T1, Introducció (2014)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Rovira y Virgili (URV)
Grado Bioquímica y Biología Molecular - 2º curso
Asignatura Senyalització i control del funcionament Cel·lular
Año del apunte 2014
Páginas 13
Fecha de subida 31/03/2015
Descargas 21
Subido por

Vista previa del texto

TEMA 1 Introducció a la senyalització cel·lular Necessitat de controlar el funcionament cel·lular Les cèl·lules s’han d’adaptar als canvis de condicions. Si no s’adapten aquests canvis de condicions, seria un fracàs total.
Aquesta adaptació la fan perquè quan reben la senyal, les cèl·lules la interpreten i canvien de funcionalitat.
Exemple: fetge Les cèl·lules hepàtiques, produeixen/cedeixen o utilitzen/capten glucosa.
Fan una funció o una altra segons la senyal que reben.
Totes les cèl·lules, ja siguin unicel·lulars o pluricel·lulars, tenen mecanismes de senyals que desxifren les senyals que reben i les transformen en un canvi de funcionalitat, i això significa que s’adapten aquests canvis de condicions.
En els organismes pluricel·lulars no es tracta només de respondre senyals de canvi de medi, sinó que hi haurà senyals que permetin que les cèl·lules treballin de manera coordinada, les cèl·lules i els òrgans.
Per tant, no només una cèl·lula ha de respondre a un canvi de funcionalitat perquè han canviat les condicions del medi, sinó que a més, aquest canvi de funcionalitat ha d’estar coordinat entre totes les cèl·lules del organisme.
En el medi intern, on viuen les cèl·lules, hi ha petits canvis de fluctuacions, però es manté constant gracies als sistemes homeostàtics .
És a dir, encara que el medi extern canviï, el medi intern es manté constant.
 Homeòstasis • L'homeòstasi es defineix com la capacitat de l'organisme de mantenir un estat d'estabilitat del seu medi intern i això malgrat les variacions constants del medi ambient extern • Exemples de sistemes homeostàtics: – La regulació dels nivells de la glucosa en la sang La glucosa s’ha de mantenir en uns valors: Si la glucosa augmenta dona una senyal al pàncrees fent que aquest alliberi insulina, que arriba als teixits, i els teixits capten glucosa.
Per tant, la senyal fa que els teixits treballin de manera coordinada i captin la glucosa.
Si la glucosa disminueix dona un senyal a determinades cèl·lules del pàncrees i produeix glucagó (hormona), que actua en determinats teixits per a que sintetitzin glucosa.
Per exemple el fetge, que degrada el glicogen emmagatzemat i allibera glucosa.
– La regulació de la temperatura corporal CONCLUSIÓ: les senyals serviran per coordinar la funcionalitat de tots els òrgans i els cèl·lules.
 Senyalització • Resposta a canvis en el medi (extern i intern en els pluricel·lulars) • Coordinació, formació i diferenciació dels teixits i òrgans Les cèl·lules són capaces de reconèixer les senyals, que li permetran fer una resposta als canvis del medi on es troba. En els unicel·lulars parlem de medi extern.
Les senyals permeten que les cèl·lules treballin de forma coordinada.
Les cèl·lules dels organisme no son totes iguals, sinó que es diferencien amb una funció concreta. Això es degut a que reben senyals que diuen que han de fer allò. Les senyals no diuen que s’han de diferenciar, sinó que mantenen que han de fer aquella funció.
També hi ha senyals que afecten la proliferació, fan que creixin o morin les cèl·lules.
La senyalització, el desxiframent de les senyals, es molt semblant entre totes les cèl·lules, i per tant un mecanisme de senyalització es pot aplicar a varies cèl·lules, ja sigui d’organismes diferents.
Totes les cèl·lules tenen mecanismes de senyalització, per a poder respondre a les senyals, que es basa en interpretar la senyal que rep i canviar la funció i coordinació.
La senyalització és important perquè si no funciona correctament pot arribar a provocar malalties.
Per tant, moltes malalties són el resultat d’un trastorn en la senyalització.
Les cèl·lules tenen moltes vies d’entrada de senyals. Segons d’on prové aquesta senyal (la seva naturalesa) la cèl·lula actua de diferent forma, aplica una via o una altra.
