COMUNICACION CELULAR

Dr. LUIS RAMIREZ RUPAY2016

UPSJB

Comunicación celular o señalización

•Ninguna célula vive aislada. •En todos los organismos multicelulares, su supervivencia depende de una red compleja de comunicaciones inter celulares que coordina entre las células:–Crecimiento–Diferenciación–Metabolismo

Fibroblastos

Todas las células reciben señales desde su medio externo y responden enviando nuevas señales.

Para la supervivencia celular es necesario que las células:

• Se comuniquen con las células vecinas.• Vigilen las condiciones de su ambiente.• Respondan de manera apropiada a diversos tipos de estímulos que llegan a su superficie celular.

Comunicación mediante señales extracelulares:

• Síntesis de la molécula señal o ligando. • Liberación de la molécula señal por la célula productora. • Transporte de la molécula señal hacia la célula específica (célula diana). • Detección de la molécula señal por una proteína receptora específica. • Efecto biológico: Cambio en el metabolismo, la función o en el desarrollo de la célula inducidos por el complejo molécula señal- proteína receptor (ligando-receptor). • Eliminación de la molécula señal, que frecuentemente interrumpe la respuesta celular.

1. Sintesis

2. Liberacion

3. Transporte

4. Deteccion

5. Efecto Biologico

6. Eliminacion

Es en los organismos pluricelulares donde se alcanza…

…el grado más elevado de complejidad en la comunicación célula a célula.

• El comportamiento de cada célula tiene que ser regulado cuidadosamente para

satisfacer las necesidades delorganismo completo.

Las células diana (blanco u objetivo)…

…responden a la unión específica entre la

molécula señal y el receptor.

• Los receptores se expresan a nivel de: 1.Membrana celular 2.Intracelular:

–Citosol–Organelas–Núcleo

Sistema Nervioso

Sistema de Mensajeros Químicos

Mensajeros HidrofilicosMensajeros Hidrofobicos

Receptores de Membrana plástica Receptores Intracelulares

Las moléculas señal actúan a diferentes distancias:

1. Comunicación endocrina.2. Comunicación paracrina.3. Comunicación autocrina.4. Interacción directa entre receptores de membranas celulares

Célula Endocrina Receptor

Hormona

Sangre Célula BlancoInteracción Directa

Comunicación Autocrina

Comunicación Paracrina

Receptor

Célula Blanco

Célula no Blanco

Señalización endocrina

• La señal viaja a distancia por la sangre (varios metros).

• La molécula señal es denominada: Hormona.

• Glándulas endocrinas: Pituitaria, Tiroides, Paratiroides, Páncreas, Suprarrenal, Gónadas

Las Hormonas se transportan através del sistema circulatorio y

actúan sobre células Dianalejanas

Endocrina

Sangre

Vaso Sanguíneo Células Diana o Blanco

Señalización paracrina

• La célula Diana está cercana (escasos micrómetros).

–Neuronas: Neurotransmisores. –Factores de crecimiento.

Señalización autocrina

• La molécula señal afecta a la misma célula.

• Es decir, las células responden a sustancias o molécula señal que liberan ellas mismas.

La célula responde a unamolécula señal producida por

ella misma

La molécula liberada por unacélula actúa localmente

afectando a células dianapróximas

Células Vecinas

Paracrina

Autocrina

Señalización autocrina

• Muchos factores de crecimiento celulares actúan de este modo. • Las células en cultivo secretan factores de crecimiento para estimular su propio crecimiento y proliferación. • Este tipo de señalización es frecuente en células tumorales, que producen y secretan un exceso de factores de crecimiento que estimulan su propia proliferación no regulada e inadecuada.

Señalización Autocrina

Interacción directa entre receptores de membranas celulares

• Las proteínas de membrana plasmática específicas de una célula interactúan en forma directa con receptores específicos de membrana de la célula adyacente.

Que es un Receptor?

Un RECEPTOR es un complejo molecular localizado a nivel:

• Membrana celular • Intracelular:

–Citoplasma–Organelas–Núcleo

• Tiene una unión selectiva con el ligando. • Genera un efecto biológico

Los RECEPTORES de membrana celular son GLI COLIPIDOS o GLICOPROTEINAS que reconocen específicamente a un LIGANDO.

•El ligando también es denominado: – Primer mensajero– Molécula señal– Molécula mensaje– Señal biológica– Agonista– Hormona (comunicación endocrina)

Glicoproteína Glycolipido

• Constituyen < 0,01% del total de las proteínas de una célula.

• Debido a ello, es extremadamente difícil purificarlas y caracterizarlas.

• Un receptor específico se localiza sólo en algunas células blanco.

Los Receptores…

Características de los receptores:

• Hidrófilos, tienen regiones expuestas hacia el medio extracelular de reconocimiento (excepto: hormonas esteroideas, hormonas tiroideas, ácido retinoico).

