre el citoesqueleto

y matriz extracelular, transporte de vesículas entre diversos orgánulos y secreción exocitótica. proteínas liberadoras de nucleótidos de guanina, y estan inactivados Proteínas activadoras de GTPasa. Así, la activación e inactivación de proteínas monoméricas de unión a GTP está controlada por señales que alteran la actividad. proteínas liberadoras de nucleótidos de guanina o Proteínas activadoras de GTPasa en lugar de apuntar directamente a las proteínas G monoméricas.

Arroz. 2-4. El principio de funcionamiento de las proteínas monoméricas de unión a GTP (proteínas G monoméricas).

Tabla 2-2.Subfamilias de proteínas monoméricas de unión a GTP y algunos procesos intracelulares regulados por ellas.

Mecanismo de acción de las proteínas G heterotriméricas.

Las proteínas G inactivas existen principalmente en forma de heterotrímeros αβγ, con GDP en sus posiciones de unión a nucleótidos (Figura 2-5 A). La interacción de las proteínas G heterotriméricas con el receptor unido al ligando conduce a la transformación de la subunidad α en una forma activa, que tiene una mayor afinidad por el GTP y una menor afinidad por el complejo βγ (fig. 2-5 B). ). En la mayoría de las proteínas G heterotriméricas, la subunidad α es la estructura que transmite información. La activación de la mayoría de las proteínas G conduce a un cambio conformacional en la subunidad α.

Como resultado, la subunidad α activada libera GDP, une GTP (fig. 2-5 B) y luego se disocia del dímero βγ (fig. 2-5 D). En la mayoría de las proteínas G, la subunidad α disociada interactúa inmediatamente con las proteínas efectoras (E 1) en la vía de transducción de señales (fig. 2-5 D). Sin embargo, para algunas proteínas G, el dímero βγ liberado puede ser responsable de todos o algunos de los efectos del complejo receptor-ligando. Luego, el dímero βγ interactúa con la proteína efectora E 2 (fig. 2-5 E). Se ha demostrado además que los miembros de la familia de proteínas G RGS estimulan la hidrólisis de GTP (fig. 2-5 E). Esto inactiva la subunidad α y combina todas las subunidades en un heterotrímero αβγ.

Arroz. 2-5. El ciclo de funcionamiento de una proteína G heterotrimérica, que desencadena una cadena adicional de eventos con la ayuda de suα -subunidades.

Designaciones: R - receptor, L - ligando, E - proteína efectora

Vías de transducción de señales a través de proteínas G heterotriméricas.

La figura 2-6 A muestra los tres ligandos, sus receptores acoplados a diferentes proteínas G y sus objetivos moleculares. La adenilato ciclasa es la base para el control positivo o negativo de las vías de transducción de señales mediadas por proteínas G. En un control positivo, la unión de un ligando estimulante, como la norepinefrina, que actúa a través de receptores β-adrenérgicos, conduce a la activación de proteínas G heterotriméricas con la subunidad α tipo α S (“s” significa estimulación). Por lo tanto, dicha proteína G se denomina proteína G tipo G S. La activación de proteínas G de tipo G s por un receptor unido a ligando hace que su subunidad α s se una al GTP y luego se disocia del dímero βγ.

Otras sustancias reguladoras, como la epinefrina, que actúa a través de los receptores α 2, o la adenosina, que actúa a través de los receptores α 1, o la dopamina, que actúa a través de los receptores D 2, participan en el control negativo o inhibidor de la adenilato ciclasa. Estas sustancias reguladoras activan las proteínas G de tipo G i, que tienen una subunidad α del tipo α i (“i” significa inhibición). Unión de un ligando inhibidor a su

el receptor activa el tipo G i de proteínas G y provoca la disociación de su subunidad α i del dímero βγ. La subunidad α i activada se une a la adenilato ciclasa y suprime su actividad. Además, los dímeros βγ pueden unirse a subunidades αs libres. De esta manera, la unión de los dímeros βγ a la subunidad α s libre suprime aún más la estimulación de la adenilato ciclasa, bloqueando la acción de los ligandos estimuladores.

Otra clase de agonistas extracelulares (fig. 2-6 A) se une a receptores que activan, a través de una proteína G llamada G q, la isoforma β de la fosfolipasa C. Escinde el fosfatidilinositol 4,5-bifosfato (un fosfolípido presente en pequeñas cantidades). en la membrana plasmática) al inositol 1,4,5-trifosfato y diacilglicerol, que son mensajeros secundarios. IP 3, que se une a canales de Ca 2+ específicos dependientes de ligando del retículo endoplásmico, libera Ca 2+ de él, es decir, aumenta la concentración de Ca 2+ en el citosol. Los canales de Ca 2+ del retículo endoplásmico participan en el acoplamiento electromecánico en el músculo esquelético y cardíaco. El diacilglicerol, junto con el Ca 2+, activa la proteína quinasa C. Sus sustratos incluyen, por ejemplo, proteínas implicadas en la regulación de la división celular.

Arroz. 2-6. Ejemplos de vías de transducción de señales a través de proteínas G heterotriméricas.

A: en los tres ejemplos dados, la unión de un neurotransmisor a un receptor conduce a la activación de la proteína G y la posterior activación de las vías del segundo mensajero. G s , G q y G i se refieren a tres tipos diferentes de proteínas G heterotriméricas. B: la regulación de las proteínas celulares por fosforilación conduce a un aumento o disminución de su actividad y esto, a su vez, determina la reacción celular necesaria para el organismo. La fosforilación de proteínas se lleva a cabo mediante proteínas quinasas y la desfosforilación se lleva a cabo mediante proteínas fosfatasas. La proteína quinasa transfiere un grupo fosfato (Pi) del ATP a residuos de proteínas de serina, treonina o tirosina. Esta fosforilación cambia reversiblemente la estructura y función de las proteínas celulares. Ambos tipos de enzimas (quinasas y fosfatasas) están reguladas por diferentes segundos mensajeros intracelulares.

Vías de activación de proteínas quinasas intracelulares.

La interacción de las proteínas G heterotriméricas con el receptor unido al ligando conduce a la transformación de la subunidad α en una forma activa, que tiene una mayor afinidad por el GTP y una afinidad reducida por el complejo βγ. La activación de la mayoría de las proteínas G produce un cambio conformacional en la subunidad α, que libera GDP, se une a GTP y luego se disocia del dímero βγ. La subunidad α disociada luego interactúa con proteínas efectoras en la vía de transducción de señales.

La Figura 2-7 A demuestra la activación de proteínas G heterotriméricas de tipo G s con la subunidad α de tipo s, que se produce debido a la unión al ligando del receptor y conduce a la unión de la subunidad α s de proteínas G de tipo G s GTP y luego se disocia del dímero βγ y luego interactúa con adenilato ciclasa. Esto conduce a un aumento en los niveles de AMPc y a la activación de PKA.

La Figura 2-7 B demuestra la activación de proteínas G heterotriméricas de tipo G t con la subunidad α de tipo t, que se produce debido a la unión al ligando del receptor y conduce al hecho de que la subunidad α t de tipo G t Las proteínas G se activan y luego se disocian del dímero βγ y luego interactúan con fosfodiesterasa. Esto conduce a un aumento en los niveles de cGMP y a la activación de PKG.

