Tema 1. Introducció de senyalització cel·lular (2012)

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 2012
Páginas 9
Fecha de subida 18/01/2015
Descargas 16
Subido por

Vista previa del texto

CAyES Tema 1: Part 1: Introducció a la senyalització cel·lular: Necessitat de controlar el funcionament cel·lular: Un concepte important és que les coses no son mai constant, van canviant. Les cèl·lules es poden trobar en una situació diferent a l’anterior, canvien la seva funcionalitat i això es degut a que les coses van canviant per tal de tenir èxit, per fer front al medi que canvia i per poder viure.
En la imatge de la diapositiva hi ha dues persones, una amb les cames relaxades i en l’altra un home que està corrent, en la primera imatge, les cèl·lules estan relaxades, tenen un metabolisme basal baix, en canvi, en l’altre imatge, com està corrents, les cèl·lules han de canviar i començar a treballar més. Aquest canvi es fa gracies a unes senyals que fa que canviï la funcionalitat de les cèl·lules.
Un altre exemple es el nen que menja, com sabem que tenim gana? Com sap el nen que està menjant i que s’han d’activar enzims digestius... doncs tot això gracies a les senyals que arriben a les cèl·lules.
El fetge és un òrgan molt versàtil, te la capacitat de fer-ho gairebé tot. Gracies a les senyals te la capacitat, depenent de les circumstancies, de captar glucosa i utilitzar-la per produir energia o per contra, alliberar glucosa necessària per altres parts del cos.
Les senyals poden ser totalment externes o senyals que estan al interior del mateix òrgan. Les senyals son les que permeten respondre a canvis, però també tenen altra funció, que es la de coordinar les coses amb èxit.
Les cèl·lules son molt específiques per aquest motiu les senyals s’han de coordinar.
Homeòstasis: Es defineix com la capacitat de l’organisme de mantenir un estat d’estabilitat del seu medi interior i això malgrat les variacions constants del medi ambient extern.
Els nostres organismes viuen en un medi que els envolta, i l’homeòstasi es la capacitat de mantenir invariable els canvis en el medi intern de l’organisme, és a dir, entre les milions de cèl·lules que hi ha en un organisme.
Exemples de sistemes homeostàtics: - La regulació dels nivells de la glucosa en la sang.
La glucosa es el substrat energètic per excel·lència. El sistema nerviós central gasta cada dia 150 grams de glucosa diària. És molt important mantenir uns nivells de glucosa adequats. Si els nivells de glucosa són elevats també es perjudicial, ja que si hi ha tanta glucosa, aquesta glucosa començarà a fer funcions que no són seves, s’afegeixen a proteïnes i per tant poden canviar les funcionalitats d’aquestes (diabetis).
CAyES En els humans, la concentració de glucosa està entre 3,5 – 5 mM i mitjançant sistemes homeostàtics podem mantenir un nivell adequat de glucosa.
El pàncrees sintetitza el glucagó que arriba al fetge i li dona l’ordre de crear glucosa i trencar el glicogen. Com que els nivells de glucosa pugen, pugen els nivells de glucosa en sang. Si tenim una concentració de glucosa alta, per exemple desprès de dinar, llavors al pàncrees arriba una senyal de sintetitzar insulina per tal de fer baixar els nivells de glucosa.
La temperatura òptima es la de 37 graus al nostre cos. Passant-se senyals d’unes cèl·lules i altres podem regular la temperatura per tal d’estar a la òptima. Si el nostre cos està a una temperatura elevada, mitjançant les senyals fa baixar la temperatura amb la suor o traient-nos roba... i si per lo contrari tenim fred, una temperatura corporal baixa, o tremolem o ens ficarem roba... L’objectiu és sempre mantenir uns nivells estables i adequats.
Part 2: Mecanismes del control del funcionament cel·lular: CAyES Els enzims son proteïnes i son les que fan les funcions a les cèl·lules. La cèl·lula és capaç de canviar la quantitat de proteïna que esta dedicada en aquella funció. En últim terme es controlarà la funció mitjançant la quantitat de proteïna.
Podem distingir dos grans tipus de com es poden modificar les proteïnes: - Com més molècules d’un enzim tenim més flux hi haurà, més o menys ràpida es donarà la reacció.
Modificant la quantitat de proteïna que fa una funció podem modificar la rapidesa de la reacció.
Es necessita temps per a que es pugui produir la nova quantitat de proteïna. Els efectes no els veurem fins al final d’unes hores que hagi arribat la senyal.