• Concentración muy baja en la célula.

• Afinidad muy alta por el ligando .

• Especificidad de unión muy alta.

Características de los receptores:

• Alcanzan su saturación con el ligando concentración fisiológica del mismo.

• Tienen una unión reversible con el ligando.

• Tienen capacidad de realizar una transducción de la señal.

El ligando

• Se “ajusta” o fija a un sitio del receptor. • La unión del ligando con su receptor produce un cambio de conformación del receptor. • Se inicia una secuencia de reacciones generadoras de una respuesta celular específica.

Ligando:

• No es metabolizado a productos útiles. • No es intermediario de actividades celulares. • Carece de propiedades enzimáticas. • Modifica las propiedades del receptor; que luego transmite a la célula, la señal de la presencia de un producto específico en el medio.

Interacción ligando-receptor

• Durante la interacción entre el LIGANDO y el RECEPTOR ocurre:

– RECONOCIMIENTO ESPACIAL: Orientación de átomos. Interacción de electrones. – CAMBIOS CONFORMACIONALES. – TRANSFERENCIA DE ENERGIA.

• La unión de las moléculas señal a sus receptores provoca una cascada de reacciones intracelulares.

La interacción ligando-receptor puede desencadenar:

• Procesos metabólicos intracelulares.• Síntesis y secreción de proteínas.• Cambios en la actividad de enzimas.• Reconfiguración del citoesqueleto.• Motilidad celular.• Cambio en la permeabilidad de canales iónicos. • Cambios en la composición de fluidos intra y extracelulares.

La interacción ligando-receptor puede desencadenar:

• Cambios en la expresión de genes.• Activación de la síntesis de ADN.• Proliferación celular.• Crecimiento de tejidos.• Supervivencia o muerte celular: apoptosis.

• Una misma molécula puede tener varios receptores.

• Un receptor sólo responde a un solo tipo de molécula señal (especificidad del

receptor).

MEMBRANA CELULAR:

• Hormonas peptídicas• Neurotransmisores• Fotones• Citoquinas• Factores de crecimiento• ATP, Adenosina• Antígenos• Fragmentos de Complemento• Inmunoglobulinas, etc.

RECEPTORES CITOPLASMATICOS: • Hormonas esteroides • Oxido nítrico

RECEPTORES EN ORGANELAS:

• Receptor para IP3

RECEPTORES NUCLEARES: • Hormonas esteroides

• Hormonas Tiroideas• Vitamina D

Receptores de la superficie celular

Receptores de la Superficie Celular

La mayoría de ligandos responsables de la señalización célula-célula se unen a receptores de la superficie de las células Diana

Reconocimiento del estímulo en la superficie externa de la membrana celular mediante un receptor específico. Transferencia de la señal a través de la membrana hacia el citoplasma. Transmisión de la señal a las moléculas efectoras localizadas en la monocapa interna de la membrana celular o el citoplasma.

Sistema de Recepción de Superficie Celular

EL LIGANDO interactúa con el SITIO ACTIVO (receptor)

CAMBIO CONFORMACIONAL en un DOMINIO del RECEPTOR

Activación de un TRANSDUCTOR DE SEÑAL

Activación de un EFECTOR

Cambio de la ACTIVIDAD CELULAR (Efecto Biológico)

Receptores de superficie celular- clasificación:

Receptores acoplados a Proteína G: Ej. Receptores para adrenalina, serotonina, glucagon.

Receptores de canales iónicos: Ej. Receptor para acetilcolina.

Receptores ligados a tirosinacinasa: Ej. Receptor para citoquinas.

Receptores con actividad enzimática intrínseca: Se activan con la unión del ligando. Ej. Actividad de guanilatociclasa.

Receptores acoplados a Proteína G

Premio Novel de Medicina y Fisiología 1994Por el descubrimiento de ¨Las Proteínas G y el rol de estas proteínas como transductores de señal en las células¨

Alfred G. Gilman Universidad de Virginia, USA 1970s Determinó la naturaleza química del transductor de Rodbell

Martin Rodbell Instituto Nacional de Salud, Bethesda, USA Demostró en una serie de experimentos pioneros (1960 - 1970)que las señales de transducción enlas células involucra la cooperaciónde tres entidades.

• La familia más numerosa de los receptores de la superficie celular transmiten las señales al interior de las células a través de proteínas que unen nucleótidos de guanina, denominadas proteínas G

Receptores Acoplados a Proteína G

Los RECEPTORES acoplados a PROTEINA G se caracterizan por tener SIETEα- HELICEStransmembrana

•Existen más de 1,000 tipos de RECEPTORES acoplados a PROTEINA G

SISTEMA DE LA PROTEINA G

Proteínas heterotriméricas

unidas al nucleótidoGuanina

• LA PROTEINA G ES UN HETEROTRIMERO:

– SUBUNIDAD Miristoilada Palmitoilada – SUBUNIDAD Farnesilada Geranilgeranilada

Proteína G - Estructura

La unión ligando – receptor induce uncambio conformacional que permite al dominiocitosólico del receptor unirse a una proteína G unida a la monocapa citosólica de la membrana

En el estado inactivo, la subunidad se une a GDP constituyendo un complejo con: • La unión ligando – receptor induce un cambio conformacional. • El dominio citosólico del receptor se une a una proteína G en la monocapa citosólica de la membrana.