El receptor de catecolaminas α 1 interactúa con la subunidad G αq, que activa la fosfolipasa C. La Figura 2-7 B demuestra la activación de proteínas G heterotriméricas del tipo G αq con la subunidad α del tipo α q, que se produce debido a la unión del ligando al receptor y conduce a que la subunidad α q de las proteínas G tipo G αq se active y luego se disocia del dímero βγ, y luego interactúa con fosfolipasa c. Escinde el fosfatidilinositol 4,5-difosfato en IP 3 y DAG. Esto da como resultado un aumento en los niveles de IP 3 y DAG. IP 3, unión a canales de Ca 2+ dependientes de ligando específicos del retículo endoplásmico,

libera Ca 2+ de él.

DAG provoca la activación de la proteína quinasa C. En una célula no estimulada, una cantidad significativa de esta enzima se encuentra en el citosol en forma inactiva. Ca 2+ hace que la proteína quinasa C se una a la superficie interna de la membrana plasmática. En este caso, la enzima puede activarse mediante diacilglicerol, que se forma mediante la hidrólisis del fosfatidilinositol 4,5-bifosfato. La fosfatidilserina de membrana también puede ser un activador de la proteína quinasa C si la enzima se encuentra en la membrana.

Se han descrito alrededor de 10 isoformas de proteína quinasa C, aunque algunas de ellas están presentes en muchas células de mamíferos, los subtipos γ y ε se encuentran principalmente en células del sistema nervioso central. Los subtipos de proteína quinasa C difieren no solo en su distribución por todo el cuerpo, sino, aparentemente, también en los mecanismos para regular su actividad. Algunos de ellos en células no estimuladas están asociados con la membrana plasmática, es decir. no requieren un aumento en la concentración de Ca 2+ para su activación. Algunas isoformas de la proteína quinasa C son activadas por el ácido araquidónico u otros ácidos grasos insaturados.

La activación transitoria inicial de la proteína quinasa C ocurre bajo la influencia del diacilglicerol, que se libera cuando se activa la fosfolipasa C β, y también bajo la influencia del Ca 2+ liberado de las reservas intracelulares por el IP 3. La activación duradera de la proteína quinasa C es provocada por las fosfolipasas A 2 y D dependientes de receptores. Actúan principalmente sobre la fosfatidilcolina, el principal fosfolípido de membrana. La fosfolipasa A 2 separa el ácido graso de la segunda posición (generalmente insaturado) y la lisofosfatidilcolina. Ambos productos activan ciertas isoformas de la proteína quinasa C. La fosfolipasa D dependiente del receptor descompone la fosfatidilcolina para que se formen ácido fosfatídico y colina. El ácido fosfatídico se escinde aún más en diacilglicerol, que participa en la estimulación a largo plazo de la proteína quinasa C.

Arroz. 2-7. Principios básicos de activación de la proteína quinasa A, proteína quinasa G y proteína quinasa C.

Designaciones: R - receptor, L - ligando

En ausencia de AMPc, la proteína quinasa dependiente de AMPc (proteína quinasa A) consta de cuatro subunidades: dos reguladoras y dos catalíticas. En la mayoría de los tipos de células, la subunidad catalítica es la misma y las subunidades reguladoras son muy específicas. La presencia de subunidades reguladoras suprime casi por completo la actividad enzimática del complejo. Por tanto, la activación de la actividad enzimática de la proteína quinasa dependiente de AMPc debe implicar la disociación de las subunidades reguladoras del complejo.

La activación se produce en presencia de concentraciones micromolares de AMPc. Cada subunidad reguladora une dos de sus moléculas. La unión de AMPc induce cambios conformacionales en las subunidades reguladoras y reduce la afinidad de su interacción con las subunidades catalíticas. Como resultado, las subunidades reguladoras se separan de las subunidades catalíticas y estas se activan. La subunidad catalítica activa fosforila proteínas diana en residuos específicos de serina y treonina.

Una comparación de las secuencias de aminoácidos de las proteínas quinasas dependientes de AMPc y de otras clases muestra que, a pesar de las fuertes diferencias en sus propiedades reguladoras, todas estas enzimas son altamente homólogas en la estructura primaria de la parte media. Esta parte contiene el dominio de unión a ATP y el sitio activo de la enzima, que asegura la transferencia de fosfato del ATP a la proteína aceptora. Las regiones quinasas más allá de esta sección media catalítica de la proteína están involucradas en la regulación de la actividad quinasa.

También se ha determinado la estructura cristalina de la subunidad catalítica de la proteína quinasa dependiente de AMPc. La parte media catalítica de la molécula, presente en todas las proteínas quinasas conocidas, consta de dos partes. La porción más pequeña contiene un sitio de unión a ATP inusual y la porción más grande contiene un sitio de unión a péptido. Muchas proteínas quinasas también contienen una región reguladora conocida como dominio pseudosustrato. En la secuencia de aminoácidos, se parece a las regiones fosforilables de las proteínas sustrato. El dominio pseudosustrato, al unirse al sitio activo de la proteína quinasa, inhibe la fosforilación de los verdaderos sustratos de la proteína quinasa. La activación de la quinasa puede implicar la fosforilación o modificación alostérica no covalente de la proteína quinasa para eliminar el efecto inhibidor del dominio pseudosustrato.

Arroz. 2-8. Proteína quinasa A dependiente de AMPc y objetivos.

Cuando la epinefrina se une a su receptor correspondiente, la activación de la subunidad α s estimula la adenilato ciclasa para aumentar los niveles de AMPc. El AMPc activa la proteína quinasa A, que, mediante la fosforilación, tiene tres efectos principales. (1) La proteína quinasa A activa la glucógeno fosforilasa quinasa, que fosforila y activa la glucógeno fosforilasa. (2) La proteína quinasa A inactiva la glucógeno sintasa y, por tanto, reduce la formación de glucógeno. (3) La proteína quinasa A activa el inhibidor de la fosfoproteína fosfatasa-1 y, por lo tanto, inhibe la fosfatasa. El efecto general es coordinar los cambios en los niveles de glucosa.

Denominaciones: UDP-glucosa - glucosa difosfato de uridina

Regulación hormonal de la actividad de la adenilato ciclasa.

La figura 2-9 A muestra el mecanismo principal de estimulación e inhibición de la adenilato ciclasa inducida por hormonas. La interacción de un ligando con un receptor asociado con una subunidad α de tipo α s (estimulante) provoca la activación de la adenilato ciclasa, mientras que la interacción de un ligando con un receptor asociado con una subunidad α de tipo α i (inhibitoria) provoca inhibición de la enzima. La subunidad G βγ es idéntica tanto en las proteínas G estimulantes como en las inhibidoras. Las subunidades y receptores G α son diferentes. La formación de complejos G α GTP activos estimulada por ligando se produce a través de los mismos mecanismos en las proteínas G αs y G αi. Sin embargo, G αs GTP y G αi GTP interactúan de manera diferente con la adenilato ciclasa. Uno (G αs GTP) estimula y el otro G αi GTP) inhibe su actividad catalítica.