- Un altre sistema de modificar la quantitat de proteïna és que aquestes proteïnes que estan a la cèl·lula estiguin actives o inactives.
La proteïna esta construïda però amb un petit canvi que fa que sigui activa o inactiva, el canvi d’un estat a un altre son processos molt ràpids. Per tant son regulacions o control a curt termini, veiem canvis ràpidament.
Un altre sistema de regulació de la funció de proteïnes és que les proteïnes per fer la funció que li toca ha d’estar al lloc que li toca, per aquest motiu és un sistema de control, que les proteïnes estiguin en el lloc adient de la cèl·lula per poder fer la funció que els hi pertoca. I això és molt bo perquè la cèl·lula pot tenir tot preparat, els substrat i els enzims, però com estan en compartiments que no els pertoca no reaccionaran, però que per quan la cèl·lula els necessiti moure’ls al compartiments òptims i que comenci la reacció.
Activitat proteïna: Unió de molècules efectores: La molècula efectora es lliga específicament a la proteïna que controla i aquesta unió produeix una activació o inhibició de la funció de la proteïna. Unió reversible. Tots els processos són molt ràpids. No és una unió covalent és reversible. Poden ser: - Compostos orgànics petits (baix pes molecular) com el feed-back negatiu, que l’últim producte de la viu actua inhibint el principi de la via i així parant la reacció.
Un exemple són els Nucleòtids cíclics com el AMP (adenosinmonofosfat). Un enzim inactiu (quinasa A) que quan hi ha el nucleòtid cíclic AMP i s’uneix a l’enzim s’activa la subunitat catalítica. És un procés que a la cèl·lula triga segons.
- També pot activar una proteïna, hi ha vegades que hi ha proteïnes que per passar a un estat actiu necessiten d’una altra proteïna (ex: calmodulina).
- La presència de determinats ions fa que algunes proteïnes passin d’estat inactiu a actiu. Com per exemple el Calci, moltes proteïnes el necessiten per tal de canviar de conformació i així passar a ser actiu.
Activitat proteïna: Modificació covalent.
Està en estat ON o en estat OFF depenent de si se li uneix una molècula covalentment o se li treu. Són processos reversibles. Hi haurà un enzim que catalitzarà la unió d’un grup funcional (químic) a la cadena lateral d’aminoàcids de la proteïna i uns altres enzims que faran lo contrari, l’eliminaran.
Les modificacions més habituals són: - Fosforilació/desfosforilació (és la que més interessa) La proteïna pot estar en dos estats, una de les dues formes serà l’activa, depenent de la proteïnes serà la fosforilada o la no fosforilada. El procés ha de ser reversible per unir i no unir.
L’enzim que catalitza l’enllaç del grup fosfat son les proteïnes quinases i la proteïna fosfatasa fa lo contrari, trencarà el grup fosfat.
CAyES - Els grups fosfats s’incorporen a residus hidroxils d’una cadena lateral d’aminoàcids (Ser/Thr o de Tyr).
En procariotes es poden fosforilar altres residus, com Asp i His. És un procés molt ràpid, els enzims catalitzen reaccions ràpides.
Acetilació/desacetilació Metilació/desmetilació Quantitat de proteïna: Es pot controlar la quantitat de proteïnes mitjançant l’expressió gènica. Hi ha proteïnes que tenen vides mitjanes més llargues o menys, aquí no es un interruptor ON-OFF, augmentem o disminuïm el número de molècules segons les funcions que necessiti la cèl·lula. Moltes vegades els sistemes de regulació es poden solapar, diferents control de regulació.
Quantitat de proteïna: Regulació de l’expressió gènica: Hi ha molt llocs potencials que controlen l’expressió gènica (activar o reprimir), com més expressió gènica hi hagi d’aquell gen més molècules hi hauran.
- Regulació de la transcripció: o Estructura de la cromatina: Està controlada a molt punts. Segons com sigui l’estructura de la cromatina un gen s’expressa més o menys.
o Proteïnes implicades en la transcripció: Hi ha moltes proteïnes implicades en la transcripció (RNA polimerases, factors de transcripció, cofactors...) Els factors de transcripció són proteïnes que tenen la funció de reconèixer una seqüència concreta de DNA i d’unir-se a aquella seqüència. Controla la transcripció de la informació genètica des de el DNA fins el RNAm. Els factors de transcripció realitzen aquesta funció sols o amb altres proteïnes en un complex, promovent (com un activador), o de bloqueig (com un repressor) la unió de la RNA polimerasa de gens específics fent que es transcriguin més o menys segons quins gens.
o Epigenètica: La transcripció està regulada per factors epigenètics que són factors que controlen la transcripció dels gens però no estan codificats en el DNA, en la seqüència de nucleòtids.
o microRNAs, etc: tenen funcions, un d’ells son aquets microRNAs, són complementaris de seqüències de RNAm o de l’ADN i fa que aquelles seqüències no s’expressin perquè es degraden o no es poden transcriure.