La subunidad libera a GDP y la intercambia con GTP.

• La subunidad unida a GTP y el complejo activados se disocian e interaccionan con sus dianas intracelulares respectivas.

• La subunidad se inactiva por la hidrólisis de GTP y la subunidad inactivada unida a GDP se reasocia con el dímero

PROTEINA G

LAS PROTEINAS G SECLASIFICAN DE ACUERDO A LA SUBUNIDADα:

αsestimuladoras αiinhibidoras

Membrana plasmática del Hepatocito

Ligando Estimulador

Adrenalina Glucagon ACTH

PGE Adenosina

Ligando Inhibidor

Activación de E Inhibición de E

Receptor de Hormona Inhibidora

Complejo de Proteína G Inhibidora

Complejo de Proteína G Estimuladora

Citosol

Receptor de Hormona Estimuladora

Existen Subunidades alfa Exitatorias e Inhitorias

• Los Receptores Acoplados a Proteina G(GPCRs) son activados por una diversidad de ligandos:

– Proteasas– Péptidos– Pequeñas moléculas– Hormonas peptídicas– Odorantes– Neurotransmisores– Fotones– Feromonas– Complejos IgE-antígeno– Otros.

Las proteínas G regulan la actividad de los efectores celulares

• Enzimas intracelulares: Ej. Adenilatociclasa

• Canales iónicos regulados por ligando

• La subunidad tiene una alta afinidad por el dímero en el estado ligado a GDP.

• Las células contienen aproximadamente:

–100µM de GTP –10µ M de GDP

• En presencia de Mg+2 y con la activación del receptor: GTP reemplaza a GDP en la subunidad α y ésta se disocia.

Transductores de señal

Transducción intracelular de señales

• Proceso por medio del cual la información que llega a la célula es transmitida al interior de la misma.

• Cadena de reacciones que transmiten señales químicas desde la superficie celular a sus objetivos intracelulares.

Transducción intracelular de señales

• La naturaleza del estímulo recibido es totalmente diferente a la señal liberada en el interior de la célula.

• La molécula señal no es transferido a través de la membrana; sólo, se transmite la señal.

Transducción de señal

• Intervienen sistemas mensajeros.

• El primer mensajero (ligando) se une al receptor de membrana.

• Esta unión estimula la producción de un segundo mensajero en el interior de la célula

Segundo Mensajero:

• Es liberado después de la activación de un vía de transducción de señales.

• Desencadena una cascada enzimática.

• Ocurre un efecto biológico.

• Una cascada de reacciones transmite la señal desde la superficie celular hasta diferentes blancos intracelulares.

Segundos Mensajeros:

• Adenosin monofosfato cíclico (AMPc)• Ca++• inositol trifosfato (IP3)• Diacilglicerol (DAG)• GMPc• Adenosin difosfato ribosa c• Derivados de la Lipo-oxigenasa

Además de los segundos mensajeros…

• Varios tipos de proteínas interviene en la transducción de señales:

– Proteínas GTPasa interruptoras: • Proteína G • Proteína Ras – Proteínas Kinasas: • Dirigidas contra Tirosina • Dirigidas contra Serina o Treonina. – Proteínas adaptadoras.

Segundos mensajeros

AMPc (3’,5’-AMP cíclico). GMPc (3’,5’-GMP cíclico). IP3 (1, 4, 5-trifosfato de inositol). DAG (1,2-diacilglicerol). Ca++ (Calcio iónico).

Adenosin-monofosfato cíclico AMPc

Adenosin mono fosfato cíclico

• El AMPc es un segundo mensajero importante en la respuesta célular.

AMPc

AMP

• Muchas señales de transducción involucran la acción de un receptor de membrana acoplado a proteína G y Adenil ciclasa.

• Estos eventos estimulan o Inhiben la síntesis del segundo mensajero: AMPc

AMPc

Adenil ciclasa inactiva

Adenil ciclasa activa

Actividad intriseca de GTPasa

Fosfodiesterasa

PKA; Protein cinasa dependiente de AMPc

• El AMPc se forma a partir del ATP por la acción de la adenilciclasa. • El AMPc es degradado por la AMPc fosfodiesterasa convirtiéndose en AMP

• El AMPc activa a la Proteinkinasa dependiente de AMPc (PKA).

• