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Membrana (III parte)
Introducción
Para que un organismo pluricelular
pueda sobrevivir y funcionar de
forma eficaz, es necesario que sus
componentes celulares actúen de
manera coordinada. Dicha coordinación requiere de transferencia de
información entre las células que
integran los órganos separados por
distancias variables. En la mayoría
de los animales superiores existen
vías de comunicación intercelular:
endocrino, paracrino, autocrino y
nervioso. En todos ellos se liberan
sustancias químicas que deben
llegar a las células blanco para
modificar alguno de los procesos
bioquímicos característicos de la
célula, ya sea síntesis de proteínas,
secreción de productos, permeabilidad de la membrana, etc.
Prof. Iván Rebolledo
Transferencia de información a
través de la membrana.
Son pocos los mensajeros que
penetran al interior de la célula para
desencadenar
los
cambios
funcionales específicos, la mayoría
de ellos no pueden penetrar la
membrana plasmática y deben
transmitir la información a través de
moléculas intermediarias incluidas
en la misma membrana.
Estas
moléculas
intermediarias
incluyen el receptor, el transductor y
el efector. La molécula que trae la
información se denomina ligando y
corresponde al primer mensajero. La
molécula que lleva la información al
interior de la célula se llama
segundo mensajero. Así, la secuencia
de los elementos que participan en
este proceso, puede esquematizarse
de la siguiente manera
AMPc
ATP
Membrana celular (III parte)
Ligandos
Ejemplificando
la
entrega de
información
con
el
sistema
endocrino, existen dos tipos de
ligandos (hormonas) de acuerdo a su
naturaleza química: esteroides y
péptidos. Las hormonas esteroideas
(estrógeno, progesterona, testosterona, entre otras) derivadas del
colesterol, son liposolubles, por
tanto,
pueden
atravesar
con
facilidad la membrana plasmática
dependiendo de su coeficiente de
partición. Las hormonas peptídicas
(epinefrina, glucagon, insulina) son
insolubles en lípidos, por tanto, no
pueden atravesar la bicapa lipídica,
de aquí que deben utilizar
mecanismos especiales para actuar
dentro de la célula: disponen de un
receptor específico en la membrana.
Estas hormonas son sustancias
químicas que traen el “primer
mensaje” o información, de aquí que
son consideradas como los primeros
mensajeros. Por ejemplo, la insulina
trae el siguiente mensaje “glucosa
conviértase en glucógeno”. Otro, la LH
en varones le dice a las células de
Leydig “produzcan testosterona”. Otro
más, la adrenalina dice “glucógeno
conviértase en glucosa”. Ahora bien,
las hormonas liposolubles pueden
entrar directamente hasta el citosol y
desde allí, mediante un proceso que
se explicará más adelante, influye
sobre el núcleo para ejecutar su
orden o información.
Para comprender mejor este proceso
consideramos la acción reguladora
de los niveles sanguíneos de glucosa
por acción de
3 hormonas
peptídicas: insulina, glucagon y
adrenalina (epinefrina).
La primera participa en la
glucogenogénesis, polimerización de
la glucosa para que se convierta en
glucógeno. Las otras dos participan
en la glucogenolisis, degradación del
glucógeno para producir glucosa.
Dentro del citosol existen enzimas
(proteínas) que responden a la
acción indirecta de los propios
ligandos, ya que ellas inducen la
producción
de
un
segundo
mensajero que lleve al interior dicho
mensaje. Este segundo mensajero es
un nucleótido cíclico llamado AMPc
(adenosin monofosfato cíclico).
glucogenogénesis
Glucosa
Glucagon, adrenalina
Fosforilasa
Insu lina
Glucógeno sintetasa
Glucógeno
glucogenolisis
Membrana celular (III parte)
Receptores
Transductor
Existiendo en el torrente sanguíneo
y en el líquido intersticial que baña
las células las 3 hormonas que
regulan los niveles de glucosa,
¿cómo es una célula puede captar
una de ellas y rechazar las otras?
La respuesta es la presencia en un
momento determinado de una
proteína de membrana que actúa
como un receptor específico para
un ligando, es decir, para que la
célula sea blanco para un
determinado ligando (hormona)
debe poseer un receptor de
membrana específico para esa
hormona. Así, las células que
carecen de ese receptor específico
no pueden ser blanco para esos
ligando y no responderán.
