Tema 2.1 - Els receptors i la transducció del senyal (2016)

Apunte Catalán
Universidad Universidad de Girona (UdG)
Grado Biología - 3º curso
Asignatura Regulaicó Metabòlica
Año del apunte 2016
Páginas 16
Fecha de subida 21/03/2016
Descargas 35
Subido por

Descripción

Tema 2.1 - Els receptors i la transducció del senyal: Estudi experimental dels receptors, relació entre la unió i la resposta, els diferents tipus de receptors cel·lulars, els receptors intracel·lulars, els receptors extracel·lulars: receptors extracel·lulars units o connectats a canals iònics, receptors extracel·lulars units o connectats a proteïnes G, receptors extracel·lulars units o connectats a enzims, classes de receptors 1TM, hormona del creixement, sistema de factor epidèrmic

Vista previa del texto

Regulació metabòlica – Tema 2.1 - Sònia Vivo TEMA 2.1: ELS RECEPTORS I LA TRANSDUCCIÓ DEL SENYAL .
Els receptors són macromolècules proteiques. Els receptors extracel·lulars són glicoproteïnes. El receptor és l’encarregat de reconèixer el senyal (primer missatger), interpretar-lo i transduir-lo fins al lloc on li pertoca, generalment al nucli. El receptor tradueix el senyal a un nou missatge el qual acabarà modificant l’activitat cel·lular.
Es poden trobar receptors a la membrana (receptors extracel·lulars) o al citosol o al nucli (receptors intracel·lulars).
La majoria de primers missatgers (els gasos no) interactuen amb una part del receptor la qual és una estructura anàloga al centre actiu dels enzims. El receptor és molt específic i té una elevada afinitat amb el primer missatger. L’habilitat del teixit per respondre al senyal o estímul dependrà dels receptors que tingui.
El primer missatger, també anomenat lligand s’uneix molt fortament al receptor quan es troba en unes concentracions de 0.1μM-1pM. Quan el lligand interacciona amb el receptor fa que aquest pugui enviar un altre missatge. El receptor té una part, diferent al lloc on s’uneix el lligand, que té una altra funció: enviar el senyal quan la zona d’unió amb el lligand està ocupada (el lligand s’ha unit amb el receptor). La unió lligand-receptor provoca un canvi comformacional en aquest últim fent que pugui enviar el segon senyal. Per aquest motiu (tenir 2 zones i funcions) el receptor és una macromolècula.
ESTUDI EXPERIMENTAL DELS RECEPTORS S’estudia mitjançant la cinètica de Michaelis-Menten on, en comptes d’observar la relació EnzimSubstrat, mirem la relació Lligand-Receptor.
Receptor (R) + Lligand (L) ⇄ Complex Receptor-Lligand (RL) El pas de R+L a RL és reversible, és a dir, un cop tenim el complex ReceptorLligand format, aquest pot tornar a separar-se i alliberar el receptor i el lligand.
Es pot mesurar la constant de dissociació amb una formula molt simple: KD mesura quina força té la unió Receptor-Lligand. Quan més gran és KD menys forta serà la unió ja que tendirà a dissociar-se més.
Y: número de receptors ocupats (SETI) RL: receptors ocupats ≠ RL = complex receptor - lligand RT: receptors totals 1 Regulació metabòlica – Tema 2.1 - Sònia Vivo KL: Quantitat de lligand que ocupa el 50% dels receptors (És el mateix que la Ic50) Aquest gràfic (hipèrbole rectangular) mostra com va evolucionant Y, és a dir, com va augmentant la relació receptors ocupats / receptors totals (cada cop va quedant més receptors ocupats respecte el total) depenent de la concentració de lligand (primer missatges / senyal).
Veiem que es forma una corba saturable. Aquest fet es deu a que el nombre de receptors ocupats arriba a ser igual al nombre de receptors totals ([RL]/[RT] = 1) i, per tant, el lligand no té més receptors als quals unir-se → per més que s’afegeixi lligand, Y ja no creixerà més.
B = [RL]: Quantitat total de receptors ocupats (Bound Ligand) Bmax = [RT]: Receptors disponibles F = [L]: Quantitat de lligand disponible (Free Ligand) La representació (gràfica) ideal per un únic lloc d’unió està representat al següent gràfic (eix y→[RL]/[L] = B/F i eix x → [RL] = B): Aquesta recta permet determinar el nombre de receptors que té una cèl·lula per un determinat senyal i també permet saber l’afinitat del receptor per aquest senyal. (B i F es determinen amb diferents experiments).
2 Regulació metabòlica – Tema 2.1 - Sònia Vivo Experimentalment, però, aquest gràfic no surt tant perfecte: ● Estudi molt difícil: Realitzar l’estudi dels receptors és difícil per dos motius principals: - Hi han pocs receptors (depenent de la sensibilitat dels mètodes utilitzats es poden trobar més o menys receptors).
- Els receptors són grossos i estan ancorats a membrana fet que indica que tenen una part hidrofòbica → són difícils de mantenir en solució pel seu estudi.
● Tecnologies: gràcies a la millora progressiva de les tecnologies s’han pogut solucionar els problemes esmentats anteriorment: - Utilització d’isòtops: els isòtops permeten baixar 10.000 vegades la sensibilitat dels sistemes.
- Tecnologies de DNA recombinant: permet clonar proteïnes i tenir moltes copies d’aquesta.
● Metodologia per l’estudi dels receptors: S’incuben les cèl·lules que es sospita que tenen receptors juntament amb els lligands marcats amb isòtops. La incubació es fa amb gen (4ºC) per tal de bloquejar l’activitat cel·lular i, per tant, evitem que la cèl·lula endosti el receptor. Desprès de la incubació es centrifuga la mostra. Les cèl·lules formaran el pelet i el lligand que no s’hagi unit al receptor quedarà al sobrenedant. Com que sabem la quantitat de lligand inicial podem saber quan lligand s’ha unit a receptors (L inicial - L sobrenedant = L unit a receptor).
● Criteris a tenir en compte: - La unió lligand-receptor ha de ser específica per la cèl·lula diana → és un criteri lògic però no sempre aplicable.
3 Regulació metabòlica – Tema 2.1 - Sònia Vivo - La unió ha de ser un fenomen saturable → implica que la unió assoleix un nivell màxim quan tots els receptors estan ocupats (anàleg a Vmàx). Per això s’incuba amb presència i absència de lligand marcat. Com que no se sap quina és la quantitat de receptors que hi ha, perquè arribi al màxim és té que posar un excés de lligand (x10.000) i tens que fer un control.
- - Lligand marcat radioactivament s’anomena lligand calent.
- Lligand NO marcat radioactivament s’anomena lligand fred.
La unió ha de ser específica al lligand triat → es determina incubant amb una baixa concentració de lligand macat (lligand calent).
- La unió ha de ser d’elevada afinitat: S’estudia a partir de lligand marcats i lligand fred.
Existeixen 2 tipus de receptors diferents pel lligand: un receptor amb més afinitat i un altre amb menys afinitat.
Pot ser que en comptes de ser 2 receptors en sigui 1 el quan té 2 conformacions diferents (una més afí i l’altre menys).
El receptor de la insulina té 2 lloc d’unió, un més afí i un altre menys afí. Aquest fet fa que ens trobem amb 2KD.
↳ Un determinat tipus cel·lular pot expressar més d’un receptor amb diferents afinitats per un mateix lligand. Una cèl·lula disposa de 20.000-40.000 receptors per tipus de lligands.
RELACIÓ ENTRA LA UNIÓ I LA RESPOSTA La cèl·lula respondrà si disposa del receptor pel senyal. Pot tenir diferents receptors pel mateix lligand. Així doncs, es poden generar diferents respostes → Cèl·lules diferents poden respondre de diferent manera amb el mateix senyal (lligand).
El 1930 és van proposar 2 grans teories: - Teoria de l’ocupació: la resposta és directament proporcional al nombre de receptors ocupats. Aquesta teoria sembla ser més aplicable a la majoria de casos. A la meitat dels receptors ocupats hauríem de tenir la meitat de la màxima resposta, cosa que no passa. A una concentració més baixa de lligand ja s’obté la màxima resposta fisiològica, així que tampoc és compleix la teoria del 50%.