Tot això es molt complex, perquè cada senyal tindrà la seva cascada, sistema que interpreta la senyal.
Mecanismes de control del funcionament cel·lular (canvi funcionalitat)  Regulació de la funció (proteïnes) Una manera de canviar la funció de la cèl·lula es modificant les proteïnes que la formen. Per canviar la funció de les proteïnes podem canviar: • Activitat proteïna: curt termini És un efecte que podem veure ràpidament perquè és un canvi que es produeix a la proteïna quan ja està formada, i per tant la canvia d’un estat actiu a inactiu, o a l’inrevés.
– Unió de molècules efectores La molècula efectora (reguladora) es lliga específicament a la proteïna que controla, i aquesta unió produeix una activació o inhibició de la funció de la proteïna. Unió reversible. (la molècula s’uneix a la proteïna, li canvia la funció i el sistema ha de ser capaç de treure la molècula de la proteïna) Pot ser: 1. Compost orgànic de baix pes molecular (metabòlit final de la via, nucleòtids cíclics, etc) nucleòtids cíclics → derivats de nucleòtids que coneixem (ATP, GTP) metabòlit final de la via → fa inhibició feet-back del primer enzim 2. Proteïna (calmodulina) Hi ha proteïnes que necessiten que se’ls hi uneixi una altra proteïna per a ser activa 3. Ions (calci) – Modificació covalent Unió covalent d’un grup funcional (químic) a la cadena lateral d’aminoàcids de la proteïna ja sintetitzada. És Reversible: un enzim catalitza la unió del grup funcional i un altre enzim l’elimina.
Les modificacions més habituals són: 1. fosforilació/desfosforilació (Controla molta funcionalitat cel·lular) · La proteïna pot estar en dos estats, fosforilat i no-fosforilat. Una forma és activa i l’altra no, dependrà de la proteïna quina es quina.
· Dos enzims: – Proteïna quinasa: fosforila proteïnes – Proteïna fosfatasa: desfosforila proteïnes, hidrolitza grups fosfat.
· Fosforilació a residus de Ser/Thr o de Tyr. En procariotes (bacteris), es poden fosforilar altres residus, com Asp i His 2. acetilació/desacetilació 3. metilació/desmetilació  Exemple de control per compostos orgànics de baix pes molecular: Quinasa (enganxa grups fosfat) Es troba inactiva, i quan se li uneix un nucleòtid cíclic (AMP) se li produeix un canvi conformacional fen que sigui activa.
Si les molècules es dissocien torna a ser inactiva.
 Exemple de control per una proteïna Proteïna de membrana que es troba inactiva, i quan se li uneix una proteïna G provocant que la proteïna de membrana sigui activa.
 Exemple de control per ions La calmodulina quan se li uneix el Ca2+ canvia de conformació permetent que aquesta proteïna s’uneixi a altres proteïnes i les activi.
 Exemple fosforilació • Quantitat de proteïna: llarg termini Si augmenta el nº de molècules, la funció augmenta, és fa mes activa, i si es redueix el nº de proteïnes la funció es redueix.
Això es fa modulant l’expressió d’aquesta proteïna, o la seva degradació.
Per això és una regulació a llarg termini, perquè es tarda a fer-ho.
– Regulació de l’expressió gènica Hi ha molts llocs potencials que controlen l’expressió gènica (activar o reprimir): • Regulació de la transcripció · Estructura de la cromatina · Proteïnes implicades en la transcripció (RNA polimerases, factors de transcripció, cofactors...) · Epigenètica · MicroRNAs, etc • Maduració del mRNA • Regulació de l’estabilitat del mRNA i de la traducció Factor de transcripció: és una proteïna que s'uneix a seqüències específiques d'ADN, controlant d'aquesta manera la transcripció de la informació genètica de l'ADN a ARNm. (controlen l’expressió d’un gen) Realitzen aquesta funció sol o amb altres proteïnes en un complex, mitjançant la promoció (com un activador), o el bloqueig (com un repressor) el reclutament de l'ARN polimerasa per gens específics.
