Receptores de membarana celular

1. Laura del Olmo
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Tema 9. RECEPTORES DE MEMBRANA
TIPOS DE RECEPTORES HORMONALES Y VÍAS DE TRANSDUCCIÓN DE SEÑALES
 CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS DISTINTOS TIPOS DE RECEPTORES DE MEMBRANA MÁS IMPORTANTES
1. Receptores acoplados a canales de iones
2. Receptores acoplados a Proteínas G
3. Receptores acoplados a Enzimas
4. Receptores de Citoquinas
1. RECEPTORES ACOPLADOS A CANALES DE IONES
- Respuesta: muy rápida (mili segundos)
- Ligandos: moléculas orgánicas pequeñas. Los más importantes son los NEUROTRANSMISORES
- Unión (afinidad): de baja afinidad, con una KD (concentración a la cual se produce la mitad de la unión de receptores con sus ligandos) que está en el rango micro-milimolar. Si tiene baja afinidad significa que se necesitan concentraciones altas para alcanzar la respuesta
Cuando el receptor se une con su ligando se produce un cambio de conformación que se traduce en la apertura de un canal que permite la entrada de iones, lo que produce finalmente un cambio en el potencial de membrana
- Transmisión de la señal: mediante la regulación de otros canales, es decir, modulan canales dependientes de voltaje (Ca2+). Abren otros canales por ese cambio en el potencial de membrana

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 Tipos más importantes de receptores acoplados a canales de iones. Se pueden dividir en 2 grupos:
(1) Aquellos que permiten el paso de CATIONES (+)  producen una respuesta excitatoria.
- Acetilcolina
- Glutamato
- Serotonina
- ATP
(2) Aquellos que permiten el paso de ANIONES (-)  generan respuestas inhibidoras de la señal. - GABA (Ácido Gamma-AminoButírico)
- Glicina
 Ejemplo para explicar el funcionamiento del canal: Receptor Nicotínico de acetilcolina (se llama nicotínico porque también se le puede unir nicotina)
Son receptores formados por varias subunidades proteicas (este en concreto tiene 5) que se disponen de forma concéntrica.

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Cada una de las subunidades (proteínas independiente) está formada a su vez por proteínas que tienen varios dominios transmembrana (trozos de la proteína que están atravesando completamente la membrana).
*Los cilindros representan alfa-hélices.
Va haber uno de los dominios que siempre estará orientado hacia el interior y hacia el centro.
En el caso de este receptor la subunidad II es la que está orientada hacia el interior- centro y posee residuos de leucina (aa hidrófobo). La presencia de las leucinas en la alfa-hélice del dominio de ese receptor hace que el canal pueda estar cerrado para que no pasen los iones.
Cuando el ligando se une al receptor (en este caso la acetilcolina) genera un pequeño cambio de conformación que produce un mínimo cambio en las alfa-hélices, de manera que la leucina deja de estar orientada hacia el interior, disponiéndose ahora hacia la parte interna del propio canal (parte proteica del canal) y permitiendo que el canal esté abierto.
Los canales que permiten el paso de cationes/aniones suelen tener aminoácidos cargados que evitan el paso de cationes/aniones que no debieran de pasar.
Mutaciones puntuales en la estructura de la proteína (por ejemplo cambios en las leucinas) producirán alteraciones tales como que el canal esté permanentemente abierto.
Como ya hemos dicho, las respuestas de este tipo de receptores acoplados a canales iónicos son muy rápidas, de milisegundos, lo que significa que según se abre el canal pasa el ión y rápidamente se bloquea la respuesta.

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 Formas a través de las cuales se para la respuesta/señal:
I. Disociación del neurotransmisor, de manera que el canal se vuelve a cerrar.
II. Cierra del canal a pesar de estar unido todavía el ligando y el ligando se liberará en un tercer paso. Suele ser la forma más rápida.
2. RECEPTORES ACOPLADOS A PROTEÍNAS G
Prácticamente todas las células del organismo tiene algún tipo de estos receptores y son diana de numerosos fármacos, como los antagonistas- adrenérgicos (empleados para problemas cardíacos).
- Respuesta: algo más lenta que en los receptores acoplados a canales
- Ligandos: gran variedad (distintos tamaños) y ejercen funciones o procesos de señalización muy distintos
- Acción: autocrina, paracrina, endocrina o sináptica (neurotransmisores)
- Procesos: regulan los sentidos (olor, vista, sabor…), están implicados en la contracción cardíaca y en procesos metabólicos (regulación de la lipólisis)
- Unión (afinidad): media, con una KD que se encuentra en el rango nano- micromolar, es decir, con concentraciones mucho más pequeñas el receptor produce la respuesta