La resposta màxima podria donar-se amb una baix % de receptors ocupats (el 25%). Aquest fet es deu a que la cèl·lula, en realitat, té molts receptors per rebre bé el senyal arribi per on 4 Regulació metabòlica – Tema 2.1 - Sònia Vivo arribi (qualsevol costat). D’aquesta manera, tenint més receptors dels estrictament necessaris per les concentracions de senyal que arriben, s’assegura de rebre correctament el senyal arribi amb les concentracions que sigui i des d’on sigui.
- Teoria de la velocitat: el procés d’interacció lligand-receptor provoca una resposta discreta anomenada “quantum”. Una resposta que al llarg del temps necessitarà de noves interaccions per fer arribar el senyal al seu lloc (nucli o altres llocs). Un enzim pot provocar que un senyal inicial s’amplifiqui i formi molts senyals.
ELS DIFERENTS TIPUS DE RECEPTORS CEL·LULARS Els receptors es poden classificar segons: - Resposta que provoquen - Localització: - Receptors intracel·lulars → es troben dins la cèl·lula. Són els receptors de les hormones esteroides.
- Receptors extracel·lulars → es troben a la membrana cel·lular enfocant cap a fora.
5 Regulació metabòlica – Tema 2.1 - Sònia Vivo ELS RECEPTORS INTRACEL·LULARS Aquests receptors reconeixen les hormones que poden travessar la membrana (hormones esteroides). Són receptors formats per grans proteïnes. L’hormona interacciona amb el receptor al citosol (posteriorment haurà de viatjar al nucli per transduir el senyal) o al nucli (el receptor es pot trobar el aquests dos llocs).
Els receptors, al unir-se amb la hormona, dimeritzen, van al nucli i allà interaccionen amb el DNA (concretament a una zona anomenada element de resposta hormonal -HRE-). El receptor és un dímer (dimeritza) per tal d’interaccionar millor amb el DNA, el qual és bicatenari (la pinça que es generarà serà més estable). El receptor actuarà com un factor de transcripció → provocarà l’activació d’un gran nombre de gens. Aquesta és la primera ruta de transducció del senyal.
En aquesta imatge podem veure que l’hormona provoca l’alliberament del complex proteic inhibidor, provoca un canvi conformacional al receptor i aquest podrà induir la transcripció del DNA.
A la imatge de sota observem el mateix. Una proteïna inhibeix la unió del receptor amb el DNA però al arribar el lligand i una proteïna coactivadora el receptor pateix un canvi conformaciona i allibera la proteïna inhibidora fet que li permet unir-se al DNA. El receptor passa de ser inactiu a ser actiu.
6 Regulació metabòlica – Tema 2.1 - Sònia Vivo Així doncs, els receptors estan formats per un domini d’unió al lligand o hormona, un domini d’unió al DNA i una regió variable.
En estat de repòs, els receptors intracel·lulars estan estabilitzats per la proteïna HSP-90 (proteïna de xoc tèrmic). Les proteïnes HSP formen part de la família de proteïnes que ajuden al correcte plegament de les proteïnes que es sintetitzen.
ELS RECEPTORS EXTRACEL·LULARS Es classifiquen segons l’estructura i segons la funció, n’hi han 3 famílies o tipus: 1. Units o connectats a canals iònics.
2. Units o connectats a proteïnes G.
3. Units o connectats a un enzim.
7 Regulació metabòlica – Tema 2.1 - Sònia Vivo RECEPTORS EXTRACEL·LULARS UNITS O CONNECTATS A CANALS IÒNICS Són receptors que funcionen com un canal iònic regulat pel lligand (ex: acetilcolina) → el senyal obre el canal unit al receptor.
El receptor, sota estímul, obrirà un canal per deixar passar (només) ions.
EXEMPLE DE L’ACETILCOLINA: El receptor d’acetilcolina està format per 5 subunitats (2α, 1ɣ, 1ઠ i 1β). Cada subunitat té un punt d’unió per l’acetilcolina. Aquest fet fa que a més acetil, més subunitats la tindran unida i més s’obrirà el canal i deixarà passar el calci.
RECEPTORS EXTRACEL·LULARS UNITS O CONNECTATS A PROTEÏNES G Aquests receptors reben el nom de 7TM ja que travessen la membrana lipídica 7 vegades. També es poden anomenar GPCR (G-protein coupled receptor).