– Regulació de la proteòlisi • Via lisosomal: és una via inespecífica de degradació Es produeix dins dels lisosomes, que conté proteases.
Es forma una vesícula d’autofagia, de forma indiferenciada, i tot el que entra dins es degrada.
• Vies no-lisosomals: són selectives. La mes coneguda és la via de la ubiquitina-proteasoma.
La ubiquitina (Ub) és una proteïna de 76 residus. Intervé en: – Degradació de proteïnes en situacions d’estrès – Degradació de proteïnes desnaturalitzades o lesionades – Degradació de proteïnes reguladores (control de la vida mitjana) La via de la ubiquitina-proteasoma es produeix en el citosol, i degrada proteïnes concretes, és selectiva.
Una proteïna té una vida mitjana determinada, és a dir, és manté dins la cèl·lula un temps determinat. Això depèn de la importància que té la proteïna funcionalment: · Si tenen una vida llarga: no controlen processos primordials (Ex. Col·lagen) · Si tenen una vida curta: són crucials a l’hora d’una funció (Ex. participen en el metabolisme) Només es degrada aquella proteïna que està marcada per la ubiquitina.
Necessita tindre una cua de ubiquitines per ser traslladada a degradar.
La ubiquitina s’enganxa per un complex d’enzims: El E1 amb ATP lliga la ubiquitina. La ubiquitina es lliga pel extrem carboxil sobre el grup SH del enzim. Així queda la ubiquitina activada.
Aquesta ubiquitina activada es pasa a un E2, i aquest la pasa a un E3.
Aquest complex d’enzims és important perquè cada un d’ells té una característica específica.
L’enzim E3 es el que dona especificitat i diu quina proteïna es reconeix i es degrada.
Dins d’una cèl·lula hi ha bastants enzims E3 que reconeixen les diferents proteïnes. De E1 i de E2 no hi ha tants.
El proteosoma es qui degrada la proteïna.
El que reconeix a l’hora de saber quina proteïna a de degradar es la cua de ubiquitines. Per tant, la proteïna en si no dona especificitat sinó que ho fa la cua.
El centre catalític es troba dins el canal, i es troba en la zona anomenada 20S, no es específic, hidrolitza qualsevol pèptid que entra. El que dona especificitat són els extrems, 19S, que reconeix la cua de ubiquitines. A més, aquesta subunitat 19S hidrolitza la cua de ubiquitines, per així ser reutilitzada, i la proteïna entra al canal, a la zona 20S, per a ser degradada.
Es creu que els E3 reconeixen de les proteïnes algun tros de la seqüència primària que indica la degradació.
La marca de ubiquitina no només serveix per la proteòlisis de la proteïna, sinó que també serveix per la localització cel·lular, marca el seu destí.
Depèn de la lisina on s’uneixi la ubiquitina, anirà a un lloc a un altre.
• E3 és el responsable primari de l’especificitat en la proteòlisi.
• Hi ha un gran nombre de E3 diferents, i cada E3 reconeix pocs substrats (proteïnes diana) que tenen en comú senyals d’ubiquitinació particulars, normalment en l’estructura primària.
• El proteasoma només reconeix la proteïna marcada amb Ub, per tant no dona especificitat en la proteòlisi.
Una altra marca de localització i funcionalitat de proteïnes és la Sumoilatció. És quan s’uneix una proteïna molt petita anomenada SUMO (small ub-related modifier), i fan que les proteïnes es dirigeixin a un lloc concret.
• Localització subcel·lular Per a que una proteïna realitzi la seva funció, s’ha de trobar en el lloc que li toca.
Si una proteïna no es troba en el seu lloc adequat, aquesta no fa la seva funció.
Per tant, podem modificar la funció traslladant la proteïna.
GLUT4 translocation to the cell surface in insulin-stimulated isolated rat brown adipose cells. (A,B) The plasma membrane was detected by labeling with the rhodamine-conjugated lectin LCA (red) and then the cells were stained for GLUT4 (green). In the merged images, the yellow color in B indicates costaining of GLUT4 and lectin on the plasma membrane of insulin-stimulated cells compared to their more separate staining pattern in basal cells (A).
Bar = 10 μm.
Aquest exemple es tracta d’una cèl·lula adiposa.
El marcador vermell, marca la membrana (els oligosacàrids de la membrana).
El marcador verd marca un transportador de glucosa (el GLUT4).
En el teixit adipós només capta glucosa quan en sobra.
Aquest transportador es troba per dins la cèl·lula quan no s’ha de utilitzar la glucosa.
Quan arriba una senyal (insulina)indica que s’ha de consumir glucosa, i aquests transportadors se’n van a la membrana i capten la glucosa que hi ha al exterior.
És un procés a curt termini perquè ràpidament aquestes proteïnes es traslladen del interior a la membrana.
Principis bàsics de senyalització cel·lular i conceptes bàsics  Senyalització cel·lular Hi ha dos tipus de senyalització: • Senyalització intercel·lular (tema 2): comunicació entre cèl·lules en un organisme pluricel·lular, enviament de senyals entre cèl·lules • Senyalització intracel·lular: processat del senyal dins una cèl·lula que li permet respondre a un senyal extra o intracel·lular La resposta provoca un canvi de funcionalitat, i ha ser adequada segons la senyal.
La cèl·lula té una proteïna que s’anomena receptor i que reconeix la senyal (ligand).
Aquests receptors són diferents entre les cèl·lules i fan que cada cèl·lula respongui a senyals concretes, reconeixent les senyals de les que tenen receptors.
El receptor fa un canvi de conformació per a que entri la senyal dins la cèl·lula.
Si una cèl·lula té receptor per a una senyal, significa que té els gens que el codifiquen, i s’anomena cèl·lula diana per aquell senyal.
Una vegada el receptor ha reconegut el lligand concret, dins la cèl·lula hi ha una cascada de senyalització, que transmet el missatge fins arribar a on es produeix la resposta.
La diferencia entre cascades de senyalització és el nombre de components i la seva distribució.
Cascada de senyalització cel·lular = signaling transduction pathway Molècules (components) que es transmeten el missatge d’unes a les altres en cadena.
Poden ser: • pèptids, proteïnes (moltes vegades enzims) • Segons missatgers – Nucleòtids cíclics: AMPc, GMPc – lípids i derivats seus: inositols-fosfat, diacilglicerol – Ions: Ca2+ Segons missatgers = Components petits que formen part de la cascada.
S’anomenen així perquè el primer missatger és aquell que produeix la senyal, i per tant activa la cascada.
 Exemple: Adrenalina = Epinefrina 1) En la membrana plasmàtica hi ha el receptor de la adrenalina.
Quan s’uneix la adrenalina aquesta proteïna de membrana es dissocia d’una part i s’uneix a un enzim activant-lo.
Aquest enzim produeix AMPc a partir de ATP.
Si es segueix la cascada, al final el que es fa es fosforilar dos enzims a partir de una proteïna quinasa, i fa que aquesta cèl·lula tregui glucosa.
2) El receptor de adrenalina funciona igual que abans, però la proteïna quinasa no fosforila un enzim, sinó que fosforila un factor de transcripció, i quan està fosforilat es troba actiu.
 Exemple: Factor de creixement Tots els components de la cascada son proteïnes, que es van passant el missatge fosforilant-se i activant-se, fins que la ultima proteïna activa un factor de transcripció.
• Moltes malalties són conseqüència de la disfuncionalitat de vies de senyalització determinades i molts fàrmacs no són res mes que activadors o inhibidors de determinades vies de senyalització • Hi ha components de les cascades de senyalització que s’han identificat com productes d’oncogens Oncogens • Gens que es troben al genoma humà i que quan tenen alguna mutació o disfuncionalitat generen una proteïna anormal (normalment manté la cascada sempre activa).
• Es classifiquen en: – Classe 1: oncogens que codifiquen per factors de creixement (fan que les cèl·lules proliferin), exemple sis.
– Classe 2: oncogens que codifiquen per receptors de factors de creixement, exemple erbB – Classe 3: oncogens que codifiquen per components de la cascada de senyalització, exemple ras – Classe 4: oncogens que codifiquen per factors de transcripció, exemple fos, jun La majoria de fàrmacs actuen als sistemes de senyalització, sobretot a les cascades.