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 Funcionamiento (estructura):
La proteína G es una proteína integral transmembrana con varios dominios.
Se encuentra en el interior y es inactiva cuando tiene unido GDP.
Las proteínas G tienen varias subunidades:
- SubU alfa: contiene el sitio de unión al nucleótido de guanina (GDP/GTP)
- SubU beta y gamma: participan en la activación y regulación de la proteína G
Cuando el ligando se une al receptor se produce un pequeño cambio de conformación que se transmite a la parte interna del receptor, que también va a favorecer un cambio de conformación en la proteína G; entonces saldrá el GDP y ya podrá entrar el GTP en el sitio de unión que queda libre.
Al unirse el GTP a la proteína G ésta queda activa, generándose un cambio de conformación: se separa la subunidad alfa de las subunidades beta y gamma (liberación de las subunidades reguladoras).
La subunidad alfa se va a desplazar y se va a unir a la molécula efectora de la señalización, que está cerca de la membrana, activándola.
La molécula efectora puede ser, en el caso de las proteínas G:
- Un canal
- Una enzima
Una vez activado el efector la señalización ha de bloquearse.
El GTP se hidroliza a GDP + Pi, quedando de nuevo el GDP en el sitio de unión de la proteína G (estado inactivo). Esta reacción es catalizada por una actividad GTPasa que contiene la propia proteína G.
La subunidad alfa ya puede volverse a unir con las subunidades reguladoras (beta y gamma) regresando a su conformación inicial.
Esto se denomina el CICLO DE LAS PROTEÍNAS G y requiere un gasto de energía.

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 EFECTOS DE TOXINAS BACTERIANAS sobre estas vías de señalización: bloquean que se puedan reunificar la subunidad alfa con las subunidades reguladoras beta y gamma
Hay determinadas toxinas, como la botulínica o la del cólera, que lo que hacen es que inhiben la actividad GTPasa de las proteínas G, impidiendo su reunificación con las subunidades reguladoras (β y γ), quedando la vía de señalización permanentemente activada.
Como algunas de estas proteínas G están implicadas en la regulación de la contracción muscular del corazón, producen alteraciones en los ritmos cardíacos pudiendo llegar a provocar un paro cardíaco, ya que dejan el sistema permanentemente activado.
En el cólera la gastroenteritis que se produce se debe a la hiperactividad de uno de los canales iónicos que hace que se eliminen grandes cantidades de agua por el intersticio.
 Distintos efectores para las proteínas G clasificados en 5 grupos:
1. Gαs: activan a la AC  >> AMPC
Tienen como efector a la adenilato ciclasa (AC) a la cual estimulan y por tanto aumentan el AMPC.
Ejemplos de hormonas que actúan por esta vía son: glucagón, aminas-β-adrenérgicas (adrenalina)…

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2. Gαi: inhiben a la AC  << AMPC
También actúan sobre la adenilato ciclasa pero disminuyendo su actividad y por tanto disminuyen los niveles intracelulares de AMPC.
Los ligandos de estas proteínas G son: acetilcolina, neurotransmisores…
3. Gαq: activan a la fosfolipasa C  >> segundos mensajeros
La señalización se lleva a cabo mediante la fosfolipasa C (actúan sobre la PLC), la cual produce un aumento intracelular de los segundos mensajeros como el inositol trifosfato o el calcio.
4. Gαt: activan a la fosfodiesterasa de GMPC
Se activan por la acción de la luz sobre la proteína G y actúan activando la fosfodiesterasa de GMPC.
Estas proteínas participan en el proceso de la visión.
5. Gα1,3: abren canales catiónicos (Na+ y H+)
Son las menos abundantes y su función es abrir canales catiónicos, es decir, que permitan el intercambio de cationes (Na+ y H+).
Las vías más importante de señalización son las de las proteínas Gs y Gi, las que actúan activando/inhibiendo a la adenilato ciclasa respectivamente. Cuando el ligando se une al receptor que tenga estas proteínas G, éstas se activan y se unen a la adenilato ciclasa alterando su actividad.