- Maduració del mRNA.
- Regulació de l’estabilitat del mRNA i de la traducció.
Quantitat de proteïna: Regulació de la proteòlisi: Sabem poca cosa. La via metabòlica que serveix per degradar proteïnes és la proteòlisi. Només es coneixia un sistema per poder degradar proteïnes que són la via lisosomal. Entra dintre del orgànul una part del citosol i el degrada. Aquesta via es una via molt poc específica perquè no degrada proteïnes concretes, i no es tenia gens clar com es podia controlar la quantitat de molècules que es degradava per proteòlisi.
Però ara també es coneix que dintre de la cèl·lula també hi ha vies de degradació molt selectives que només degraden proteïnes concretes. Es creia que les proteases degradaven tot lo que fos, però es va veure que no, que és altament selectiu, vies no-lisosomals. La més coneguda és la via de la ubiquitina-proteosoma: - Via del a Ubiquitina-proteosoma: La ubiquitina (Ub) és una proteïna de 76 residus (aminoàcids). Les proteïnes que s’han de degradar al citosol se’ls uneix la ubiquitina i per tant estan marcades per tal de ser degradades.
Intervé en: - Degradació de proteïnes en situacions d’estrès.
- Degradació de proteïnes desnaturalitzades o lesionades.
- Degradació de proteïnes reguladores (control de la vida mitjana).
De proteïnes reguladores ens referim a aquelles que controlen la funcionalitat d’alguna via de manera principal. La glicòlisi, per exemple, té diferents enzims, un catalitza cada reacció. La glicòlisis haurà d’anar de presa o a poc a poc segons les circumstancies, per aquest motiu hi ha un enzim que marca el ritme, sempre hi ha un enzim que mana, normalment es el primer enzim de la via. En totes les vies metabòliques hi ha una proteïna que és la reguladora. Un sistema de poder-la controlar és amb el número de molècula i es controla molt amb la degradació.
La via lisosomal actua degradant una quantitat molt elevada de proteïnes.
CAyES Intervé la ubiquitina, el marcador, i el proteosoma, que és la màquina que degrada les proteïnes marcades.
Encara que el proteosoma estigui al citosol realment està compartimentant. La proteòlisi es dona dintre del proteosoma, encara que es digui que està al citosol.
Una seqüència successiva de tres enzims diferents fa que es pugui unir la ubiquitina a la proteïna. En la degradació de proteïnes es necessita energia. La ubiquitina va passant d’un enzim a un altre fins arribar a l’enzim diana, però per a que sigui una senyal de degradació a la proteïna ha d’haver una poliubiquitina, només amb una no val. Quan tenim la cua de ubiquitina serà la senyal que farà que la proteïna vagi al proteosoma i es degradi.
El proteosoma esta constituït per dos parts diferents, la 20s i dues parts externes que son la 19s. Cada boleta representa una proteïna, és un complex molt gran de proteïnes.
- La zona 20s es la que te proteases, amb la característica que el centre actiu esta cap a l’interior, que hi ha un canal amb els centres actius. Com que aquestes proteases son específiques per l’enllaç peptídic que trenquen la proteïna es degrada trencant-se per diferents llocs específics, obtenint fragments.
- Les 19s, la seva funció és regular la entrada de proteïnes al proteosoma , reconeixen les proteïnes que estan al citosol que tinguin les marques de ubiquitines, i una vegada les han reconegut les fan entrar dintre del proteosoma. L’altra funció que tenen important és la d’eliminar la cua d’ubiquitines. De manera que al interior del proteosoma només entra la proteïna que esta condemnada, sense les ubiquitines que es quedaran al citosol, disponibles per tal de ubuiquitinitzar una altra proteïna, per tant es reutilitzen.
CAyES L’enzim E3 és el responsable primari de l’especificitat en la proteòlisi. Serà capaç de reconèixer una proteïna només o com a molt dos que s’assemblin, per tant cada cèl·lula haurà de tindre un munt d’enzims E3. Aquets enzims reben noms concrets perquè són molt específics per cada proteïna, en canvi d’enzims E1 amb un sol tipus ja hi ha bastant, perquè és molt poc específic. I de E2 si que és una mica més específic, però menys que el E3. L’especificitat la dona el E3 perquè el proteosoma tampoc es específic.
