Transduccion de señal y cascada de la insulina

Introducción

Para que exista vida es necesario que las condiciones internas sean distintas a las del medio. Esto se puede lograr únicamente si se separan físicamente estas áreas. Sin embargo, los seres vivos necesitan adaptarse a su ambiente, por lo que es indispensable que de alguna manera "conozcan" lo que pasa en su exterior. En organismos sencillos este conocimiento es relativamente simple. Las señales de las condiciones externas suelen ser los mismos sustratos que tienen que adquirir del exterior. Esto significa que estas sustancias tienen que tener algún mecanismo para entrar a la célula, y de ahí, desencadenar los procesos bioquímicos correspondientes. Evidentemente, este no es el caso de organismos más complejos (multicelulares). En los organismos multicelulares se han desarrollado sistemas para la comunicación intracelular. Hay células que producen sustancias hidrofílicas que no pueden atravesar las membranas de otras, y que constituyen una señal del medio externo. De esa forma, las células B de los islotes de Langerhams en el páncreas pueden enviar una señal a todo el cuerpo sobre la disponibilidad de glucosa. Si hay suficiente glucosa (postpandrial), entonces interesa que se guarde o se use antes que los riñones la excreten. En cambio, si el cuerpo está en ayunas o inanición temprana, se puede mantener una concentración de glucosa estable para los tejidos que dependen de ella, con la certeza que todos los demás van a intentar conservarla. Como se puede ver, es necesario un mecanismo para que esa señal hidrofílica cause la respuesta necesaria en la célula. Esta respuesta tiene que incluir la activación e inhibición de rutas metabólicas, tanto las involucradas con el metabolismo energético como en la regulación de la expresión genética.

El mecanismo empleado para todo esto se le conoce como la transducción de señal. Consta de una proteína del lado externo de la membrana que reconoce una señal en particular. Luego, esta proteína activa de diversas maneras una cascada de regulación, ya sea directamente, o a través de una molécula secundaria (segundo mensajero). Estos sistemas se pueden dividir en 4 categorías: receptores con actividad enzimática intrínseca, receptores de citocinas, canales iónicos operados por ligando y receptores que están acoplados a una proteína G. (Ocorr, 1999)

Receptores con activad enzimática

Los receptores con actividad enzimática intrínseca se dividen básicamente en dos familias: tirosin kinasa y serina/treonina kinasa. El mecanismo de acción es muy similar para los dos sistemas. El receptor es una proteína transmembrana, con su dominio receptor en la cara extracelular, mientras que su dominio enzimático se encuentra en la cara citosólica de la membrana. La molécula señal actúa como un efector alostérico que activa el lado enzimático de la proteína. La enzima, como su nombre lo indica, fosforila residuos de tirosina, de treonina o de serina (según el tipo de enzima). Esta fosforilación activa la proteína fosforilada, iniciando una cascada de regulación covalente que finaliza en la regulación de algún proceso bioquímico.

En la familia de tirosin kinasa existe una dimerización u oligomerización del receptor, mediada por el ligando. (Ocorr, 1999) En algunos casos, como en el de la insulina, el receptor es un dímero, y la presencia del ligando causa un cambio conformacional que separa a las dos unidades. En otros casos, el ligando es un dímero que actúa necesariamente con dos receptores distintos, o es un monómero con dos sitios en los que se puede unir al receptor. También los receptores de tirosin kinasa pueden fosforilarse entre sí, aumentando su actividad. Todo esto contribuye a amplificar el efecto de cascada, permitiendo que una pequeña cantidad de molécula-señal cause grandes efectos en la célula.

Los receptores treonina/serina kinasa también presentan oligomerización dependiente de ligando. Los ligandos de este tipo se unen al receptor por enlaces disulfuro. Igual que la tirosin kinasa, la treonina/serina kinasa puede fosforilarse, y con esto aumentar su activad. Este tipo de receptor se encuentra en la pituitaria, donde es afectado por inhibinas y activinas. Regulan, entre otras cosas, la secreción de la hormona FSH (Follicle Stimulating Hormone). También están involucrados en la regulación de la matriz ósea y su calcificación. Otro tipo muy importante de receptor treonina/serina son los CDK (kinasa dependiente de ciclina) que están involucrados en el control del ciclo celular. (Kouruvilla, 2000)