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 ADENILATO CICLASA - AMPC
Como ya hemos dicho, las vías más importantes de señalización a través de los receptores acoplados a proteínas G son las que actúan sobre la adenilato ciclasa, y éstas son las proteínas G que tienen las subunidades αs y αi.
Cuando el ligando se acopla a una proteína G αs sale GDP, entra GTP y la proteína que activa se une a la adenilato ciclasa, enzima que cuando está activa cataliza la formación de AMPC a partir de ATP.
 PROTEÍNA KINASA A (PKA)
El AMPC se va a unir a la PKA, que es una quinasa muy importante en la regulación del metabolismo. La PKA es un tetrámero con 4 subunidades: 2 Reguladoras y 2 Catalíticas (con la actividad enzimática).
El AMPC se une a las subunidades reguladoras y al hacerlo se produce la separación de las subunidades reguladoras de las subunidades catalíticas.
Las subunidades catalíticas libres (2C) activan la función de la PKA (actividad: unión de AMPC y separación de las subunidades).
La PKA tiene numerosas dianas a las que va a fosforilar. Un grupo importante de estas dianas son enzimas que cuando se fosforilan se activan, por ejemplo la lipasa sensible a hormonas (cuando se fosforila se activa y cataliza la síntesis de TAG…). Además, cuando está activada es capaz de traslocar al núcleo y en el núcleo va a fosforilar factores de transcripción.

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Uno de los factores de transcripción que se regula por la acción de la PKA es CREB: factor de transcripción de respuesta a AMPC. Cuando se fosforila por la PKA se dimeriza y en la forma dimérica se une al DNA y modula la transcripción de distintos genes. Es decir, se une a ciertas secuencias de DNA o elementos de respuesta a AMPC mediante los cuales incrementa o reduce la transcripción regulada por estos genes.
3. RECEPTORES ACOPLADOS A ENZIMAS
Hay un gran número de receptores que son enzimas, es decir, el propio receptor cuando se activa presenta actividad catalítica. Los grupos más importantes son los que presentan las siguientes actividades:
 *Actividad QUINASA*: mayoritariamente *tirosina*; también serina/treonina
 Actividad FOSFATASA
 Actividad PROTEASA
 Actividad FOSFODIESTERASA DE NUCLEÓTIDOS (como guanilato)
Los más importantes y mayoritarios son:
I. Receptores con actividad tirosina-quinasa
II. Receptores con actividad guanilato-ciclasa
 Características generales:
- Efectos: mucho más lentos, largos. El tiempo de duración depende mucho del receptor y puede oscilar entre minutos y horas. Por ejemplo: si se activa la enzima tardará minutos; en cambio, si se activa la transcripción tardará horas
- Procesos que regulan: están implicados en la activación/inhibición de la expresión génica, en la división celular, en la diferenciación celular y también en los procesos de apoptosis
Algunos tienen efectos muy importantes en la regulación del metabolismo, como el RECEPTOR DE INSULINA, que pertenece a este grupo.
- Ligandos: proteínas
- Unión (afinidad): alta, con una KD que suele oscilar en el rango picomolar (es decir, con concentraciones de 10-12 ya se están produciendo efectos)

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I. RECEPTORES CON ACTIVIDAD TIROSINA-QUINASA (RTK)
Es uno de los más importantes. Este tipo de receptores los presentan los factores de crecimiento (moléculas que inducen la división celular) así como el receptor de insulina.
Los receptores suelen ser monómeros que atraviesan la membrana en la porción extracelular donde tienen la zona de unión al ligando; la porción intracelular es la que posee la actividad catalítica tirosina-quinasa.
El receptor de insulina es una excepción porque ya se encuentra en las células en forma de dímero y el mero hecho de que se una la insulina (ligando) activa al receptor y hace que se fosforile.
Para que el receptor se active es necesario que se unan dos moléculas del ligando y estas subunidades se aproximen (“cross linking").
- Autofosforilación del receptor: activación
Una vez que se ha producido la aproximación de dos receptores la actividad quinasa ya es activa y la primera diana va a ser el propio receptor, es decir, va a ser fosforilado en tirosina.
- Fosforilación de otras proteínas
La autofosforilación del receptor incrementa su actividad catalítica y además a los residuos de fosfotirosinas se podrán unir diferentes proteínas adaptadoras que los reconocen. Al unirse a ellas, como el receptor está plenamente activado, estas mismas proteínas adaptadoras se van a fosforilar.

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Una vez que se ha producido la activación a través de la autofosforilación del receptor, las otras proteínas nos pueden dar 2 vías distintas de señalización:
i. VÍA DE LA PI3K (Fosfatidil-Inositol-3-Kinasa) & PKB (Akt)
En el caso concreto del receptor de insulina está implicado en los efectos metabólicos de la hormona. Por ejemplo, regula el transporte de glucosa mediante la translocación de los trasportadores GLUT-4 del interior a la membrana plasmática (en musculo esquelético o tejido adiposo preferentemente), activa la glucólisis, inhibe la lipólisis… Todas estas vías que regula la insulina lo hará a través de esta vía de señalización de la PI3K.
El receptor se autofosforila para activarse y luego se unen proteínas adaptadoras que permitirán la unión de PI3K y que sea fosforilada por el receptor, lo que le va permitir actuar sobre su sustrato, los cuales son fosfolípidos de membrana, en particular el PI- 4,5-bisfosfato. Cuando actúa la PI3K lo fosforila dando lugar al PI-3,4,5-trifosfato.
La presencia de este PI-3,4,5-trifosfato permite que proteínas que tienen dominios PH (dominios de unión a fosfolípidos) se puedan aproximar y unir a la membrana plasmática.

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 PROTEÍNAS CON DOMINIOS PH: (1) PKD y (2) PKB
Dos de las proteínas que presentan estos dominios PH y que se unen al PI-3,4,5- trifosfato en la membrana plasmática son 2 quinasas: PKD y la PKB.
La unión de la PKD a los inositoles de membrana la activa, y al activarse va a fosforilar a la PKB (como se han unido a la membrana van a estar físicamente al lado).
Cuando la PKB (también llamada AKT) se fosforila por un lado se activa y por otro se disocia de la membrana y se trasloca al interior de la célula, donde va a fosforilar a sus dianas.
ii. VÍA DE LAS MAPK (Proteína Activada por Mitógenos; factores que inducen la mitosis): RTK – ras GTPasa
Es una vía muy importante porque es la vía que regula la mayor parte de los procesos de mitosis y división celular.
Los factores de crecimiento señalizan a través de esta vía para inducir que la célula se divida.
Estas vías de señalización en los tumores están permanentemente activas, por lo que son rutas que tienen un interés muy alto sobre todo en el estudio molecular del cáncer.

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 PROTEÍNA RAS (proteína G): ACTIVACIÓN DE LA VÍA DE LAS MAPK
Una vez que el receptor se ha autofosforilado se une una proteína adaptadora, que en esta vía es una proteína que finalmente va a permitir la activación de una proteína G, la proteína RAS, la cual se activa cuando se activan estos receptores.
La proteína RAS se activa como todas las proteínas G (con GTP) y cuando está activa induce la activación de la vía de las MAPK.
*Oncogén: gen que cuando muta induce un proceso tumoral. La proteína RAS está fisiológicamente en nuestro organismo y participa en procesos de división celular fisiológicos. Cuando muta se vuelve permanentemente activa.
 VÍA DE LAS MAPK PROPIAMENTE DICHA
Las MAPK son quinasas que finalmente inducen procesos de división celular y que se activan por mitógenos (factores que actúan en el ciclo celular estimulando la división celular; factores de crecimiento).
Hay distintos tipos de MAPK y se conocieron asociadas a procesos tumorales en los que se veía que su actividad era muy alta.

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Tienen distintas dianas y la mayoría activan factores de transcripción y por tanto modulan la expresión génica. También fosforilan proteínas produciendo la activación de enzimas, cambios en la permeabilidad de las membranas...
 Las MAPK para ser activas tienen que ser fosforiladas por las MAPKK, las cuales también tienen que estar fosforiladas para ser activas por las MAPKKK. En muchas de las rutas la MAPKKK se activa por la proteína G.
MEK (MAPK) y Raf (MAPKK) son algunos de los nombres de las proteínas que pertenecen a este grupo.
 Como se trata de fosforilaciones, en cada uno de estos pasos necesitamos ATP, lo que conlleva un gasto energético muy grande (cuando una hormona se une a un receptor).
En un proceso tumoral se estará gastando mucho ATP ya que en los tumores estas vías de las MAPK estarán permanentemente activas.
II. RECEPTORES CON ACTIVIDAD GUANILATO CICLASA: GMPC
Este tipo de receptores atraviesa la membrana y también consta de 2 dominios:
(1) Dominio extracelular  sitio de unión al ligando
(2) Dominio intracelular  donde se localiza la enzima
El receptor se tiene que unir al ligando para que se produzca un acercamiento entre dos receptores, se dimericen y así se active la enzima.