Aquesta E3 reconeix un fragment de l’estructura primària (5 o 6 substrats) però també poden haver altres senyals, com que estigui fosforilada, acetilada...
La ubiquitina no només té la funció de marcar per degradar la proteïna. La cadena de ubiquitina per a que sigui un marcador que degradi les proteïnes i que vagi cap al proteosoma, primer de tot, aquesta cadena s’ha d’unir a la lisina de la proteïna. Una altra funció és canviar de lloc la proteïna, posar-la en un altre compartiment cel·lular, també és un sistema de canviar la funció de les proteïnes, activant-les.
La ubiquitinització no és la única manera per marcar les proteïnes per degradar-les o per que s’activin per fer una altra funció. Hi ha una altre mecanisme que és la SUMOILITZACIÓ (proteïnes sumo). No intervé en la degradació de les proteïnes, només te la funció de moure-les.
Part 3: Principis bàsics de senyalització cel·lular i conceptes bàsics: Senyalització cel·lular: Ens referim a la senyalització intercel·lular, entre cèl·lules, que fa referència a com una cèl·lula envia un senyal que una altra cèl·lula reconeix.
Senyalització intracel·lular: Fa referència al processat del senyal, a una cèl·lula li arriba el senyal i fa canviar una funció, i aquesta senyalització mira els mecanismes que es duen a terme des de que la cèl·lula rep el senyal fins que la cèl·lula canvia de funció.
La senyalització intracel·lular es refereix a que a una cèl·lula rep un senyal. Per exemple: un fotó, un ió, una hormona, un neurotransmissor, un nutrient...
Aquestes senyals són anomenats també lligand, però no deixem de referir-nos a senyal, sobretot en el cas d’hormones.
La cèl·lula ha de detectar el senyal i qui ho detectarà és el receptor , que en detectar el senyal canviarà de conformació. Cada senyal té un receptor diferent, com que per detectar el senyal necessitem el receptor i les cèl·lules rebran el senyal corresponent al receptor, la cèl·lula només serà capaç de reconèixer alguns senyals en funció del receptor que tinguin. Un senyal té unes determinades cèl·lules diana segons els receptors, sense el receptor les cèl·lules no poden respondre. Un cop rebut el senyal, la cèl·lula respon amb corresponents de les cascades de senyalització, que són les que van del receptor al final de la resposta.
Les respostes poden ser activació o repressió de vies metabòliques, impuls nerviós, producció d’hormones...
Hi ha un senyal que arriba al receptor i donarà lloc a la cascada de senyalització que transmetrà informació i és de on obtindrem la resposta.
Gap Junctions: el mateix tipus de cèl·lula es comunica de forma directa amb les cèl·lules idèntiques a ella gràcies a les gap junctions, que són zones de la membrana tan properes entre elles que al mig es col·loquen proteïnes que formen un canal format per dos conexons i la conexina. Poden estar tancats i oberts, per tant, quan estan oberts, permeten que passin coses, entre aquestes coses es troben els senyals d’una cèl·lula a CAyES l’altre. Les gap junctions són molt selectives i cedeixen el pas a ions (no més grans de 1200 Da). Altament controlades, ja que quan una cèl·lula té problemes es tanquen.
Ex: Senyal d’apoptosi L’equivalent de les gap junctions a les cèl·lules vegetals són els plasmodesmes. Aquests són zones on desapareix la paret cel·lular i només es troba la membrana plasmàtica.
Terminologies: el pas de la informació del receptor a la resposta també s’anomena via de transducció de senyals.
Cascada de senyalització Molècules que es transmeten el senyal dels uns als altres. Els compostos que formen part de cascades són pèptids o proteïnes, i també proteïnes amb activitat enzimàtica, i per tant, enzims. Són molècules molt diverses. Altres components són els anomenats segons missatgers, que solen ser molècules orgàniques petites. N’hi ha de molt diferents també: podem trobar nucleòtids cíclics (com l’AMPc o el GTPc), lípids de membrana i determinats ions (Ca2+). Aquests compostos reben aquest nom perquè es va veure que aquestes molècules augmenten la seva concentració dins la cèl·lula en arribar el senyal. I és a partir del 1r senyal, quan es produeix un augment d’aquest compost.
Ex: adrenalina o epinefrina. Té un receptor i fa que la cèl·lula sigui una cèl·lula diana. En unir-se l’adrenalina al receptor, aquest canvia de conformació i provoca l’activació d’una proteïna que es dissocia i la subunitat dissociada s’uneix a una altra proteïna que inicia la seva activitat.