La figura 2-9 B muestra el mecanismo de activación e inhibición de la adenilato ciclasa inducida por ciertas hormonas. Los receptores β 1, β 2 y D 1 interactúan con subunidades que activan la adenilato ciclasa y aumentan los niveles de AMPc. Los receptores α 2 y D 2 interactúan con las subunidades G αi, que inhiben la adenilato ciclasa. (En cuanto al receptor α 1, interactúa con la subunidad G, que activa la fosfolipasa C). Considere uno de los ejemplos presentados en la figura. La epinefrina se une al receptor β 1, lo que conduce a la activación de la proteína G αs, que estimula la adenilato ciclasa. Esto conduce a un aumento de los niveles de AMPc intracelular y, por tanto, mejora la actividad de la PKA. Por otro lado, la norepinefrina se une al receptor α 2, lo que conduce a la activación de la proteína G αi, que inhibe la adenilato ciclasa y, por lo tanto, reduce el nivel intracelular de AMPc, reduciendo la actividad de PKA.

Arroz. 2-9. Activación e inhibición de la adenilato ciclasa inducida por ligando (hormona).

A es el mecanismo fundamental. B - mecanismo en relación con hormonas específicas

Proteína quinasa C y vías de señalización asociadas.

El receptor α 1 interactúa con la subunidad G αq de la proteína G, que activa la fosfolipasa C. La fosfolipasa C escinde el fosfatidilinositol 4,5-difosfato en IP 3 y DAG. IP 3, que se une a canales de Ca 2+ específicos dependientes de ligando del retículo endoplásmico, libera Ca 2+ de él, es decir, aumenta la concentración de Ca 2+ en el citosol. DAG provoca la activación de la proteína quinasa C. En una célula no estimulada, esta enzima está inactiva en el citosol.

forma. Si aumenta el nivel de Ca 2+ citosólico, Ca 2+ interactúa con la proteína quinasa C, lo que conduce a la unión de la proteína quinasa C a la superficie interna de la membrana celular. En esta posición, la enzima es activada por el diacilglicerol formado durante la hidrólisis del fosfatidilinositol-4,5-difosfato. La fosfatidilserina de membrana también puede ser un activador de la proteína quinasa C si la enzima se encuentra en la membrana.

La tabla 2-3 enumera las isoformas de la proteína quinasa C de mamíferos y las propiedades de estas isoformas.

Tabla 2-3.Propiedades de las isoformas de la proteína quinasa C de los mamíferos.

DAG - diacilglicerol; PS - fosfatidilserina; FFA - ácidos grasos cis-insaturados; LPC - lisofosfatidilcolina.

Arroz. 2-10. Vías de señalización de diacilglicerol/inositol 1,4,5-trifosfato

Fosfolipasas y vías de señalización asociadas utilizando el ejemplo del ácido araquidónico.

Algunos agonistas activan a través de proteínas G. fosfolipasa A 2, que actúa sobre los fosfolípidos de membrana. Los productos de sus reacciones pueden activar la proteína quinasa C. En particular, la fosfolipasa A 2 separa el ácido graso situado en la segunda posición de los fosfolípidos. Debido a que algunos fosfolípidos contienen ácido araquidónico en esta posición, causado por la fosfolipasa A 2, la degradación de estos fosfolípidos libera una cantidad significativa del mismo.

La vía de señalización del ácido araquidónico asociada con la fosfolipasa A 2 descrita anteriormente se denomina directa. La vía indirecta de activación del ácido araquidónico está asociada con la fosfolipasa C β.

El ácido araquidónico en sí es una molécula efectora y, además, sirve como precursor para la síntesis intracelular. prostaglandinas, prostaciclinas, tromboxanos Y leucotrienos- clases importantes de moléculas reguladoras. El ácido araquidónico también se forma a partir de los productos de degradación de los diacilgliceroles.

Las prostaglandinas, prostaciclinas y tromboxanos se sintetizan a partir del ácido araquidónico. vía dependiente de la ciclooxigenasa, y leucotrienos - Vía dependiente de la lipoxigenasa. Uno de los efectos antiinflamatorios de los glucocorticoides es precisamente la inhibición de la fosfolipasa A 2, que libera ácido araquidónico a partir de los fosfolípidos. El ácido acetilsalicílico (aspirina ) y otros fármacos antiinflamatorios no esteroides inhiben la oxidación del ácido araquidónico por la ciclooxigenasa.

Arroz. 2-11. Vías de señalización del ácido araquidónico.

Designaciones: PG - prostaglandina, LH - leucotrieno, GPETE - hidroperoxieicosatetraenoato, GETE - hidroxieicosatetraenoato, EPR - retículo endoplásmico

Calmodulina: estructura y funciones.

Una variedad de procesos celulares vitales, incluida la liberación de neurotransmisores, la secreción hormonal y la contracción muscular, están regulados por los niveles de Ca 2+ citosólico. Una forma en que este ion influye en los procesos celulares es mediante su unión a la calmodulina.

Calmodulina- proteína con un peso molecular de 16.700 (fig. 2-12 A). Está presente en todas las células y en ocasiones representa hasta el 1% de su contenido proteico total. La calmodulina se une a cuatro iones de calcio (fig. 2-12 B y C), después de lo cual este complejo regula la actividad de diversas proteínas intracelulares, muchas de las cuales no son proteínas quinasas.

El complejo Ca 2+ con calmodulina también activa las proteínas quinasas dependientes de calmodulina. Las proteínas quinasas dependientes de calmodulina específicas fosforilan proteínas efectoras específicas, como las cadenas ligeras reguladoras de la miosina, la fosforilasa y el factor de elongación II. Las proteínas quinasas multifuncionales dependientes de calmodulina fosforilan numerosas proteínas nucleares, citoesqueléticas o de membrana. Algunas proteínas quinasas dependientes de calmodulina, como

La cadena ligera de miosina y la fosforilasa quinasa actúan sobre un solo sustrato celular, mientras que otras son multifuncionales y fosforilan más de una proteína sustrato.

La proteína quinasa II dependiente de calmodulina es una proteína importante del sistema nervioso. En algunas zonas del cerebro representa hasta el 2% de la proteína total. Esta quinasa participa en el mecanismo por el cual un aumento de la concentración de Ca 2+ en la terminal nerviosa provoca la liberación de un neurotransmisor por exocitosis. Su sustrato principal es una proteína llamada presente en las terminaciones nerviosas y se une a la superficie exterior de las vesículas sinápticas. Cuando la sinapsina I se une a las vesículas, previene la exocitosis. La fosforilación de la sinapsina I hace que se separe de las vesículas, lo que les permite liberar neurotransmisores en la hendidura sináptica mediante exocitosis.

La quinasa de cadena ligera de miosina juega un papel importante en la regulación de la contracción del músculo liso. Un aumento en la concentración de Ca 2+ citosólico en las células del músculo liso activa la quinasa de cadena ligera de miosina. La fosforilación de las cadenas ligeras reguladoras de la miosina conduce a una contracción prolongada de las células del músculo liso.

Arroz. 2-12. Calmodulina.

A - calmodulina sin calcio. B - unión del calcio a la calmodulina y al péptido objetivo. B - esquema de conexión.

Designaciones: EF - dominios de unión a Ca 2+ de calmodulina

Receptores con actividad enzimática intrínseca (receptores catalíticos)

Las hormonas y los factores de crecimiento se unen a proteínas de la superficie celular que tienen actividad enzimática en el lado citoplasmático de la membrana. La figura 2-13 muestra las cinco clases de receptores catalíticos.