8 Regulació metabòlica – Tema 2.1 - Sònia Vivo Són els receptors més grans i complexos en quant a mida. Tenen 7 hèlix α hidrofòbiques d’uns 23 aminoàcids que permeten, al receptor, travessar la membrana 7 vegades. Tenen 3 grans parts o àrees: - Un gran domini extracel·lular anomenat ectodomini: és el lloc d’unió del lligand. Aquest lloc d’unió pot ser molt variable. Sol estar glucocidat. Aquest domini és la diana dels mitocondris.
- Una zona transmembrana: són les 7 hèlix α que travessen la membrana. Aquestes hèlix es poden desplaçar.
- Un domini citoplasmàtic format per loops. És la part que interacciona amb les proteïnes G.
Les proteïnes G es troben a prop d’aquest domini esperant a poder unir-se.
Si arriba un senyal, el receptor canvia de conformació, la zona trasmembrana és desplaça, s’estira i les proteïnes G s’uneixen al domini citoplasmàtic: El lligand impacta al terminal NH3+, les hèlix es desplacen i permeten que s’obrin els loops i s’enganxin les proteïnes G.
El lligand pot interaccionar de moltes maneres. L’ancestre d’aquests receptors són unes proteïnes bacterianes anomenades rodopsina.
RECEPTORS EXTRACEL·LULARS UNITS O CONNECTATS A ENZIMS Aquests receptors, a diferència dels anteriors, només travessen la membrana 1 cop. S’anomenen, doncs,1TM o single pas. Aquests receptors, com els anteriors, tenen 3 dominis: - Un domini molt gran extracel·lular anomenat ectodomini: sol estar glucocidat. És el lloc on s’uneix el lligand. Aquesta unió provocarà un canvi conformacional.
- Un domini transmembrana: El receptor només travessa un cop la membrana → 1 hèlix α (hidrofòbica) de 23 aminoàcids, travessa la membrana i permet un moviment del receptor.
- Domini intracel·lular o citoplasmàtic molt gran: En molts receptors aquest domini té activitat enzimàtica → Enzim al·lostèric amb activitat quinasa. Hi ha una llarga cua C terminal acceptora de grups fosfat. Si el receptor no té activitat quinasa al costat del domini citoplasmàtic hi hauran enzims quinasa.
En aquesta imatge veiem un receptor 1TM amb activitat enzimàtica (el de l’esquerra) i un altre receptor 1TM sense activitat enzimàtica (per això porta associades dues proteïnes intracel·lulars amb activitat enzimàtica).
9 Regulació metabòlica – Tema 2.1 - Sònia Vivo Enzim quinasa → reconeix l’ATP i li arrenca l’últim fosfat (anomenat gama). Enganxa el grup fosfat en els grups OH de dos tipus d’aminoàcids: tirosines (l’enzim s’anomenaria tirosin quinasa) o serines (i l’enzim s’anomenaria serin quinasa).
La unió del grup fosfat fa que hi hagi un canvi conformacional de la proteïna. Si la proteïna era un enzim, aquest canvi fa que s’activi. Aquest canvi seria una modificació permanent (ja que s’estableix un enllaç covalent) però no interessa que sigui permanent ja que faria que la cèl·lula entres en apoptosi → els enzims fosfatases alliberen els grups fosfat.
↳ El receptor pateix fosforilacions i desfosforilacions → La fosforilació és el principal regulador: El senyal pot ser enviat mentre el receptor està fosforilat. Quan es desfosforila ja no s’envia senyal.
Els receptors 1TM, doncs, es fosforilen sota estímul. Quan arriba lligand i aquest impacta sobre el receptor, la unió lligand-receptor crea dímers (sempre passa això, inclús amb oligòmers) i arriben molècules estabilitzadores de dímers.
Les dues molècules de receptor es fosforilen mútuament.
Aquest procés s’anomena transfosforilació (i NO autofosforilació, ja que una fosforila a l’altre, no es fosforilen a sí mateixes).
El grau de fosforilció depèn de la quantitat de senyal i la durada d’arribada d’aquest. A més senyal, més fosforilació. Llavors pot passar la fosforilació a les proteïnes DOCKY.
L’activitat quinasa del receptor fosforila la proteïna que s’uneix al receptor i es genera una cascada de fosforilacions (s’inicia un conjunt de grans rutes de transducció del senyal). Cada ruta provocarà quelcom: Una o dues faran que la cèl·lula es divideixi (ex: Grb-2)...
10 Regulació metabòlica – Tema 2.1 - Sònia Vivo  CLASSES DE RECEPTORS 1TM Existeixen centenars de receptors 1TM (existien encara més receptors 7TM). Hi han diferents tipus de receptors 1TM en funció del domini extracel·lular i el tipus de lligand que se li uneix: - Receptors amb activitat guanidil-ciclasa.
- Receptors amb activitat tirosin-quinasa.
- Receptors associats a tirosin-quinasa.
- Receptors amb activitat Tirosin-fosfatases.
- Receptors amb activitat Ser/Thr quinases (serin/threonin quinases).
The four classes of receptors with intrinsic enzymatic activity. Note that the kinase domains can phosphorylate residues located on the other receptor chain (autophosphorylation) or on other signalling proteins (as shown here). Note that receptors with intrinsic enzymatic activity with the exception of tyrosine phosphatases, have been represented in their active state, that is, following the formation of dimers by the extracellular ligand. In contrast to other receptors, receptor tyrosine phosphatases suppress their enzymatic activity upon ligand binding.
3.1. Receptors amb activitat guanidil-ciclasa: Les guanidil-ciclases fabriquen cGMP. Al augmentar la pressió sanguínia, les cèl·lules del cor secreten unes hormones peptídiques (ANP → atrial natriuretic pectides) les quals tenen receptors de tipus 1TM guanidil-ciclasa al cor i al ronyó.
El cGMP activa una ciclasa que fosforila un conjunt de proteïnes les quals activaran un procés de vasodilatació.
11 Regulació metabòlica – Tema 2.1 - Sònia Vivo 3.2. Receptors amb activitat tirosin-quinasa: Ex: família anomenada factors de creixement polipeptídics. Són proteïnes que fan moltes tasques diferent. La més important és el factor de creixement derivar de plaquetes (GF) → Les plaquetes van a les ferides, aboquen el seu contingut a la ferida. Aboca uns senyals que fan que les cèl·lules es divideixin.
Només hi han quatre factors que fan dividir les cèl·lules: EGF (factor de creixement epidèrmic), FGF (fibroblast growth factor) i PDG (platelet derived growth factor). IGF (insulin growth factor) fa que la fase G1 acabi (tema 4). Són anomenats mitogens.
3.3. Receptors associats a tirosin-quinases: Molts dels receptors del sistema immunitari són receptors associats a tirosin-quinases. Aquests receptors tenen una quinasa associada (IMPORTANT). El receptor es troba juntament amb la quinasa (enganxada a la membrana) la qual espera ser fosforilada. No tenen activitat quinasa, necessiten un enzim associat que sí la tingui.
Ex: Src. A una subfamília de Scr la van anomenar JAK (Just Another Kinase). La J de JAK també prové de Janus un deu romà. Es va descobrir la quinasa Scr en un virus (a un virus del sarcoma de Rous.
Quan el senyal arriba al receptor, aquest activa Scr la qual fosforila un seguit de proteïnes les quals viatjaran a nucli. Si el receptor no té activitat quinasa, té una quinasa associada (com és el cas).
3.4. Receptors amb activitat tirosin-fosfatases: Estan a l’espera: quan veuen moltes coses fosforilades les desfosforilen.
HORMONA DEL CREIXEMENT (GH): SISTEMA UNIÓ-RESPOSTA L’ordre la dona l’hipotàlem a l’adolescència. L’hipotàlem allibera somastatin i aquesta va a la pituïtària la qual allibera hormona del creixement. Aquesta hormona va al fetge i aquest allibera IGF-1 (el factor de creixement, lo que vertaderament fa créixer). (Curiositat: No es pot abusar de les hormones de creixement ja que tenen efectes secundaris).
L’hormona del creixement (també anomenada hormona somatotropina) és una hormona bastant grossa. Està 12 Regulació metabòlica – Tema 2.1 - Sònia Vivo formada per l’empaquetament de 4 hèlix α el qual forma un feix de 4 hèlix (boundles).
La hormona del creixement interacciona amb dos receptors (es forma un dímer). Els dos receptors són 1TM amb un gran domini extracel·lular (280bp). A més, també hi ha un domini transmembrana i un domini citosòlic sense activitat quinasa. El domini citosòlic no és gaire gran, lo just per portar enganxat una quinasa (JAK).