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La enzima GUANILATO-CICLASA cataliza la transformación de GTP  GMPC, el cual es un segundo mensajero que a su vez (de forma parecida al AMPC) activa a una quinasa, la PKG.
Al igual que ocurría con el AMPC, también hay una enzima, la fosfodiesterasa, que elimina el GMPC transformándolo en 5´-GMP, con lo que la vía se parará.
*La viagra inhibe la fosfodiesterasa, por lo que aumenta el GMPC pudiendo llegar a producirse un paro cardíaco por la activación permanente de la vía.
En resumen:
I. Activación: acercamiento y dimerización de los receptores
II. Guanilato-ciclasa: GTP  GMPC
III. GMPC: activación de la PKG
IV. PKG: actuación sobre distintas dianas (canales, enzimas, algún factor de transcripción…)
V. Fosfodiesterasa (eliminación del GMPC): GMPC  5´-GMP
 FACTOR NATRIURÉTICO ATRIAL (ANF): vasodilatador secretado en respuesta a un aumento de TA  regulación de la TA
Un ejemplo de estos receptores acoplados a la guanilato-ciclasa es el FACTOR NATRIURÉTICO ATRIAL, que es una proteína que producen los cardiomiocitos (miocitos del músculo cardíaco) en respuesta a un aumento de la tensión arterial.
Lo que ocurre es que aumenta el GMPC, que a través de su señalización por PKG, en el caso del músculo liso de los vasos donde hay estos receptores, produce la vasodilatación. Además actúa con el fin de reducir el agua y el sodio del sistema circulatorio para reducir así la presión arterial, por lo que en las nefronas se une a canales de sodio regulando la eliminación de Na+ a nivel renal.
 Efectos del ANF:
o Musculatura lisa de los vasos  vasodilatación (disminución de la TA)
o Túbulos renales  eliminación de Na+
Una vez que se ha regulado la TA la fosfodiesterasa ha de eliminar el FNA.

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 FOSFOLIPASA C: hidrólisis del IP2 en (1) DAG y (2) IP3
Además de estas vías existe posibilidad de interacciones con los receptores enzimáticos y los receptores acoplados a proteínas Gαq (de convergencia) que se producen a través de la enzima fosfolipasa C, la cual se puede activar por ambos receptores.
La fosfolipasa C hidroliza los fosfatidil inositol bifosfato, es decir, actúa sobre fosfolípidos de membrana llevando a cabo la hidrólisis del PIbisfosfato en 2 productos: (1) el diacilglicerol (DAG) y (2) el inositol trifosfato (IP3), y cada una de estas dos moléculas son segundos mensajeros.
1. Diacilglicerol (DAG). Va a permanecer anclado a la membrana por su hidrofobicidad.
2. Inositol trifosfato (IP3). Va a difundir al interior del citoplasma. Va actuar como ligando de un canal de calcio que se localiza en la membrana del RE.
En el momento en el que se abre el canal sale el Ca++ del interior del RE al citoplasma (aumento brusco del calcio citoplasmático).
El Ca2+ actúa como una señal química y también como un segundo mensajero ya que actúa como activador de distintas proteínas quinasas que se activan por la unión de calcio:
 PKC
 PK dependiente de Ca2+/calmodulina
Efectos más importantes mediados por el calcio: contracción muscular o movimientos intracelulares con secreción de vesículas…
4. RECEPTORES DE CITOQUINAS *Citocinas o citoquinas: proteínas que regulan la función de las células que las producen u otros tipos celulares. Los receptores de citocinas tienen vías de señalización menos conocidas porque éstas se conocen desde hace poco tiempo. Las citocinas son péptidos pequeños que pueden ser producidos por cualquier tipo celular, y dentro de todos esos grupos celulares, las que las producen en mayores cantidades son las células sanguíneas.

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Dentro del grupo de las citosinas encontramos: - Interleuquinas (IL): regulan los procesos de diferenciación de los leucocitos - Interferones - Factor de necrosis tumoral (TNF) - Leptina
 VÍA JAK/STAT
En general sus receptores presentan una vía de señalización que se denomina VÍA JAK/STAT.
Los receptores no son enzimas pero tras la unión de su ligando (citocina) van a activar a una enzima quinasa, la JAK (Janus Kinase).
La JAK se autofosforila y fosforila al receptor, es decir, el receptor se fosforila por acción de la JAK. El hecho de fosforilar al receptor permite que aparezcan en él dominios de reconocimiento de fosfotirosinas y en uno de esos dominios se va a unir otra proteína, la STAT (Señal Activadora y Transductora de la Transcripción), que es un factor de transcripción.
En resumen:
I. Fosforilación
II. Separación del receptor
III. Dimerización. Para ello tiene que estar fosforilado. El dímero transloca al núcleo y allí se abre a regiones específicas del DNA modulando la transcripción.