Uno de los ejemplos típicos de transmembrana. receptores con actividad de guanilato ciclasa, receptor del péptido natriurético auricular (ANP). El receptor de membrana al que se une el ANP es independiente de los sistemas de transducción de señales considerados. La acción de los agonistas extracelulares se describió anteriormente, que, al unirse a receptores de membrana, activan la adenilato ciclasa a través de proteínas G s o la inhiben a través de G i .

Los receptores de membrana para ANP son interesantes porque los propios receptores tienen actividad de guanilato ciclasa, estimulada por la unión de ANP al receptor.

Los receptores de ANP tienen un dominio de unión a ANP extracelular, una única hélice transmembrana y un dominio de guanilato ciclasa intracelular. La unión de ANP al receptor aumenta los niveles intracelulares de cGMP, lo que estimula la proteína quinasa dependiente de cGMP. A diferencia de la proteína quinasa dependiente de cAMP, que tiene subunidades reguladoras y catalíticas, los dominios reguladores y catalíticos de la proteína quinasa dependiente de cGMP están ubicados en la misma cadena polipeptídica. La quinasa dependiente de cGMP luego fosforila proteínas intracelulares, lo que lleva a diversas respuestas celulares. Receptores con actividad serina-treonina quinasa

Otra familia de receptores de membrana no acoplados a proteínas G está formada por proteínas con actividad tirosina-proteína quinasa intrínseca. Receptores con su propia actividad tirosina-proteína quinasa Son proteínas con un dominio extracelular glicosilado, el único

región transmembrana y dominio intracelular con actividad tirosina-proteína quinasa. Unirles un agonista, p. factor de crecimiento nervioso (NGF), estimula la actividad tirosina-proteína quinasa, que fosforila proteínas efectoras específicas en ciertos residuos de tirosina. La mayoría de los receptores de factores de crecimiento se dimerizan cuando el NGF se une a ellos. Es la dimerización del receptor lo que conduce a la aparición de su actividad tirosina proteína quinasa. Los receptores activados a menudo se fosforilan a sí mismos, lo que se denomina autofosforilación.

a la superfamilia receptores peptídicos incluyen receptores de insulina. Estas también son tirosina proteína quinasas. En la subclase de receptores que pertenecen a la familia de receptores de insulina, el receptor sin ligando existe como un dímero unido por enlaces disulfuro. La interacción con la insulina conduce a cambios conformacionales en ambos monómeros, lo que aumenta la unión de la insulina, activa el receptor tirosina quinasa y conduce a una mayor autofosforilación del receptor.

La unión de una hormona o factor de crecimiento a su receptor desencadena una variedad de respuestas celulares, incluida la entrada de Ca 2+ en el citoplasma, aumento del metabolismo de Na + /H +, estimulación de la absorción de aminoácidos y azúcares, estimulación de la fosfolipasa C β y hidrólisis del difosfato de fosfatidilinositol.

Receptores hormona del crecimiento, prolactina Y eritropoyetina, al igual que los receptores interferón y muchos citocinas, no sirven directamente como proteínas quinasas. Sin embargo, después de la activación, estos receptores forman complejos de señalización con tirosina-proteína quinasas intracelulares, que desencadenan sus efectos intracelulares.

Por eso no son verdaderos receptores con actividad tirosina-proteína quinasa propia, sino que simplemente se unen a ellos. Según la estructura, se puede suponer que transmembrana tirosina proteína fosfatasas

También son receptores y su actividad tirosina-proteína fosfatasa está modulada por ligandos extracelulares.

Arroz. 2-13. Receptores catalíticos.

A - receptor de guanil ciclasa, B - receptor con actividad de serina-treonina quinasa, B - receptor con su propia actividad de tirosina-proteína quinasa, D - receptores asociados con actividad de tirosina-proteína quinasa

Los receptores de interferón no son directamente proteínas quinasas. Una vez activados, estos receptores forman complejos de señalización con tirosina-proteína quinasas intracelulares, que desencadenan sus efectos intracelulares. Es decir, no son verdaderos receptores con actividad tirosina-proteína quinasa propia, sino que simplemente se unen a ellos, los llamados receptores. Tirosina-proteína quinasas asociadas a receptores (dependientes de receptores).

Los mecanismos por los cuales estos receptores ejercen sus efectos se desencadenan cuando una hormona se une al receptor, provocando que se dimerice. Un dímero de receptor se une a uno o más miembros. Jano-familia de proteínas tirosina quinasas (JAK). JAK luego cruza

se fosforilan entre sí y también al receptor. Los miembros de la familia de transductores de señal y activadores de la transcripción (STAT) se unen a dominios fosforilados en el receptor y el complejo JAK. Las proteínas STAT son fosforiladas por las quinasas JAK y luego se disocian del complejo de señalización. Las proteínas STAT fosforiladas eventualmente forman dímeros que se mueven hacia el núcleo para activar la transcripción de ciertos genes.

La especificidad del receptor para cada hormona depende en parte de la especificidad de los miembros de la familia JAK o STAT que se combinan para formar el complejo de señalización. En algunos casos, el complejo de señalización también activa la cascada de quinasas MAP (proteína activadora de mitógenos) a través de proteínas adaptadoras utilizadas por las tirosina quinasas receptoras. Algunas de las respuestas del ligando del receptor tirosina quinasa también involucran las vías JAK y STAT.

Arroz. 2-14. Ejemplo de receptores catalíticos asociados con la actividad de la proteína tirosina quinasa. receptor activado α -interferón (A) yγ - interferón (B)

Proteínas G monoméricas similares a Ras y sus vías de transducción mediadas

Un ligando, como un factor de crecimiento, se une a un receptor que tiene su propia actividad de proteína tirosina quinasa, lo que produce un aumento de la transcripción en un proceso de 10 pasos. Proteínas monoméricas de unión a GTP tipo Ras participar en la vía de transducción de señales en la etapa de transmisión de señales desde receptores con su propia actividad tirosina-proteína quinasa (por ejemplo, receptores de factores de crecimiento) a efectores intracelulares. La activación e inactivación de proteínas monoméricas de unión a GTP requieren proteínas reguladoras adicionales. Las proteínas G monoméricas son activadas por proteínas liberadoras de nucleótidos de guanina (GNRP) e inactivadas por proteínas activadoras de GTPasa (GAP).

Las proteínas monoméricas de unión a GTP de la familia Ras median en la unión de ligandos mitogénicos y sus receptores de tirosina-proteína quinasa, lo que desencadena procesos intracelulares que conducen a la proliferación celular. Cuando las proteínas Ras están inactivas, las células no responden a los factores de crecimiento que actúan a través de los receptores de tirosina quinasa.

La activación de Ras desencadena una vía de transducción de señales que, en última instancia, conduce a la transcripción de ciertos genes que promueven el crecimiento celular. La cascada MAP quinasa (MAPK) participa en las respuestas tras la activación de Ras. La proteína quinasa C también activa la cascada de MAP quinasa. Por tanto, la cascada de MAP quinasa parece ser un punto de convergencia importante para una variedad de efectos que inducen la proliferación celular. Además, existe un cruce entre la proteína quinasa C y las tirosina quinasas. Por ejemplo, la isoforma γ de la fosfolipasa C se activa uniéndose a la proteína Ras activada. Esta activación se transmite a la proteína quinasa C en el proceso de estimulación de la hidrólisis de fosfolípidos.

La Figura 2-15 muestra un mecanismo que incluye 10 etapas.

1. La unión del ligando conduce a la dimerización del receptor.

2. La proteína tirosina quinasa activada (RTK) se fosforila a sí misma.

3.GRB 2 (proteína 2 unida al receptor del factor de crecimiento), una proteína que contiene SH 2, reconoce residuos de fosfotirosina en el receptor activado.

4. La vinculación GRB 2 incluye SOS (hijo de siete) Proteína de intercambio de nucleótidos de guanina.

5.SOS activa Ras formando GTP en Ras en lugar de GDP.

6.El complejo activo Ras-GTP activa otras proteínas incorporándolas físicamente a la membrana plasmática. El complejo activo Ras-GTP interactúa con la porción N-terminal de la serina-treonina quinasa Raf-1 (conocida como proteína activadora de mitógenos, MAP), la primera de una serie de proteínas quinasas activadas que transmiten una señal de activación a la célula. núcleo.

7.Raf-1 fosforila y activa una proteína quinasa llamada MEK, que se conoce como MAP quinasa quinasa (MAPKK). MEK es una proteína quinasa multifuncional que fosforila sustratos de residuos de tirosina y serina/treonina.

8.MEK fosforila la MAP quinasa (MAPK), que también es activada por la quinasa reguladora de señales extracelulares (ERK 1, ERK 2). La activación de MAPK requiere una fosforilación dual en residuos de serina y tirosina adyacentes.

9.MAPK sirve como una molécula efectora crítica en la transducción de señales dependiente de Ras porque fosforila muchas proteínas celulares después de la estimulación mitogénica.

10.La MAPK activada se transloca al núcleo, donde fosforila el factor de transcripción. En general, Ras activado activa MAP.

al conectar con ella. Esta cascada da como resultado la fosforilación y activación de la MAP quinasa, que a su vez fosforila factores de transcripción, sustratos proteicos y otras proteínas quinasas importantes para la división celular y otras respuestas. La activación de Ras depende de la unión de proteínas adaptadoras a dominios de fosfotirosina en los receptores activados por el factor de crecimiento. Estas proteínas adaptadoras se unen y activan la GNRF (proteína de intercambio de nucleótidos de guanina), que activa Ras.

Arroz. 2-15. Regulación de la transcripción por proteínas G monoméricas similares a Ras desencadenada por un receptor con su propia actividad tirosina-proteína quinasa

Regulación de la transcripción por la proteína que interactúa con elementos de ADN dependiente de AMPc (CREB)

CREB, un factor de transcripción ampliamente distribuido, normalmente está asociado con una región del ADN llamada CRE. (elemento de respuesta AMPc). En ausencia de estimulación, CREB se desfosforila y no tiene ningún efecto sobre la transcripción. Numerosas vías de transducción de señales mediante la activación de quinasas (como PKA, Ca 2+ /calmodulina quinasa IV, MAP quinasa) conducen a la fosforilación de CREB. Se une CREB fosforilado C.B.P.(Proteína de unión a CREB- Proteína de unión a CREB), que tiene un dominio estimulante de la transcripción. Paralelamente, la fosforilación activa PP1.

(fosfoproteína fosfatasa 1), que desfosforila CREB, lo que produce una detención transcripcional.

Se ha demostrado que la activación del mecanismo mediado por CREB es importante para la implementación de funciones cognitivas superiores como el aprendizaje y la memoria.

La figura 2-15 también muestra la estructura de la PKA dependiente de AMPc, que en ausencia de AMPc consta de cuatro subunidades: dos reguladoras y dos catalíticas. La presencia de subunidades reguladoras suprime la actividad enzimática del complejo. La unión de AMPc induce cambios conformacionales en las subunidades reguladoras, lo que resulta en la separación de las subunidades reguladoras de las subunidades catalíticas. La PKA catalítica ingresa al núcleo celular e inicia el proceso descrito anteriormente.

Arroz. 2-16. Regulación de la transcripción genética por CREB. (proteína de unión al elemento de respuesta al AMPc) a través de un aumento en los niveles de monofosfato de adenosina cíclico

Las proteínas reguladoras de unión a nucleótidos de guanidina, o proteínas G, son responsables de transmitir las señales de una variedad de hormonas o neurotransmisores a una variedad de objetivos celulares. Se purificaron homogéneamente y caracterizaron bioquímicamente cuatro proteínas G: G t (transducina), G s, G i y G o. Resultó que cada uno de ellos tiene objetivos únicos o proteínas efectoras. G t activa la fosfodiesterasa específica de cGMP en los segmentos externos de los bastones de la retina; G s y G i estimulan e inhiben respectivamente la adenilato ciclasa y están presentes en todas las células G o; está presente en grandes cantidades en las células cerebrales y, aparentemente, inhibe el canal electrosensible de Ca 2+ en las neuronas. Además, es casi seguro que existen otras proteínas G que aún no se han aislado. La proteína G G p probablemente utiliza como objetivo la fosfolipasa C específica de fosfatidilinositol, que inicia la rápida degradación del fosfatidilinosiol en la membrana plasmática y la formación de. varios segundos mensajeros. Hay una proteína Gk que parece abrir canales específicos de K+ en el músculo cardíaco y otras células G- dentro de la célula pueden responder a la unión del ligando a uno de varios receptores. Pueden tener más de un objetivo.

Las cuatro proteínas aisladas son heterotrímeros αβγ. Tienen diferencias bastante grandes entre subunidades. Hay, por ejemplo, tres subunidades α. Hasta ahora se conocen al menos 2 subunidades β. También hay información de que también se han encontrado diferencias significativas en las subunidades γ. Las subunidades α se unen al GTP y tienen actividad GTPasa cuando se separan del par de subunidades βγ. La subunidad α también contiene un sitio en el que puede ocurrir la ribosilación de ADP por exotoxinas bacterianas, G i, G o y G t (transducina) son modificadas por la toxina de la tos ferina, y G s y G t por la toxina del cólera. Esta modificación covalente bloquea la fosforilación de la proteína G y sirve como una de las pruebas para determinar la participación de las proteínas G como intermediarias en las respuestas celulares.

Todas las proteínas G están estrechamente asociadas con la membrana plasmática, a excepción de la transducina. Ninguna subunidad es una proteína transmembrana.

Renovación de fosfatidilinositol y segundos mensajeros.

Los objetivos más comunes de las proteínas G son la adenilato ciclasa (para G s y G i) y la fosfolipasa C, responsable de la hidrólisis del fosfatidilinositol (para G p). La modulación de la adenilato ciclasa conduce a cambios en la concentración intracelular de AMPc, que se sabe que actúa como segundo mensajero e influye en muchos procesos intracelulares. Una de las consecuencias de un aumento del contenido de AMPc es, por ejemplo, la estimulación de la proteína quinasa dependiente de AMPc (proteína quinasa A), que a su vez fosforila sustratos proteicos específicos. Las células también contienen dos tipos de proteínas quinasas dependientes de Ca 2+, activadas respectivamente por Ca 2+ - calmodulina y Ca 2+ junto con diacilglicerol y fomphatidilserina (proteína quinasa C). La actividad de ambas quinasas está regulada por segundos mensajeros formados durante la degradación del fosfatidilinositol, que en muchas células se inicia mediante la activación de la fosfolipasa C específica dependiente de la proteína G.

El fosfatidilinositol representa sólo del 2 al 8% de todos los fosfolípidos contenidos en las membranas de las células eucariotas. La estructura de la cabeza polar está representada por mioinositol. Este compuesto fue aislado del músculo por primera vez. Una pequeña porción de fosfotidilinositol está fosforilada en la posición 4 o en las posiciones 4 y 5. Entre el 1 y el 10% del fosfatidilinositol presente en la membrana es fosfotidilinositol(4,5) bifosfato. Este componente es probablemente el primer objetivo de la fosfolipasa C específica del fosfotidilinositol, que es activada en muchas células por la proteína G. La hidrólisis posterior conduce a una rápida degradación del fosfatidilinositol en la membrana plasmática y a un aumento a corto plazo de la cantidad de productos de degradación. Los productos de degradación actúan como segundos mensajeros y participan en muchos procesos celulares. El estudio de este sistema aún no se ha completado, pero la secuencia de eventos es la siguiente:

Los productos iniciales de la hidrólisis del fosfotidilinositol (4,5) - bifosfato son diacilglicerol e inositol (1,4,5) - trifosfato. El diacilglicerol está asociado a la membrana y el trifosfato de inositol (1,4,5) es un componente soluble. Normalmente, los ácidos grasos de fosfotidilinositol son ácido esteárico en la posición 2 y ácido araquidónico en la posición 2 del glicerol.

El trifosfato de inositol (1,4,5) actúa como segundo mensajero y su función principal parece ser la movilización del Ca 2+ acumulado en el retículo endoplásmico. Quizás este componente, mediante unión directa, abre canales específicos de Ca 2+ en el RE, lo que conduce a un aumento de la concentración de Ca 2+ en el citoplasma varias veces.

Normalmente, la concentración de calcio libre en el citoplasma es de 0,1 µM.

Una quinasa específica convierte algo de trifosfato de inositol (1,4,5) en un producto tetrafosforilado (tetrafosfato de inositol (1,3,4,5)). También se forman otros, incluidos los fosfoinósidos cíclicos, y algunos de ellos tienen un cierto significado fisiológico.

Una de las enzimas reguladas por Ca 2+ es la fosfolipasa C, que a bajas concentraciones de calcio utiliza fosfatidilinositol (4,5) bifosfato como sustrato, pero a concentraciones más altas de calcio utiliza fosfatidilinositol no fosforilado.

Quizás esto facilite la hidrólisis rápida e inmediata de la mayor parte del fosfatidilinositol.

Con base en lo anterior, se puede argumentar que durante el funcionamiento de este sistema se forman al menos tres mensajeros secundarios conocidos: diacilglicerol, inositol (1,4,5) trifosfato y ácido araquidónico. Cada uno de estos mediadores realiza funciones específicas, incluido el aumento del calcio intracelular y la activación de las proteínas quinasas dependientes del calcio.

La mayoría de los receptores pertenecen a la familia séptuple que abarca la membrana. serpentina Receptores (parecidos a serpientes). Estos receptores realizan una variedad de funciones de señalización biológica. Estos incluyen receptores de células gustativas. Cientos de tipos diferentes de receptores ubicados en las células de los bulbos olfatorios de nuestra nariz transmiten información sobre la presencia de ligandos aromáticos. Los receptores serpentinos tienen un origen muy antiguo. Son utilizados, por ejemplo, por células de levadura, que secretan los factores polipeptídicos necesarios para el apareamiento y los reconocen mediante receptores de superficie, que son los mismos receptores serpentinos que cruzan la membrana siete veces. La estructura única de las regiones de unión a ligandos de los receptores serpentinos permite la unión de ligandos de diferentes naturalezas y pesos moleculares.

Hay cientos de formas diferentes de receptores de proteína G y la diversidad química de sus ligandos es extremadamente grande. Receptores altamente específicos de esta familia. reaccionar a:

ü moléculas pequeñas como catecolaminas, péptidos y quimiocinas;

ü compuestos de alto peso molecular, como las hormonas glicoproteicas;

ü trombina;

ü pulsos de luz;

ü sustancias olorosas volátiles.

Aunque la estructura general de las proteínas G es la misma, es importante diferencias:

Ø diferentes ubicaciones de estas proteínas en la bicapa lipídica;

Ø diferencias en la estructura espacial de los receptores, lo que explica la presencia de diferentes
sitios de unión y especificidad de estas moléculas.

La Figura 8 ilustra algunas de las diferencias estructurales de los receptores acoplados a proteína G y explica la amplia especificidad de ligando de esta clase de proteínas.

A principios de la década de 1990, se habían aislado más de cien de estos receptores acoplados a proteína G. Esta superfamilia incluye receptores de catecolaminas, acetilcolina, serotonina, histamina, angiotensinas, etc.

Forman una superfamilia de proteínas integrales de 400 a 600 aminoácidos de longitud. La cadena contiene 7 áreas altamente conservadas , formado por 22-28 aminoácidos hidrofóbicos (Fig. 9 y Fig. 10). Estas regiones hidrofóbicas probablemente forman hélices alfa y cruzan la membrana plasmática 7 veces. Están separados por grandes segmentos hidrófilos que miran hacia afuera y hacia adentro de la célula. extremo N molécula receptora ubicada en el extracelular espacio y tiene áreas donde ocurre la N-glicosilación. Se supone que las regiones de azúcar participan en la unión del extremo N del receptor a la membrana. En terminal C fragmento enfrentado dentro de la celda, hay zonas donde puede ocurrir fosforilación de GTPasa dependiente de AMPc. El sitio de interacción con la proteína de unión a GTP se encuentra en el tercer bucle citoplasmático.

Las características estructurales distintivas de los receptores serpentinos en general son la presencia extremo N extracelular y extremo C intracelular, siete hélices transmembrana (TM), tres bucles extracelulares (e1-3) y tres intracelulares (i1-3)(ver figura 10).

Proteínas G es una familia de proteínas pertenecientes a las GTPasas y que funcionan como segundos mensajeros en cascadas de señalización intracelular. Las proteínas G se llaman así porque en su mecanismo de señalización utilizar la sustitución del PIB por GTP como un "interruptor" funcional molecular para regular los procesos celulares.

Las proteínas G se dividen en dos grupos principales:

Ø heterotrimérico "grande"- estas son proteínas con estructura cuaternaria, que consta de tres subunidades:

ü alfa(α),

beta (β),

gamma (γ)

Ø "pequeño"- estas son proteínas de una cadena polipeptídica, tienen un peso molecular de 20-25 kDa y pertenecen a la superfamilia de GTPasas pequeñas Ras (proteínas G pequeñas que regulan la división celular). Su única cadena polipeptídica es homóloga a la subunidad α de las proteínas G heterotriméricas.

Ambos grupos de proteínas G participan en la señalización intracelular.

El principal mecanismo de acción de señalización de las proteínas G. La proteína G consta de tres polipéptidos:

ü Subunidad α, conectada a la molécula de GTP y la hidroliza,

ü Las subunidades β y γ forman un dímero estrechamente conectado por enlaces no covalentes.

Al conectar subunidades α con una molécula PIB y con subunidades βγ esta formado trímero inactivo, que se une a la región C-terminal del receptor. La unión del ligando a este receptor conduce a un cambio en la conformación del dominio citoplasmático del receptor. La conformación de la subunidad α también cambia, mientras que su afinidad por el PIB disminuye y El PIB se divide desde el sitio activo subunidades α.

El GTP se une rápidamente al sitio activo porque su concentración intracelular es aproximadamente 10 veces mayor que la del GDP. Después del enlace GTP La subunidad α adquiere una conformación activa y se separa del receptor, y de la subunidad βγ. vinculado a GTP La subunidad α activa varias moléculas efectoras. (por ejemplo, adenilato ciclasa, que forma AMPc). La subunidad α permanece activa mientras su constituyente La GTPasa no hidroliza el GTP a PIB. Inmediatamente después de la hidrólisis de GTP Las subunidades α y βγ se reconectan y regresar al receptor. Las principales etapas de este proceso se presentan en la Fig. 11.

Anteriormente se creía que solo la subunidad α de la proteína G interactúa con el efector, y el complejo βγ no participa en este proceso o actúa como un regulador negativo. Ahora se sabe que subunidad βγ también puede activar moléculas efectoras(por ejemplo, canales muscarínicos de K+). Así, tanto la subunidad α como el complejo βγ participan en la regulación de las respuestas celulares.

Moléculas efectoras que interactúan con las proteínas G. Las proteínas G desempeñan un papel clave en la activación de una cascada de moléculas efectoras. Las principales moléculas efectoras controladas por las proteínas G incluyen:

ü adenilato ciclasa

ü fosfolipasa C (PLC)

ü fosfolipasa A 2 (PLA2)

ü fosfoinositida 3-quinasa (PI 3-quinasa)

Receptor quinasa β-adrenérgico (PARK)

Aunque tanto la subunidad α como el complejo βγ participan en la regulación, el mecanismo de regulación es específico de cada efector. Por ejemplo, existen varias formas diferentes de adenilato ciclasa. Cada forma de esta molécula efectora es activada por una subunidad de proteína G diferente: α, βγ o ambas.

Papel fisiológico de los receptores acoplados a proteína G. Los receptores acoplados a proteína G participan en una amplia gama de procesos fisiológicos. A continuación se muestran algunos ejemplos:

1. visión: Las opsinas utilizan una reacción de fotoisomerización para convertir la radiación electromagnética en señales celulares. La rodopsina, por ejemplo, utiliza para este fin la conversión de 11-cis-retinal en todo-trans-retinal.

2. sentido del olfato: Los receptores del epitelio olfativo se unen a olores (receptores olfativos) y feromonas (receptores vomeronasales).

3. regulación del comportamiento y el estado de ánimo: Los receptores en el cerebro de los mamíferos se unen a varios neurotransmisores diferentes, incluidos la serotonina, la dopamina, el ácido gamma-aminobutírico (GABA) y el glutamato.

4. Regulación de la actividad del sistema inmunológico y la inflamación: los receptores de quimiocinas se unen a ligandos que median la comunicación intercelular en el sistema inmunológico; Los receptores como el receptor de histamina se unen a mediadores inflamatorios y reclutan ciertos tipos de células en el proceso inflamatorio.

5. funcionamiento del sistema nervioso autónomo: Tanto el sistema nervioso simpático como el parasimpático están regulados a través de receptores acoplados a proteína G, que son responsables de muchas de las funciones automáticas del cuerpo, como el mantenimiento de la presión arterial, la frecuencia cardíaca y los procesos digestivos.

Ganancia en cascadas de transmisión de señales. Durante el corto período de su actividad, la adenilato ciclasa produce varios cientos de moléculas de AMPc (Fig. 12). Después de que las moléculas de AMPc producidas activan la proteína quinasa A, ésta fosforila y activa la enzima glucógeno fosforilasa, que descompone el glucógeno en glucosa-1-fosfato. La proteína quinasa A también fosforila la glucógeno sintasa, lo que conduce a la inhibición de su actividad y, por tanto, previene la conversión de la glucosa liberada en glucógeno. Estos dos efectos juntos aseguran la movilización de la glucosa mediante la degradación del glucógeno almacenado en el hígado.

Esta etapa produce una enorme amplificación de señal. Una molécula de adrenalina puede provocar la activación de cientos de subunidades α de proteínas G. Cada uno de ellos, a su vez, activará la adenilato ciclasa, que a su vez sintetiza cientos de moléculas de AMPc. El AMPc activa la proteína quinasa A, que modifica cientos de moléculas diana en la célula.

Proteínas G. Concepto y clasificación

Tipos de proteínas G

Proteínas auxiliares de proteína G

Receptores acoplados a proteína G

Ligandos y regiones de unión a ligandos de receptores serpentinos.

Clasificación de receptores acoplados a proteína G

Estructura del receptor de los receptores acoplados a proteína G

Activación de receptores acoplados a proteína G.

La acetilcolina induce la apertura de canales de K+ en la membrana (de las células del músculo cardíaco)

Regulación de los receptores dependientes de la proteína G.

Regulación de los receptores dependientes de la proteína G.

Papel fisiológico de los receptores acoplados a proteína G.

Ejemplos de receptores acoplados a proteína G

Ejemplos de receptores acoplados a proteína G

Ejemplos de receptores acoplados a proteína G

Receptores hormonales acoplados a proteína G

G – las proteínas mejoran la señal transmitida. Por ejemplo, la norepinefrina, transmisora ​​de impulsos nerviosos, puede interactuar con su receptor de membrana en tan solo unos milisegundos. La proteína G aumenta la duración de la señal de milisegundos a decenas de segundos, lo cual es extremadamente importante (no es necesario enviar señales constantemente al sistema nervioso). Hay un ahorro de energía nerviosa.

Los receptores acoplados a proteína G forman la familia de receptores “serpentina” (o serpiente), llamados así porque sus cadenas polipeptídicas cruzan la membrana plasmática 7 veces.

Esta familia incluye receptores de aminas adrenérgicas, serotonina, acetilcolina (muscarínica), muchas hormonas peptídicas, epitelio olfativo, receptores visuales (en conos y bastones de la retina). La molécula de información (por ejemplo, norepinefrina) se une al "bolsillo" formado por las regiones transmembrana del receptor. Los cambios resultantes en la conformación de estas regiones se transmiten a los bucles citoplasmáticos del receptor, que activan la proteína G. Cuantas más moléculas agonistas haya, mayor será la velocidad de su unión al receptor.

Desensibilización de receptores.

Esto significa que después de alcanzar un alto nivel inicial de efecto (p. ej., acumulación intracelular de AMPc, corriente de Na+, contracción muscular, etc.), la respuesta de la célula disminuye gradualmente durante un período de segundos o minutos, incluso a pesar de la presencia constante de la señalización. molécula. La desensibilización es reversible. Así, 15 minutos después de la eliminación de la molécula señal, su exposición repetida conduce a una reacción comparable en magnitud a la inicial.

Abajo – regulación de los receptores.

El receptor, cuando se sobreestimula, puede hundirse en el citosol y la célula, con la ayuda de enzimas lisosomales, lo "digiere" en aminoácidos. Se restaura la membrana donde estaba el receptor.

Ar – regulación.

Si los nervios que inervan un músculo se cortan quirúrgicamente, el músculo no recibe señales del sistema nervioso y no puede contraerse. La respuesta muscular a la denervación tiene como objetivo la síntesis de receptores adicionales. Se sintetizan y se incrustan en la membrana celular externa. La célula quiere recibir una señal para contraerse. La señal no llega (se corta el nervio), aunque hay muchos receptores y son especialmente susceptibles al neurotransmisor. Los receptores incluso se sitúan en otros lugares, lejos de la unión del nervio con el músculo. Esta es la llamada AP - regulación de receptores - la síntesis de nuevos receptores por parte de la célula y su integración en la membrana. Los receptores se actualizan constantemente. La vida útil del receptor es de varios días. En lugar del que la célula ha envejecido y destruido, construye uno nuevo. Este es un proceso dinámico.

Por lo tanto, el receptor integrado en la membrana recibe una señal (impulso nervioso, hormona farmacológica) y la proteína G amplifica esta señal. El elemento efector (enzima) implementa esta señal, desencadenando la síntesis de segundos mensajeros en la célula. Cambian la velocidad de las reacciones bioquímicas en las células e implementan directamente la señal enviada por el sistema nervioso u hormonal.

Intermediarios secundarios.

1) acampar. participa en la transmisión de efectos hormonales como: 1) movilización de reservas de energía (descomposición de carbohidratos en el hígado o triglicéridos en las células grasas - efectos catecolaminas– (epinefrina, isoprenalina).

2) retención de agua por los riñones - efectos vasopresina;

3) mantener la homeostasis del Ca +2 – efectos de las hormonas paratiroideas;

4) un aumento en la frecuencia y fuerza de las contracciones del músculo cardíaco: los efectos de las catecolaminas (epinefrina, isoprenalina)

5) regulación de la biosíntesis de esteroides en las glándulas suprarrenales y las gónadas: los efectos de la corticotropina o la hormona folículo estimulante;

6) – relajación de la musculatura lisa y muchos otros procesos hormonales y nerviosos.

Cuando se completa el estímulo neural u hormonal, los efectos intracelulares del AMPc finalizan mediante la activación de la enzima que degrada el AMPc.

Uno de los mecanismos de acción terapéutica. cafeína, teofilina y otras metilxantinas es la inhibición de la descomposición del AMPc.

2) Ca+2 y fosfoinosítidos.

Algunas hormonas, neurotransmisores y factores de crecimiento se unen a un receptor en la superficie de la célula efectora. La señal se transmite a la proteína G. Posteriormente se activa la fosfolipasa C. Esta última escinde específicamente los fosfolípidos de la membrana plasmática con la formación de dos segundos mensajeros: 1) diacilglicerol, 2) trifosfato de inositol.

diacilglicerol Activa la proteína quinasa C, que fosforila las enzimas y cambia su actividad.

trifosfato de inositol Libera Ca 2+ de las reservas intracelulares (retículo sarcoplásmico, mitocondrias). Ca 2+ cambia las funciones celulares. Por ejemplo, provoca contracción muscular, etc.).

El litio, utilizado para tratar los estados maníaco-depresivos, actúa a través de fosfoinosítidos.

3) cGMP. A diferencia del AMPc, participa en la transmisión de señales sólo en ciertos tipos de células. En la mucosa intestinal y en la musculatura lisa vascular funciona en paralelo con el sistema AMPc (como sistema de reserva). El mecanismo de acción del cGMP también está mediado por la fosforilación de proteínas.

Una mayor concentración de cGMP provoca la relajación del músculo liso vascular debido a la desfosforilación de las cadenas ligeras de miosina.

Fosforilación: mecanismo general.

Casi todos los mecanismos de transducción de señales a través de segundos mensajeros implican fosforilación.

Durante el proceso de evolución, el cuerpo no ha desarrollado receptores especiales para las drogas. Actúan a través de receptores de neurotransmisores y hormonas. Casi todos los fármacos (con excepción, quizás, de la anestesia general) ejercen su efecto a través de receptores.

Examinamos en detalle los receptores integrados en la membrana plasmática de la célula. Pero existen otros receptores de drogas. Básicamente, un receptor es algo con lo que un fármaco se une (interactúa) en el cuerpo. Por ejemplo, la albúmina es un receptor de fármacos que se unen a ella. Pero este receptor no es activo y no produce ningún efecto farmacológico.

Otras clases de receptores de fármacos incluyen:

1) enzimas, 2) proteínas de transporte, 3) proteínas estructurales.

Cuando se unen a fármacos, pueden inhibirse o (con menos frecuencia) activarse. Por ejemplo, la dihidrofolato reductasa es un receptor para metotrexato.

Proteínas de transporte(por ejemplo, receptor de membrana para glucósidos cardíacos: Na +, K +, ATPasa).

Proteínas estructurales(por ejemplo, tubulina, un receptor de fármacos antiinflamatorios colchicina).

En cada caso de interacción de un fármaco con un receptor, se forma un complejo fármaco-receptor, lo que provoca un cambio en el metabolismo de la célula y el órgano. Se desarrolla un efecto farmacológico. Su valor es proporcional al número de complejos fármaco-receptor.

Los medicamentos cuya acción está asociada con la estimulación de los receptores se denominan agonistas. Los agonistas son: 1) completos (provocan una respuesta máxima) y 2) parciales. Estos últimos se unen a los receptores y los excitan. Pero el efecto farmacológico es más débil que el de un regulador natural. Las sustancias que interfieren con la acción de agonistas específicos se denominan antagonistas (bloqueadores).

Los receptores se clasifican según su sensibilidad a los mediadores naturales y sus antagonistas. Por ejemplo, los receptores sensibles a la acetilcolina se denominan colinérgicos y los sensibles a la epinefrina (adrenalina) se denominan adrenérgicos.

Para excitar los receptores y obtener el efecto correspondiente se utilizan tanto los propios mediadores (noradrenalina, dopamina y otros) como fármacos que tienen afinidad por los receptores. Muy a menudo, estos últimos son análogos estructurales de mediadores.

Algunas sustancias excitan el receptor correspondiente no interactuando directamente con él, sino liberando mediadores de una forma ligada (fisiológicamente inactiva) o inhibiendo enzimas que destruyen los mediadores.

Los receptores ocupan una pequeña parte de la membrana celular externa. Así, las áreas de la membrana que reaccionan a la acetilcolina constituyen sólo 1/6000 de la superficie celular total.

2. INFLUENCIA EN LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA. La acción de algunos fármacos se basa en la activación o inhibición de enzimas. Por ejemplo, la FYSOSTIGMINA inhibe la actividad de la colinesterasa, que destruye la acetilcolina. Provoca efectos característicos de la excitación del sistema nervioso parasimpático.

Algunos medicamentos pueden provocar inducción, es decir, aumentar el contenido de la proteína enzimática. Al mismo tiempo, aumenta su actividad. Por ejemplo, el fenobarbital, al aumentar la actividad de la UDP-glucuroniltransferasa, reduce la hiperbilirrubinemia.

3. INFLUENCIA FÍSICA Y QUÍMICA SOBRE LAS MEMBRANAS CELULARES.

Para algunos fármacos, se desconoce la naturaleza de las moléculas diana. Su acción no está asociada a receptores específicos. Por ejemplo, los anestésicos generales actúan alterando el transporte de iones. El efecto terapéutico de los ungüentos, polvos y ungüentos líquidos es de naturaleza física. Protegen las zonas afectadas de la piel o las mucosas de la irritación.