Empecemos por definir esta
palabra. Es un dispositivo que es
capaz de transformar un tipo de
energía en otro. En este caso se
refiere a la proteína que puede
transformar una señal hormonal en
una enzimática. La principal
proteína transductora es la llamada
proteína G (*). Su nombre deriva
de la capacidad de unir nucleótidos
de guanina: GDP y GTP. Se
encuentra unida a la superficie
interna de la membrana. Está
conformada por 3 cadenas polipeptídicas, que de mayor a menor
tamaño se denominan alfa (α), beta
(β) y gamma (γ). Hasta ahora se
han
encontrado
unas
16
subunidades alfa diferentes ,
agrupadas en 3 familias: alfa
estimuladora (αs), alfa inhibidora
(αi) y otras (αo). Además se han
encontrado 5 subunidades beta y
10 subunidades gamma diferentes,
lo cual sugiere la diversidad de
acciones que puede presentar.
Debemos recordar aquí algunos
conceptos del capítulo Proteínas
(página
65).
Las
proteínas
intrínsecas de membrana poseen
tres dominios: exterior, transmembrana y citosólico. Si alguna
molécula llega a unirse a uno de los
extremos, producirá cambios de
conformación en el resto de la
molécula, lo cual puede provocar
contactos con otras moléculas de la
misma membrana.
Membrana
Citosol
Ligando
GDP
Membrana
Receptor
Receptor
(*) La proteína G fue descubierta por Alfred
Gilman y Martin Rodbell por lo cual ganaron el
premio Nobel de Medicina en 1994.
Membrana celular (III parte)
En estado de reposo, las subunidades α, β y γ forman un
complejo con un GDP unido a la
subunidad alfa. En cuanto el primer
mensajero se une a su receptor, éste
cambia de conformación y se une a
una proteína G que se encuentre a su
alrededor. A causa de esta unión, la
subunidad alfa de la proteína G
libera el GDP y adquiere un GTP.
Con este reemplazo de nucleótidos,
la subunidad alfa cambia su
conformación, se activa y se separa
del dímero beta-gamma, difundiéndose por la superficie interna de la
membrana hasta encontrar el efector
específico y al unirse a él lo activa.
Luego, la subunidad α hidroliza el
GTP para formar GDP (actúa como
una GTPasa), con lo cual se inactiva,
se disocia del efector y se reasocia
con el dímero β-γ, volviendo así a su
estado de reposo.
Efectores
Existen varios efectores para la
subunidad alfa de la proteína G,
siendo el más común y mejor
estudiado la adenilil ciclasa. Otros
son: la fosfodiesterasa, que regula
los niveles del segundo mensajero,
los canales de Ca+2 y K+. La adenilil
ciclasa está estructurada por 12
segmentos transmembrana (hidrofóbicos) con 2 dominios hidrofílicos
que miran hacia el citosol y en los
cuales ocurre la síntesis de AMPc a
partir del ATP.
Membrana
Citosol
Estimulación de la
adenilil ciclasa
GDP
inactiva
Membrana
Citosol
activa
GTP
γ
β
Tomaremos como ejemplo la acción
glucogenolítica de la adrenalina
(epinefrina) sobre la célula hepática,
mediante la cual el glucógeno se
degrada a glucosa por acción de la
enzima fosforilasa, que es activada
indirectamente por el AMP cíclico.
Membrana celular (III parte)
Cuando el glucagon (o la
adrenalina) que son el primer
mensajero se une al su receptor
específico en la membrana de los
hepatocitos, provoca un cambio
conformacional en la molécula del
receptor. Este cambio hace que la
molécula receptora tome contacto
con una molécula de proteína G.
La subunidad alfa de la proteína G
intercambia el GDP que posee por
un GTP, con lo cual se activa
separándose del dímero β-γ. Luego,
esta subunidad alfa se une a una
molécula de adenilil ciclasa cercana
provocándole un cambio conformacional, por el cual sus dominios
citosólicos capturan ATP y lo
convierten en AMP cíclico. Este
AMPc, como se explicará más
adelante, activará a la enzima que
degrada el glucógeno.
Una vez que la adenilil ciclasa
sintetizó muchas moléculas de
AMPc, la subunidad alfa hidroliza
su GTP convirtiéndose en GDP,
con lo cual se inactiva separándose
de la molécula efectora y
reasociándose de nuevo al dímero
beta-gamma, para configurar otra
molécula de proteína G lista para
iniciar otro proceso. Se reitera aquí
que la subunidad alfa, cuando está
en contacto con la adenilil ciclasa
actúa como una GTPasa, ya que es
capaz de convertir el GTP en GDP.
AMP cíclico
El monofosfato de adenosina
cíclico (AMPc) pertenece al grupo
de pequeñas moléculas llamadas
nucleótidos. Su estructura está
relacionada con el ATP, que es la
forma universal en que se
encuentra la energía en las células.
El atributo de cíclico de este AMP
se refiere al hecho que el único PO4
de la molécula forma un anillo con
los átomos 3´ y 5´ del anillo de
ribosa.
