Tema 3.1 (i 3.2 corresponent a les diapositives) - Regulació hormonal per segon missatger (2016)

Apunte Catalán
Universidad Universidad de Girona (UdG)
Grado Biología - 3º curso
Asignatura Regulació metabòlica
Año del apunte 2016
Páginas 15
Fecha de subida 22/03/2016
Descargas 37
Subido por

Descripción

Tema 3.1 (i 3.2 corresponent a les diapositives) - Regulació hormonal per segon missatger: els receptors 7TM, transducció del senyal via 7TM, les proteïnes G, cicle de les GTPases, BOX4, visió funcional de les proteïnes G, adenilat ciclasa, BOX5, BOX6

Vista previa del texto

Regulació metabòlica – Tema 3.1 (i el 3.2 de les diapositives) - Sònia Vivo TEMA 3.1: REGULACIÓ HORMONAL PER SEGON MISSATGER Els receptors implicats en aquesta transducció del senyal són els 7TM o també anomenats GPCR.
El lligand NO travessa la membrana però el missatge que transporta si que ho ha de fer. Al citoplasma, el sistema sintetitza o fa servir una molècula diferent al lligand (primer missatger) per transduir el missatge. La nova molècula s’anomena segon missatger.
La utilització de segons missatgers és una característica única dels receptors 7TM (cap altre receptor utilitza segons missatgers per transduir el senyal!).
Als anys 1950, Earl Sutherland va observar com es regulava la glicogen fosforilasa sota estímul de l’adenilasa. L’adenilasa estimula la fosforilació de la glicogen fosforilasa. L’AMP cíclic (unió de l’oxigen del grup fosfat amb el carboni 3 de la pentosa) era el segon missatger (L’adrenalina era el primer).
cAMP amplificava el senyal ja que activava enzims. Earl, però, també va veure que el sistema s’aturava molt ràpidament ja que hi havien fosfatases les quals degradaven el cAMP.
Earl va postular els següents esdeveniments: - La hormona interacciona amb un receptor proteic específic a la cara externa de la membrana cel·lular.
- La unió de l’hormona amb el receptor provoca un canvi conformacional que activa un enzim que es troba al costat del receptor. L’enzim s’anomena adenilat ciclasa i és l’encarregat de fabricar cAMP.
- cAMP actua com a modulador positiu que afecta el metabolisme de la cèl·lula.
- Quan baixa l’estímul, es para la resposta cel·lular, decreix l’activació de l’enzim i cAMP és degradat per la fosfatasa.
La teoria del segon missatger d’Earl s’ha mantingut però s’ha tornat més complexa. La cèl·lula fa servir 3 famílies de segons missatgers (SURT SEMPRE A L’EXAMEN): - Nucleòtids cíclics: cAMP i cGMP.
1 Regulació metabòlica – Tema 3.1 (i el 3.2 de les diapositives) - Sònia Vivo - Fosfolípids de membrana - Calci → no el sintetitza la cèl·lula, s’ha d’agafar de la dieta.
EXEMPLE ADRENALINA: A la cèl·lula hi han 3 receptors per l’adrenalina: receptors α, receptors β1 i receptors β2.
Quan l’adrenalina impacta amb els receptors α, s’inhibeix l’activitat adenilat ciclasa. Els receptors β 1 es troben a la musculatura cardíaca. L’impacte amb l’adrenalina provoca més contracció i fa que el cor vagi més ràpid. Al budell hi han els receptors β2. L’impacte de l’adrenalina a aquests receptors provoca la relaxació de la musculatura.
ELS RECEPTORS 7TM: Com es mostra a la taula següent, hi han molts sistemes que utilitzen l’cAMP com a segon missatger.
En els receptors 7TM hi han 4 loops citoplasmàtics els quals transmeten el moviment que ha provocat el lligand. Quan el receptor 7TM reconeix el senyal, es despleguen els loops i poden ser reconeguts per la proteïna G.
Les proteïnes G formen la família de gens més nombrosa en humans (1000 formes diferents de les proteïnes → hi ha splicing).
Ens els receptors 7TM s’observen tres dominis diferents: - Un domini extracel·lular es qual pot ser molt gran i pot estar glucosilat. En aquest domini hi ha el punt de reconeixement del lligand.
2 Regulació metabòlica – Tema 3.1 (i el 3.2 de les diapositives) - Sònia Vivo - Un domini transmembrana format per 7 hèlix (les hèlix formen un tub). Aquest domini permet l’ancoratge a membrana i permet transduir el senyal. Les hormones petites es poden col·locar dins d’aquest tub.
- Un domini citosòlic el qual recull el canvi conformacional i transmet el senyal a les proteïnes G.
El receptor reconeix el senyal i l’envia dina (no fa entrar la molècula, sinó que transmet la informació del senyal).
Hi han 800 receptors els quals deriven d’un únic gen (més de 1000 si contem l’splicing). Els receptors 7TM provenen de la bacterioredoxina.
Els receptors 7TM es classifiquen segons el lligand que reconeixen: 3 Regulació metabòlica – Tema 3.1 (i el 3.2 de les diapositives) - Sònia Vivo - Receptors de radiació: L’impacte de radiació a un domin extracel·lular petit fa que se li arranqui un electró → permet veure si hi ha llum. És un sensor de la llum.
- Receptors del gust, tacte, pressió… - Sistemes de coagulació de la sang. La trombina li arrenca un tros N-terminal. Aquest tros arrancat cau en el mateix receptor i aquest s’activa.
- Hormones grans: són reconegudes per un domini extracel·lular molt gran i glucocidat.
L’hormona provoca un canvi conformacional al receptor que fa que aquest es tanqui.
La relació entre el lligand i la resposta no és directa.
Com que no interessa que el receptor es vagi movent, aquest està ancorat a membrana per un lípid anchor. Si no estigués ancorat, el receptor podria fer la volta a la cèl·lula en 1 segon ja que la bicapa és fluida.
El domini intern dels receptors 7TM (els loops) pot ser molt gran. Els loops, els quals estan numerats de l’1 al 4 (imatge anterior), poden interaccionar amb la proteïna G la qual ja està allà al costat.
Aquests loops tenen que estar ancorats a membrana per poder rebre el senyal del primer domini.
Els aminoàcids de les hèlix que travessen la membrana són 18 dels 23 que la formen. Quan arriba el lligand, provoca un canvi conformacional que permet que els loops interaccionin amb la proteïna G.
Els receptors 7TM dimeritzen (inclús oligimeritzen) i són endocitats. Alguns són enviats a eliminar (lisozim) i alguns investigadors diuen que poden anar a nucli.
A la imatge anterior s’observen diferents sistemes de dimerització dels receptors 7TM.
TRANSDUCCIÓ DEL SENYAL VIA RECEPTORS 7TM Arriba un senyal el qual no pot travessar la bicapa lipídica. Al interaccionar amb el receptor es produeix un canvi confrmacional el qual permet fer interaccionar els loops amb la proteïna. La proteïna G, la qual es troba ancorada a membrana, s’activa i va a buscar el següent efector. La 4 Regulació metabòlica – Tema 3.1 (i el 3.2 de les diapositives) - Sònia Vivo proteïna G no ha de viatjar gaire ja que l’efector següent no està gaire lluny. La proteïna G es mou gràcies a la fluïdesa de la bicapa lipídica.
L’efector és un enzim ancorat a membrana el qual produirà una molècula que farà de segon missatger → cAMP. cAMP activarà una quinasa (PKA) la qual entrarà a nucli i activarà una sèrie de factors de transcripció: s’activarà la transcripció d’una sèrie de gens que respondran al senyal.
LES PROTEÏNES G: Són un seguit de proteïnes que es caracteritzen per fixar GTP i trencar-lo a GDP. Són les anomenades GTPases.
Les GTPases es classifiquen en 5 grans famílies en funció de la seva mida: Proteïnes G, Factors de transcripció, Ras, Small G proteins i Tubulines. Totes les 5 famílies reconeixen i trenquen el GTP.
Les GTPases estan distribuïdes en moltes espècies, teixits, cèl·lules, etc. Presenten estructures molt conservades. Estan involucrades en molts processos cel·lulars: Participen en el control de la síntesi proteica (sobretot síntesi de ribosomes), participen en la transducció del senyal, translocació de proteïnes (reticle endoplasmàtic), participen en el control de la diferenciació, participen en el control del cicle cel·lular i participen en el control del transport de les vesícules dins la cèl·lula.
5 Regulació metabòlica – Tema 3.1 (i el 3.2 de les diapositives) - Sònia Vivo Com a sistema proteic, les GTPases, les quals deriven d’un gen, tenen un paper molt important.
CICLE DE LES GTPases: Participen en un cicle com a “interruptor”. És un sensor el qual s’autoanul·la. Les GTPases són, com ja hem comentat, uns enzims que trenquen el GTP en GDP. Al trencar el GTP salta un fosfat i el GDP queda al centre actiu de l’enzim. Aquest GDP inhibeix la GTPasa → Quan l’enzim té el GDP al centre actiu, es diu que està en estat de repòs.
El receptor 7TM estimula la GTPasa → fa de GNRP (estimula el bescanvi de nucleòtids de guanina).
GNRP també s’anomena GEF (guanine nucleotide exchange factors).
La proteïna GEF fa que la GTPasa tingui una afinitat menor per el GDP. El GDP, doncs, s’allibera de la GTPasa (queda buida) → Estat buit molt inestable. En aquest estat, la GTPasa té més afinitat pel GTP. El GTP es posa al centre actiu → Estat actiu. Al agafar el GTP, la proteïna pateix un canvi conformacional que li permet passar el senyal (transduir-lo a altres molècules) Seguidament l’enzim trencarà el GTP, saltarà el fosfat i la GTPasa tornarà a tenir el GDP al centre actiu, s’inhibirà l’activitat de l’enzim.
Aquest sistema és un sistema poc eficient ja que tarda uns 15-20 segons a fer-se el cicle. Com que va tant lent, es pot transmetre el senyal durant més temps (és el que interessa).
Si el sistema creu que va massa lent, es poden activar les proteïnes GAP (el següent efector, l’enzim) les quals faran que les GTPases trenquin el GTP més ràpidament.
GAP i GTPasa s’activen mútuament. GTPasa+GTP activa GAP i això fa que la GTPasa trenqui el GTP → el mateix sistema decideix anar més o menys ràpid.
6 Regulació metabòlica – Tema 3.1 (i el 3.2 de les diapositives) - Sònia Vivo Amb aquesta GTPasa es demostra que no perquè sigui un enzim ha de dur a terme la reacció ràpidament. Aquestes GTPases no són eficients, van lentes, perquè a la cèl·lula li interessa que sigui així.
Les proteïnes G ven ser descobertes i descrites per primera vegada per Robdell i Gilmen fet que els va permetre guanyar el premi Nobel al 1994.
Les proteïnes G estan formades per 3 subunitats, són heterodímers: - Una gran subunitat α: Aquesta subunitat té l’activitat GTPasa. És la subunitat més gran de les tres. Defineix el conjunt (dona nom al conjunt).
- Un dímer constituït per una subunitat β. Pesa uns 37KDa.
- Una petita subunitat γ. Pesa uns 8KDa.
Les tres subunitats es troben unides perquè la subunitat α té un GDP-anchor → la subunitat està unida a membrana. γ i β sempre es troben unides fet que estabilitza la proteïna. γ també es troba unida a membrana i la β no té ancoratge.
Aquestes subunitats són isoformes, s’han identificat 16 gens que codifiquen per α, 4 que codifiquen per β i 7 que ho fan per γ.
Hi han 4 grans famílies de proteïnes G trimèriques: 7 Regulació metabòlica – Tema 3.1 (i el 3.2 de les diapositives) - Sònia Vivo Gs → Estimula l’adenilat-ciclasa Golf → proteïna G per l’olfacte.
Gf → subunitat α estimuladora del següent efector (adenilat ciclasa).
Gi → subunitat α inhibidora de l’adenilat ciclasa.
Gq → subunitat α activadora de la fosfolipasa.
G12/13 → subunitat α activadora d’altres sistemes.
Depenent de la subunitat α que hi hagi a la proteïna G aquesta tindrà diferents funcions. Aquest fet explica perquè hi han diferents respostes per un mateix senyal. β i γ no tenen tanta variabilitat.
Les subunitats α i β són capaces de provocar diferents coses. Aquest fet provoca una gran varietat de respostes.
Gα Gβ Activa l’adenilat ciclasa Estimula o inhibeix l’adenilat ciclasa Pot activar les fosfolipases β Actua sobre fosfolipases (normalment les activa) Pot activar la PI-3K Actua sobre fosfodiesterases (ex del cGMP) Activa canals iònics Fa de GEF de la família Rho (pertany a la família RAS) Sinapsi Actua en el sistema de feromones en insectes 8 Regulació metabòlica – Tema 3.1 (i el 3.2 de les diapositives) - Sònia Vivo BOX 4: EL CÒLERA Aquesta box està dedicada al còlera. És una malaltia que provoca la mort en 48h per deshidratació.
Vibrio cholerae viu en aigües estancades. Quan s’ingereix Vibrio cholerae aquest ataca les parets del budell. Secreta una proteïna de 87KDa la qual travessa la membrana plasmàtica (és incorporada per endocitosi). Un cop a dins la cèl·lula, és activada per uns enzims que catalitzen la reacció que s’explica a continuació. Vibrio cholerae arrenca el complex ADP-ribose del NAD intracel·lular i el transfereix al centre actiu de la subunitat α de la proteïna G. Això fa que la proteïna G no pugui trencar el GTP i, per tant, el GTP queda sempre fixat al centre actiu de l’enzim. Com a conseqüència, la proteïna es troba activa permanentment i, per tant, envia senyal permanentment (activa la ruta). Això provoca l’obertura dels canals de sodi potassi. Aquesta obertura fa que hi hagi un bescanvi d’ions amb l’exterior (surten ions de Na+ i Cl- i la cèl·lula, per compensarho, deixa anar aigua → es deshidrata.
9 Regulació metabòlica – Tema 3.1 (i el 3.2 de les diapositives) - Sònia Vivo També hi ha una altre malaltia, la Toserina, la qual ataca els pulmons i provoca una tos humida. Té una toxina semblant a la del colera. Ataca al centre actiu de la proteïna G que acaba provocant una secressió massiva de moc.
PROTEÏNA G: Si no es troba al costat del receptor 7TM, el senyal no passarà. Per aquest motiu, la proteïna està ancorada a membrana. Es troba ancorada per dos punts: per la subunitat α i pel dímer γ-β. Si es trenca l’ancoratge, l’eficiència de la proteïna baixa molt.
Hi han 4 grans tipus de cadenes lipídiques que permeten ancorar la proteïna: - Palmitol → 16 carbonis.
- Miristol → 14 carbonis.
- Geranil → 20 carbonis.
- Farnesyl → 15 carbonis.
Hi ha una família d’isoprenoides que es poden unir a la proteïna G i fa que la proteïna pateixi una modificació postraduccional. Aquesta proteïna s’anomena proteïna prenilada.
● Visió funcional de les proteïnes G: En estat de repòs trobem un receptor 7TM buit. A prop d’aquest receptor hi ha una proteïna G ancorada a membrana i amb un GDP al centre actiu.
Quan arriba el senyal, aquest impacta sobre el 7TM i li provoca un canvi conformacional el qual afecta els loops 2, 3 i 4. Aquest canvi fa que la proteïna G s’activi en 2 sentits: - La subunitat α bescanvia el GDP per un GTP ja que el receptor 7TM fa de GNRP (bescanvia nucleòtids de guanina). Es torna actiu.
- Al tenir el GTP, es provoca un canvi conformacional a la proteïna que fa que la subunitat α es desenganxi de la subunitat β-γ i del receptor 7TM.
La subunitat α viatja per buscar el següent efector, l’adenilat ciclasa (no està gaire lluny).
10 Regulació metabòlica – Tema 3.1 (i el 3.2 de les diapositives) - Sònia Vivo Convé que l’enzim no sigui gaire eficient, és a dir, no trenqui el GTP abans de trobar l’adenilat ciclasa.
L’adenilat ciclasa farà de GAP i l’enzim trencarà el GTP (es quedarà amb el GDP al centre actius → s’inactiva). D‘aquesta manera, l’enzim ja no activarà més l’adenilat, ja que només ho fa quan té GTP al centre actiu.
La subunitat α amb el GDP podrà tornar a unir-se a γ-β i tornar a interaccionar amb el receptor 7TM.
Un receptor 7TM pot activar 5 proteïnes G.
Cada proteïna G pot activar 2 adenilat ciclases… → El senyal s’amplifica molt. Per aquest motiu necessita autoanular-se (sinó hi hauria molta resposta quan ja no toca..).
Si la subunitat α no es dissociés del receptor 7TM, aquest li acabaria activant l’activitat catalítica. Aquesta activitat és el “soroll de fons”. Sempre hi ha una mica d’activitat basal.
La ràpida dissociació del dímer γ-β i del receptor 7TM evita que el receptor activi la subunitat α (s’evita que es trenqui el GTP de seguida).
El dímer γ-β és el regulador ja que evita que la subunitat α transmeti el senyal quan està unida a ell.
Les proteïnes G també estan regulades per la fosforilació.
Hi han subunitats α inhibidores d’altres enzims.
11 Regulació metabòlica – Tema 3.1 (i el 3.2 de les diapositives) - Sònia Vivo Depenent del receptor i la cèl·lula, un mateix senyal pot provocar diferents respostes: L’adrenalina, quan impacta sobre els receptors β-adrenèrgics, activa l’adenilat ciclasa. Si s’uneix amb els αadrenèrgics, però, inhibeix l’adenilat ciclasa.
Els sistemes no són lineals. Normalment s’activa una ruta i s’inhibeix una altra → es formen un conjunt de rutes per tal d’obtenir la resposta desitjada. Aquest mecanisme té el nom de PORTA. Hi ha la but not (una activa/desactiva) i la and (Es tenen que activar dos rutes).
ADENILAT CICLASA (família d’enzims): Són un grup d’enzims. Hi han 9 isoformes de l’enzim distribuïdes en funció del teixit.
L’adenilat ciclasa agafa l’ATP i el cicla donant lloc a cAMP. Per fer-ho, doncs, es gasta ATP. És un enzim ancorat a membrana. Té 2 centres actius fet que li permet ser molt eficient. Fabrica molt cAMP de cop (augment ràpid i local del cAMP). Existeixen força toxines inhibidores d’aquest enzim.
L’adenilat ciclasa està sota control de: hormones, primers missatgers i neurotransmissors. També pot estar regulat per la concentració de calci.
L’enzim presenta una baixa afinitat per l’ATP. La subunitat α activada, millora l’activitat de l’adenilat ciclasa (la subunitat α activada activa l’adenilat ciclasa).
La concentració de cAMP al voltant de la membrana és molt baixa i hi ha molt d’ATP. De cop i volta, quan la subunitat α activa l’enzim, la concentració de cAMP augmenta molt (de 4 a 10 vegades).
La fosfodiesterasa elimina el cAMP i provoca que s’acabi el senyal. D’aquesta manera, hi ha un curt període de temps perquè el senyal passi al següent efector: la quinasa α.
L’activitat de l’adenilat ciclasa es pot aturar de dues maneres: parant el senyal o eliminar el segon missatger. El segon missatger és el cAMP que s’havia creat.
12 Regulació metabòlica – Tema 3.1 (i el 3.2 de les diapositives) - Sònia Vivo Quan s’acaba el senyal, la subunitat α trenca el GTP, canvia conformacionalment i deixa d’activar l’adenilat ciclasa.
Hi han tres punts de regulació: acabar el senyal, desunió de la subunitat α amb l’adenilat ciclasa i l’activitat fosfodiesterasa.
BOX 5: LA CAFEÏNA I LA TEÏNA: El te i el cafè contenen cafeïna. El té, però, també conté teïna fet que el fa ser més potent que el cafè.
La cafeïna té una estructura semblant a l’adenina i inhibeix una mica la fosfodiesterasa.
Aquest fet provoca que el cAMP estigui present més estona i el senyal es transmeti més.
Té un efecte semblant a l’adrenalina però de més baixa intensitat (fa augmentar el ritme cardíac…).
BOX 6: PKA (Protein Kinase A) La PKA és una quinasa la qual és activada per cAMP. Forma part de la família de les quinases (enzims que estan codificats per més gens en el nostre genoma). La PKA va ser la primera quinasa en ser descoberta per refracció de raigs X.
La PKA és un heterodímer bastant gros (2 subunitats reguladores i 2 catalítiques). Es troba al citosol esperant l’arribada del senyal.
Quan arriba un estímul, l’adenilat ciclasa fabrica molt cAMP (2n missatger) i aquest es fixa a la subunitat reguladora de PKA (cada subunitat reguladora té 2 llocs d’unió del cAMP). Quan més cAMP s’uneixi, més es separarà la subunitat reguladora de la catalítica (↑ llocs ocupats per cAMP → ↑ resposta i més afinitat).
13 Regulació metabòlica – Tema 3.1 (i el 3.2 de les diapositives) - Sònia Vivo Quan la subunitat catalítica està unida a la reguladora, es troba inhibida. Al unir-se cAMP a la reguladora, aquesta es separa i la catalítica s’activa.
Aquest sistema té 3 sistemes de regulació: - Concentració de cAMP (aquesta depèn del senyal extern). La unió de la primera molècula de cAMP provoca un canvi conformacional que fa que el segon lloc d’unió sigui més eficient.
Petites variacions de cAMP provoquen un gran augment de l’activitat catalítica → amplificació del senyal.
- Fosforilacions. En ratolins, la subunitat està fosforilada a la Thr-197 i això fa que sempre sigui actiu (permanentment).
- Regulació intra-estèrica: la seqüència reguladora porta un pèptid molt semblant a la seqüència que fosforila PKA (Arg-Arg-X-Ala). El fet de portar aquesta seqüència, fa que PKA la reconegui però no la fosforili. És un inhibidor. Com que el propi enzim porta un anàleg del substrat, un inhibidor, i aquest tapa el centre actiu, s’anomena intra-estèric.
Aquest centre intra- estèric s’ha trobat en altres enzims.
La PKA (les subunitats catalítiques actives) fosforilen diversos enzims i els activen. Les fosfatases, en canvi, treuen els grups fosfat.
La PKA activada té permís per entrar a nucli i fosforilar CREB per tal que aquest sigui actiu i pugui transcriure gens.
El cGMP també fa de segon missatger. Aquest és fabricat per guanidil ciclasa. Aquest enzim és la diana del NO. NO activa la guanidil ciclasa (Tema 2).
cGMP activa la quinasa PKG.
14 Regulació metabòlica – Tema 3.1 (i el 3.2 de les diapositives) - Sònia Vivo L’adrenalina fa augmentar els nivells de glucosa en sang per tal que el cor es posi en marxa. Per aconseguir aquesta resposta, ha de passar tot lo de la imatge següent (o l’anterior) (7TM, Proteïna G, Adenilat ciclasa, PKA, CREB).
15 ...