La hormona s’enganxa als receptors i això fa que arribi una altra molècula receptora lliure → provoca un canvi conformacional i JAK (enzim amb activitat quinasa) fosforila STAT. Aquest sistema és important (sistema de transducció del senyal) i va ser resolt per De Vos al 1972 a Genentech.
13 Regulació metabòlica – Tema 2.1 - Sònia Vivo Cada subunitat receptora reconeix una part concreta de la hormona: 3 aminoàcids de la molècula receptora de l’esquerra reconeixen un motiu estructural de la hormona i els mateixos 3 aminoàcids de l’altre receptor reconeixen una part diferent de la hormona.
La hormona del creixement (GH), com a tal, té efectes secundaris. Per aquest motiu no es pot prendre GH per créixer indefinidament → Això es deu a que té sistemes de regulació: 1.
Arriba la hormona, si la seva concentració és baixa, s’unirà als receptors 1TM i podrà interaccionar amb una altra molècula receptora lliure i es produirà un senyal. Si hi ha un excés d’hormona, però, varies molècules d’hormona s’uniran a molècules receptores lliures fent que no en quedin per unir-se a la hormona unida als receptors 1TM i, per tant, no es genera cap resposta.
A la imatge anterior es mostra com, al haver-hi molta hormona de creixement, aquesta s’uneix als receptors 1TM i als receptors lliures fent que quan els dos receptors 1TM es vulguin dimeritzar no puguin.
*La hormona del creixement NO és un dímer.
Els receptors lliures formen part de la família de super receptors hematopoiètics (segons De Vos) → S’ha vist, però, que no cal que siguin cèl·lules hematopoiètiques.
2.
Quan la hormona de creixement impacta amb el receptor inicia la ruta de transducció del senyal. Quan la cèl·lula ja ha respost, ha d’eliminar el senyal per tornar a l’estat inicial (homeòstasi) → Com ho fa? Una manera de tornar a l’estat inicial seria destruint el complex HormonaReceptor. La cèl·lula endocita el complex, l’empaqueta es una vesícula (endosoma primerenc) i la cèl·lula intenta destruir-lo mitjançant lisosomes.
14 Regulació metabòlica – Tema 2.1 - Sònia Vivo Durant un període de temps, doncs, la cèl·lula tindrà menys receptors de membrana. Aquest fenomen/regulació s’anomena down regulation.
Pot ser que la cèl·lula tingui un reservori de receptors o recicli els que ha endocitat (normalment no es recicla, és degradat).
L’hormona, doncs, entra dins la cèl·lula (endocitada) i allà li poden passar dues coses: ser eliminada per lisosomes o ser reciclada (es torna a fora de la cèl·lula fet que pot generar un senyal a les cèl·lules veïnes. A la pròpia cèl·lula no genera el senyal ja que té pocs receptors a la membrana).
SISTEMA DE FACTOR EPIDÈRMIC Els virus varen originar-se a partir d’endosomes els quals varen invaginar.
El lisosoma té un pH de 5.5. Aquest pH desfà la interacció hormona-receptor i permet que el receptor i/o l’hormona es recicli (s’enviï a fora).
El destí dels receptors és: - Reciclats a membrana.
- Degradats al lisozim (com les hormones).
- Enviats al mitocondri per entrar en apoptosi.
- Enviats a fora via exosomes.
- Enviats al nucli → un cop al nucli, permeten la transcripció d’uns determinats gens (Els receptors regulen la transcripció). Regulen la posta en marxa de la transcripció (síntesi) de sí 15 Regulació metabòlica – Tema 2.1 - Sònia Vivo mateix → Lopus autocrins. Això també explica el càncer: Les cèl·lules cancerígenes fabriquen receptors i hormona. La pròpia cèl·lula regula la quantitat de senyal que pot rebre per retroalimentació.
Quan hi han menys receptors a la membrana (els receptors pateixen down regulation) el sistema es des-sensibilitza i el senyal va a la cèl·lula veïna.
El factor de creixement epidèrmic (FGF) és el principal factor que provoca el creixement epidèrmic.
És el més important tot i que també hi intervenen altres hormones.
16 ...