Hoy día se acepta que el AMPc
producido por la adenilil ciclasa en
respuesta a la unión de un ligando
al receptor específico de membrana
actúa
como
un
segundo
mensajero,
que
desde
la
membrana retransmite el mensaje
de la hormona (primer mensajero)
a la maquinaria bioquímica de la
célula. De esta manera, la señal de
bajo nivel que representa el ligando
puede ser amplificada miles de
veces mediante la producción de
moléculas de AMPc.
Membrana celular (III parte)
Los aumentos en la concentración de
AMPc en una célula pueden ser
regulados por una enzima de
membrana llamada fosfodiesterasa,
que se encarga de degradar el AMPc
activo a una forma de monofosfato
de adenosina NO cíclica, fisiológicamente inactivo.
En su estado inactivo la protein
cinasa posee 4 subunidades: dos
catalíticas y dos reguladoras con
sitios de unión para AMPc.
reguladoras
fosfodiesterasa
catalíticas
AMP
AMP
(inactivo)
(inactivo)
AMPc
AMPc
(activo)
(activo)
Cinasas
Hasta este nivel del conocimiento
tenemos que una hormona (ligando)
para influir sobre una célula
requiere de un receptor especìfico de
membrana. La activación del
receptor a través de la proteína G
provoca una activación de la adenilil
ciclasa (enzima de membrana) que
libera AMPc desde un ATP. Este
AMPc influye directamente sobre
unas proteínas citosólicas llamadas
cinasas (quinasas).
Una cinasa es una enzima capaz de
transferir un PO4 de un donante
(ATP) a un receptor. Cuando este
aceptor es otra proteína, la cinasa se
llama proteincinasa
El AMPc liberado por la adenilil
ciclasa se une a las subunidades
reguladoras,
cambiando
su
conformación y separándose de las
subunidades
catalíticas.
Las
subunidades catalíticas liberadas se
activan y permiten la fosforilación
de otras proteínas, es decir, le
entregarán un PO4 para que ellas se
activen o se inactiven (ya veremos
esto, tranquilo)
Membrana celular (III parte)
En el caso del glucagon (o de la
adrenalina),
la
proteincinasa
fosforila al mismo tiempo a dos
enzimas: (a) a la glucógeno
sintetasa que con PO4 se inactiva
(claro, es lógico que ocurra así pues
esta enzima debe inhibirse de
formar glucógeno) y (b) fosforilasa
cinasa que con PO4 se activa.
Veamos un esquema hasta aquí.
Todo este proceso se revierte cuando
los ligandos dejan de actuar sobre
los receptores de membrana, con lo
cual dejan de producirse los AMPc y
las moléculas fosforiladas pierden
ahora sus PO4 por acción de las
fosfatasas. Así, la glucógeno sintasa
que estaba inactiva con PO4 se
activa al perder dicho PO4. También
la fosforilasa cinasa que con PO4
estaba activa pasa a un estado de
inactivad, sin PO4.
Seguimos, la fosforilasa cinasa
activa con PO4, llega a fosforilar a la
fosforilasa b (inactiva, sin PO4)
transformándola en fosforilasa a
(activa, con PO4) que es capaz de
degradar la molécula de glucógeno,
produciendo primero glucosa 1 PO4
luego se convierte en glucosa 6 PO4
dando por último glucosa que pasa
al torrente sanguíneo para su
utilización. Ve Ud. como una
hormona que no puede entrar a la
célula puede provocar que se libere
glucosa hacia el exterior.
Otros 2º mensajeros
Explicaremos un importante fenómeno que ocurre en la retina. Allí
están
presentes
una
células
llamadas bastones que son capaces
de convertir las ondas luminosas en
impulsos nerviosos. Es interesante
aquí la participación de una
proteína
G
denominada
transducina (Gt) en la membrana de
los bastones, células fotorreceptoras
de la retina.
Membrana celular (III parte)
La membrana de estas células
incluyen una proteína llamada
rodopsina que tiene la capacidad de
captar rayos de luz. Cuando la
rodopsina recibe el impacto de los
fotones, activa a la Gt, cuya
subunidad alfa se une a una
molécula de membrana llamada
fosfodiesterasa, instruyéndola a que
transforme el GMPc en GMP, con lo
cual se cierran los canales de sodio,
aumentando la carga negativa
dentro de la célula haciendo que se
hiperpolarice y genere una señal
eléctrica que se transmita por el
nervio óptico al cerebro para su
interpretación.
El ión Ca+2 es considerado como un
segundo
mensajero,
ya
que
interviene como intermediario en
varias funciones celulares, algunas
de ellas son:
(a) En la contracción muscular:
cuando la fibra muscular lisa y
esquelética recibe un impulso
nervioso, en la membrana existen
una proteínas sensibles al cambio de
voltaje, que se relacionan íntimamente con otra proteína del organelo
(retículo sarcoplásmico, caveolas)
que contiene el calcio, con lo cual se
abren los canales de calcio saliendo
al
citosol
y
provocando
la
contracción.