Receptores de citocinas

Se mencionó anteriormente que existe una familia de receptores de citocinas. Estos son en realidad un tipo especial de receptores tirosin kinasa o treonina/serina kinasa. Constan de un dominio extracelular, al cual se une la señal (hormona de crecimiento humano, o alguna citocina), un dominio transmembrana y un segmento intracelular. (O'shea, 1996) Cuando llega el ligando, aumenta la afinidad del segmento intracelular por una proteína, JAK2. JAK2, de hecho, es una kinasa soluble. Al estar JAK2 unido al receptor, se activa, e inicia la cascada de fosforilación. Este sistema está involucrado en la hematopoyesis, en la regulación de la respuesta inmune y la inflamación. (Webb, 1999) Posteriormente se descubrió que a través de él actúa la hormona de crecimiento humano, aunque técnicamente esta no es una citocina.

Canales Iónicos

Otra forma de transducción de señal es a través de canales iónicos operados por ligando. Un ejemplo de estos es el receptor de la acetilcolina en células excitables. Como todas los receptores antes mencionados, tiene un segmento para recibir al ligando. Los canales iónicos tienen, en vez de un segmento enzimático, uno que funciona de paso para los iones. La presencia del ligando causa un cambio conformacional que causa un dipolo eléctrico en el dominio de paso. Este dipolo induce al paso de un ion. El ion que pasa depende de la posición de los amino ácidos en el canal, y de las interacciones electroquímicas internas. El ion que entra es entonces quien causa la respuesta de la célula. En el caso de la acetilcolina, este ion es el sodio. (Changeux, 1996) El efecto de dejar pasar sodio es una despolarización de la membrana, que puede tener como consecuencia la excitación de toda la célula. En otros casos, el ion puede actuar de segundo mensajero. Tal es el caso de muchos canales de calcio. La regulación lograda por este tipo de receptores suele ser más directa que en los otros tipos. (Berridge, 1993)

Receptores ligados a proteínas G

Finalmente, están los receptores que se relacionan con una proteína G. Este es el tipo de receptor más abundante. Por lo general, consta de una proteína receptora con 7 segmentos transmembrana, comúnmente conocida como serpentina. (Ocorr, 1999) Esta proteína está asociada a una proteína G, que, al activarse el receptor, se separa para activar otra enzima, que produce un segundo mensajero. Luego, el segundo mensajero puede activar cascadas, participar activamente en la regulación de una ruta,etc.

La proteína serpentina cuenta con 7 segmentos transmembrana, debido a dos razones: El número de segmentos debe ser impar, para que exista un segmento N terminal del lado opuesto a uno C terminal. Luego, es necesario que tenga esa longitud, ya que le permite tener cierta flexibilidad para poder llevar a cabo varios mecanismos regulatorios. Todos los tipos de serpentina conocidos tienen una secuencia de aminoácidos similares.(Ocorr, 1999)

Al unirse el ligando a la serpentina, ocurre un cambio conformacional, lo que activa dos procesos distintos: desensibilización del receptor al ligando, y la activación de una proteína G heterotrimérica (). El segundo proceso sucede cuando la proteína G reemplaza el GDP unida a ella por un GTP. Esto hace que se separa la unidad del dímero . (Berridge, 1993) Un mismo receptor puede provocar este cambio en varias proteínas G. Posteriormente, tanto la unidad libre con el GTP como la otra pueden, independientemente, interactuar con otras proteínas para amplificar la señal. Estas interacciones pueden incluir abrir canales iónicos. Este tipo de canal funciona básicamente igual al ya descrito, con la diferencia que su dominio de receptor se encuentra del lado citosólico de la membrana. También puede interactuar lacon enzimas, a las que regula alostéricamente. Estas, por su parte, pueden dar origen a un segundo mensajero, que puede llevar a cabo fosforilación selectiva, activación de la expresión genética, reorganización del citoesqueleto, secreción o despolarización de la membrana. (Simon et al, 1991)