El càncer normalment són cascades que no funcionen correctament, exactament es que funcionen tota la estona.
Quan la proteïna que es sintetitzada pels oncogens està alterada indueix càncer. Provoca que la cascada no funcioni correctament.
 Característiques de les cascades de senyalització • El senyal ha de ser reversible: Un cop s’ha produït la resposta, el sistema de senyalització es desactiva (off), ja que el senyal no pot ser constant (ha de funcionar només en el moment adequat, s’aconsegueix que s’aturi perquè la cèl·lula te mecanismes que fan que el sistema es posi en off) • Les cèl·lules no responen a totes les senyals que els hi arriben: Cèl·lula diana Només responen aquelles senyals de les que tenen receptors, per tant les cèl·lules són selectives. Responen en front de senyals que entenen que les controlen, regulen i modulen.
• El mateix senyal pot tenir efectes diferents en diferents tipus cel·lulars.
Cada cèl·lula tindrà respostes diferents encara que la senyal sigui la mateixa, perquè per a un mateix senyal hi pot haver diferents tipus de receptors, i per tant hi haurà diferents cascades de senyalització que modificarà una funcionalitat o una altra.
• Un sol senyal pot generar més d’una resposta, i un sol senyal pot activar més d’una cascada de senyalització (divergència).
• Les cascades de senyalització poden compartir algun component (convergència) de manera que una funció pot controlar-se per diverses vies de senyalització.
• Crosstalk: coordinació entre les vies de senyalització d’una cèl·lula que estan activades simultàniament.
Ha d’haver una coordinació, perquè una cèl·lula es diana per a diferents senyals, i cada receptor que s’activa per cada senyal, activa la seva cascada de senyalització per canviar la funció corresponent.
• Amplificació del senyal: hi ha components de la cascada que són enzims, de manera que amb pocs enzims que s’activin es produeix una gran activació del component següent de la via.
 L’activació de la cascada és reversible Al receptor se li uneix el lligand, per tant aquest receptor passa a estat on, i passa la senyal al següent component.
Com podem parar-ho: - que un element s’internalitzi i es degradi fent que el receptor deixi de enviar senyal.
- mitjançant fosforilacions i desfosforilacions - canviant la concentració  Mateix lligant pot tenir diferents efectes en diferents cèl·lules La senyal és l’acetilcolina (neurotransmissor), i quan s’uneix al seu receptor, depenent del tipus cel·lular farà una resposta.
 Exemple de divergència Tenim la membrana plasmàtica on hi ha un receptor (vermell) que passa la senyal pels diferents components fins que arriba a un, que pot passar la mateixa senyal a diferents components, modificant la funció 1 i la funció 2  Exemple de convergència Tenim la funció en la cèl·lula que es pot modular per una senyal (vermell) o per una altra (blau), esta modulat per dos cascades diferents.
Determina que la cèl·lula sigui robusta, ja que si la funció, la controlen dos senyals diferents, estarà millor regulada, que si es un senyal sol, ja que hi ha dos sistemes que controlen que la funció tingui lloc correctament.
 Exemple de crosstalk Si es troben les dos vies actives, perquè reben les dos senya, provoca que la segona via no tingui tanta activitat, i per tant no enviï tanta senyal, a conseqüència que la primera també està activa.
Els últims components de cada cascada són factors de transcripció.
Que hi hagi mes activitat o menys en una altra cascada esta controlat per un component de cascada o productes finals de canvi de funció.
 Exemple d’amplificació de senyals Una cèl·lula pot rebre d’una senyal, diferents quantitats de molècules, provocant que d’una senyal petita tinguem una resposta molt gran.
El receptor activat passa el missatge a diferents components, fins que arriba a l’enzim Adenilat ciclasa que agafa milers de molècules de ATP i les converteix en AMPc, i cada molècula de AMPc envia la senyal al component següent de la cascada, activant-se milers components següents de la cascada.
Al final de tot tenim milers de molècules actives que participen a la resposta.
Complexitat de les vies de senyalització La complexitat de les cascades dependrà de la senyal. Hi ha senyals que tenen mes components que d’altres.
Cada señal té una cascada determinada.
Cascada de senyalització de la insulina ...