(b) En la fecundación: la llegada de
un espermatozoide a la superficie
del ovocito provoca una entrada de
de iones Ca+2 que determinan una
movilización de vesículas hacia la
membrana y consecuente liberación
de su contenido de glucoproteínas
que al captar agua llegan a formar la
membrana de fecundación que
impide la entrada de nuevos
espermatozoides.
El óxido nítrico (NO) es considerado
como un transductor. La acetilcolina
que influye sobre las células
endoteliales
determina
una
liberación de iones Ca+2 que activan
la enzima oxido nítrico sintetasa
produciendo NO desde la L-arginina
Este NO difunde hacia las células
musculares lisas en donde se
combina con la guanilil ciclasa que
libera GMPc (segundo mensajero)
que se une a una proteínquinasa, la
cual actúa sobre dos proteínas de
membrana: una es la bomba que
saca Ca+2 y la otra es la que saca K+.
La salida de ambos iones determina
relajación del músculo.
Membrana celular (III parte)
Aplicación clínica
La cafeina y la teina, sustancias
estimulantes contenidas en el café
y té, respectivamente, actúan
inhibiendo
la
fosfodiesterasa,
manteniendo así altos los niveles
de AMPc. Considerando que el
cerebro requiere de 6 gr. de glucosa
por hora, es lógico pensar que en
las mañanas el cerebro requiere de
glucosa y que debe estar despierto.
Por eso, los alumnos de medicina
deben considerar la posibilidad de
ingerir todas las mañanas, antes de
asistir a las clases de las 7 am., una
buena taza de café con azúcar.
La bacteria causante del cólera
(Vibrio cholerae) segrega una
exotoxina que penetra en las
células del intestino, en donde
impide la transformación del GTP
en GDP por parte de la subunidad
alfa de la proteína G estimuladora.
Así la toxina impide que la
subunidad se separe de la adenilil
ciclasa y ésta continúa produciendo AMPc sin parar. Con esto
las células intestinales se ven
forzadas a segregar grandes
cantidades de agua y electrolitos a
la luz del intestino, produciendo
diarrea y, consecuentemente, una
deshidratación, que puede ser
fatal.
Uno de los grandes problemas
clínicos actuales que afectan a los
hombres adultos, en especial a los
de la tercera edad, es la disfunción
eréctil. Se ha determinado la
existencia de varias fosfodiesterasas (PDE), recordemos que estas
moléculas inhiben la acción de los
segundos
mensajeros
(AMPc,
GMPc);
incluso
han
sido
numeradas y precisadas en su
lugar de acción. Por ejemplo, la
PDE 3 actúa en la contractibilidad
cardíaca, la PDE 6 se encuentra en
la retina, la PDE 2 en el cerebro,
etc. La PDE 5 se encuentra en la
musculatura lisa de los cuerpos
cavernosos del pene. Los fármacos
disponibles
son
inhibidores
específicos
para
la
PDE5,
provocando que los cuerpos
cavernosos aumenten sus niveles
de GMPc con lo cual relajan la
musculatura lisa, permitiendo
mayor afluencia de sangre a sus
tejidos. Por tanto, se produce una
erección. ☺ ☺
Membrana celular (III parte)
1. ¿Por qué se considera a la subunidad alfa de la proteína G como una GTPasa?
2. Se sabe que la toxina del Vibrio cholerae impide la hidrólisis del GTP en la
subunidad alfa de la proteína G estimuladora. Esto trae como consecuencia
molecular que:
a) Se inhiba la acción de la fosfodiesterasa
b) La molécula del receptor no cambie su conformación
c) La subunidad alfa pueda separarse del efector
d) El dímero beta-gamma se una a la adenilil ciclasa
e) El efector sigue produciendo AMPc indefinidamente
3. En una situación experimental se ha detectado que por una mutación de una
molécula de membrana, los niveles de AMPc han disminuido notoriamente.
La unión receptor-ligando y los niveles de GTP son normales. ¿cuál de las
moléculas mencionadas podría estar mutada?
a) Adenilil ciclasa
b) Fosfodiesterasa
c) Subunidad alfa de la proteína G
d) Dímero beta-gamma de la proteína G
e) Proteíncinasa
4. ¿Cuál es la función específica de las siguientes moléculas:
a) Fosfodiesterasa
b) Adenililciclasa
c) Glucógenosintetasa
d) Proteincinasa
5. ¿Qué es un transductor biológico? Nombre dos especificando los sitios de acción
6. Intente explicar oralmente la acción molecular de la endotoxina del cólera.
7. ¿A qué se llama transducina y dónde se la encuentra?