Los receptores asociados a proteínas G son de una gran variedad. Se encuentran receptores de purinas, trombina, histamina, dopamina, ecosinoides, factor de liberación de la hormona de crecimiento, entre otros.(Simon et al, 1991) Cada uno de estos está asociado a un sistema diferente. En algunos casos se han encontrado proteínas distintas que responden al mismo ligando, pero que activan un sistema completamente distinto. En otras, palabras, cada proteína está acoplada a una ruta de segundos mensajeros distintos. Adicionalmente, una misma proteína G puede activar varios mensajeros. (Simon et al, 1991) Como se ve, las redes de activación por proteínas G pueden ser muy complicadas. Entre las enzimas que generan un segundo mensajero, y que son activadas por proteínas G se encuentran 7 adenil ciclasas, 5 isotipos de fosfolipasa C y 9 isotipos de fosfolipasa A2. Como ya es evidente, existen muchos tipos de proteínas G. La mayor parte de diferencias se encuentran en la subunidad . Aunque todas las subunidades encontradas hasta hoy tienen por lo menos un 20% de coincidencia en sus secuencias de aminoácidos, existe una gran variedad de ellas. (Simon et al, 1991) Se pueden dividir, de la forma más sencilla, en las que son y las que no son susceptibles a la toxina de pertrussis (PTX). (Berridge, 1993) Esta toxina desacopla a la proteína G del receptor, deshabilitando el sistema de transducción de señal. Muchas de las proteínas sensibles a PTX regulan canales iónicos. También constituye parte de este grupo la transducina, que activa la fosfodiesterasa retinal. Las diferencias en las subunidades es, mucho menos diversa. En cuanto a la subunidad , t las 4 variantes encontradas comparten el 80% de los aminoácidos. (Simon et al, 1991)

Segundos Mensajeros

En relación a todos los receptores tratados anteriormente, se han mencionado con frecuencia los segundos mensajeros. Estas moléculas pueden ser producidas, directa o indirectamente por cualquiera de los sistemas ya mencionados. Las funciones de los segundos mensajeros son muy variadas, pero en general, se puede decir que activan una cascada. Los dos segundos mensajeros más conocidos son el AMPc y el GMPc. Estos son producidos por la adenil y guanil ciclasa, respectivamente. Esta enzima es activada de alguna manera en la presencia de un ligando, a través de un receptor. Los cambios de concentración de estas moléculas puede causar regulación alostérica en alguna vía metabólica, o más comúnmente, puede activar alostéricamente una enzima que sea parte de una cascada de regulación metabólica.

Otro segundo mensajero es el inositol trifosfato (InsP3). En realidad es un sistema de segundo mensajero, que termina por liberar una cantidad de alguna sustancia (generalmente calcio) de las reservas internas de la célula hacia el citosol. (Berridge, 1993) También está involucrado en que la célula tome calcio de su exterior. Este sistema se puede dar básicamente secundario a proteínas G o a tirosin kinasa. En el primer caso, la proteína G activada activa alguna enzima de la familia de las fosfolipasas C (PLC). (Berridge, 1993) La PLC es quien degrada, de la membrana plasmática, una molécula de fosfolípido a inositol trifosfato y diacilglicerol (DAG). Cuando el activador de la fosfolipasa C es un sistema de tirosin kinasa, lo que sucede es que la PLC que es activada es una . Esta es una variante de PLC con un dominio SH2 con capacidad de unirse temporalmente a la membrana.(Berridge, 1993) Este dominio es fosforilado por la tirosin kinasa. El acercamiento de SH2 a la membrana también le permite tener un contacto con sus sustrato. Por su parte, el DAG también participa activamente en la transducción de señal, al activar la proteína C kinasa. (Berridge, 1993)

Cuando se libera el InsP3, este se une a un receptor en el retículo endoplásmico. Este receptor también funciona como canal iónico, específico para el calcio. Al unirse el InsP3, se abre el canal, durante aproximadamente 10 ms. (Berridge, 1993) La sensibilidad del receptor depende, entre otros factores, de la cantidad de calcio que esté alamcenado. Se cree que llega a un máximo de sensibilidad a los 300nM, de donde empieza a decrecer nuevamente. Una hipótesis para justificar esto es que el receptor actúa indirectamente con la calsecuestrina del retículo endoplásmico liso. Sin embargo, se ha demostrado que en endosomas reconstituidos artificialmente, el conserva sus propiedades. (Berridge, 1993) Adicionalmente al sistema de InsP3, la misma liberación de calcio ejerce una retroalimentación positiva, que termina por una mayor liberación de calcio. Además de permitir la liberación del calcio almacenado, existen otros acoplados a canales iónicos en la membrana celular. Estos suelen ser específicos para el calcio, permitiendo que entre calcio del exterior. Estos receptores, sin embargo, no son tan ligando-específicos, y son activados también por el inositol 4 fosfato. (Berridge, 1993) Este complejo sistema de transducción de señal es el que funciona para la contracción del músculo liso, del músculo cardíaco (fibras de Purkinje), la recepción de factores mitogénicos, entre otros.

Cascada de la insulina

Un ejemplo típico de transducción de señal mediado por la tirosin kinasa es la cascada de la insulina. La insulina es un polipéptido producido por las células de los islotes de Langerhams del páncreas. Tiene efectos en todas las células del cuerpo. Entre sus funciones están estimular la captación de glucosa e iniciar los procesos bioquímicos relacionados con su uso. También está involucrada en la activación de la expresión genética. El receptor para la insulina es una tirosin kinasa dimérica. Dos moléculas de insulina se pueden unir a cada receptor, aunque una sola es suficiente para desencadenar la cascada. El primer efecto es que el mismo receptor se autofosfoirle, y que fosforile al receptor no unido a la insulina. Esta fosforilación aumenta la activad de kinasa y empieza a fosforilar las tirosinas de ciertas proteínas específicas: las IRS y las Shc. Aquí se puede hablar de una división de las cascadas de la insulina. (Bilan et al, 1998)

La Grb2, de un lado, se une a los motivos fosforilados de IRS y de Shc para activarse. La Grb2 activa entonces al factor intercambiador de nucleótido guanina RAS, que se encuentra en la membrana plasmática. Este RAS, activa una enzima serina/treonina kinasa, lo que termina en la activación de la cascada Raf/MEK/ERK. Esta cascada está más involucrada en la estimulación de la síntesis de receptores GLUT-1. Esta cascada termina en la fosforilación de proteínas necesarias para la transcripción/traducción, así como algunas iniciadoras de la mitosis. (Bilan et al, 1998) (Forase et al, 1998)

Por otro lado, la fosfatidilinositol 3 kinasa también se une a los IRS fosforilados, a través de sus dominios SH2, produciendo Ins3P y DAG. Existe duda sobre el mecanismo de una tercera división, aunque lo más aceptado es que la fosfatidilinositol 3 kinasa es quien active a la p70 S6 kinasa, una serina/treonina kinasa que que fosforila la porción S6 de los ribosomas en mamíferos. (Bilan et al, 1998)Otro efecto que se le atribuye a la fosfatidilinositol 3 kinasa es la estimulación de la fusión de las vesículas que contienen el receptor GLUT-4 a la membrana. Se cree que lo hace indirectamente, pero no se conocen todos los intermediarios. (Bilan et al, 1998) El Ins3P también tiene funciona como efector alostérico, y activa una proteína kinasa B (PKB). (Forase et al, 1998) La PKB tiene una amplia gama de enzimas sustrato, a quienes fosforila. Entre ellas está la glucógeno sintasa fosforilasa 3, a quien desactiva al fosforilar. La glucógeno kinasa 3 fosforila a la glucógeno sintasa, desactivándola, por lo que la PKB se asegura que la glucógeno sintasa esté activa. La PKB también tiene alguna relación con el transporte de los receptores GLUT-4. (Forase et al, 1998)

Cascada del glucagón

Otro ejemplo de transducción de señal es el empleado por el glucagón. Esta hormona tiene propiedades antagonistas a las de la insulina. Es decir, promueve la glucemia sanguínea, por lo que estimula las vías de glucogenólisis. Es un polipéptido más corto que el de la insulina, producido por las células A de los islotes de Langerhams en el páncreas. Debido a sus efectos glucémicos, su efecto no es tan generalizado como el de la insulina. Afecta principalmente al hígado, donde inhibe la glucólisis y estimula la glucogenólisis y/o la gluconeogénesis.

La cascada del glucagón es a través de un receptor serpentina, acoplado a una proteína G. Como ya se describió en la sección sobre proteínas G, la proteína G se disocia en dos parte, una unida a GTP y otra que sale hasta acoplarse a activar a otra proteína. En el caso del glucagón, esta proteína es la adenil ciclasa, que produce AMPc. El AMPc, por su parte actúa sobre la proteína dependiente de AMPc, o proteína kinasa A (PKA). Esta proteína tiene dos unidades reguladoras y dos catalíticas. Cuando no está unida al AMPc, esta es inactiva, pero al unírsele, se disocia, dejando en libertad a las dos unidades catalíticas para actuar. Estas proteínas son en realidad serina/treonina kinasas. Esta proteína se encarga de inhibir la síntesis de glucógeno, fosforilando a la glucógeno sintasa. También estimula la glucogenólisis fosforilando a la glucógeno fosforilasa kinasa, que a su vez fosforila a la glucógeno fosforilasa, activándola. (Birbeck, 1997)