Ex 2: S’allibera cAMP que activa una hexoquinasa, que fosforila enzims que faran que la cèl·lula passi de degradar glucosa a fabricar glucosa.
ADRENALINA  senyal per a fabricar glucosa.
diferents quinases. L’última activa un factor de transcripció i s’inicia l’expressió (transcripció) d’un gen.
“La diabetis de l’adult es dona perquè els receptors d’insulina no funcionen correctament. Molts fàrmacs porten components de cascades.” Cascada de senyalització cel·lular Moltes malalties són conseqüència de la disfuncionalitat de vies de senyalització determinades i molts fàrmacs no són res més 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.
Amb el càncer el que es produeix és (moltes vegades) l’alteració d’una cascada de senyalització. Comencen a proliferar les cèl·lules degut a l’error en algunes vies de senyalització. Es va veure que els virus que induïen el càncer tenen uns gens anomenats oncogens, que són els que provoquen el càncer. S’ha vist que aquests gens (oncogens) són components de cascades. Aquests gens, quan són correctes, són prooncogens. Els oncogens es classifiquen depenent del que controlin en diferents classes.
ONCOGENS  components de cascades se senyalització.
Són 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: 1. Classe 1: oncogens que codifiquen per factors de creixement, sis.
2. Classe 2: oncogens que codifiquen per receptors de factors de creixement, erB.
3. Classe 3: oncogens que codifiquen per components de la cascada de senyalització, ras.
4. Classe 4: oncogens que codifiquen per factors de transcripció, fos, jun.
CAyES 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 d’arribar el senyal i ha d’arribar al punt final, però el sistema s’ha de poder posar en repòs; cosa que s’aconsegueix amb certs sistemes o mecanismes. Com podem aturar el procés? Fent desaparèixer el senyal per tancat el sistema, de forma que el receptor quedi inactiu; internalització del factor de la cèl·lula, és a dir, si apareixen altes concentracions de compostos s’han de reduir amb l’ajut d’enzims o d’empaquetatge...
- Les cèl·lules no responen a totes les senyals que els hi arriben: cèl·lules diana. Només responen les cèl·lules diana per aquell senyal exclusiu. Si les senyals són fotons, arriben a cèl·lules òptiques, però si aquest fotó arriba a un hepatòcit no ens donarà cap tipus de resposta (diferenciació cel·lular).
- El mateix senyal pot tenir efectes diferents en diferents tipus cel·lulars. El mateix senyal pot donar respostes diferents segons el tipus de cèl·lula, i aquest mateix senyal, depenent de la cèl·lula que interactuï, donaran lloc a cascades diferents. Poden haver senyals que reaccionin amb diversos receptors.
però cada resposta és diferent, i això passa a causa de la cascada de senyalització.
- Un sol senyal pot generar més d’una resposta i un sol senyal pot activar més d’una cascada de senyalització (divergència). Fenòmens de divergència  un sol senyal pot donar més d’una resposta, més d’una cascada.
- Les cascades de senyalització poden compartir algun component (convergència) de manera que una funció pot controlar-se per diverses vies de senyalització. Fenòmens de convergència  diversos senyals amb cascades pròpies, donen una mateixa resposta.
Dins de les cascades trobem: CAyES Crosstalk: coordinació entre les vies de senyalització d’una cèl·lula que estan activades simultàniament.
Les cascades poden interaccionar les unes amb les altres, i es controlen. Una cèl·lula té molts receptors i cascades, si una cèl·lula rep 10 senyals per 10 cascades, per 10 respostes, hi ha una xarxa que relaciona totes les vies de manera que no es dona alhora i es controlen. Si una via es dona molt, l’altra es veurà afectada.
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.
Les hormones estan a concentracions nm i pm, a les cèl·lules hi arriben poques molècules de lligand. Com pot una cèl·lula arribar a rebre tres molècules d’insulina i produir molta glucosa? Per l’amplificació.
Una petita senyal d’entrada pot donar lloc a una resposta molt gran. Com ho amplifiquen? Perquè els components de la cascada són enzims, i una sola molècula d’enzim catalitza milers de reaccions amplificant la senyal.
Ex: ADRENALINA  adenilat ciclasa  per cada molècula d’adenilat ciclasa es formen milers de molècules d’AMPc  cada molècula d’AMP activarà proteïnes quinases. Enzims que donaran milers de productes  ...
És just així com es produeix el procés d’amplificació. Les vies d’amplificació tenen una gran complexitat.
...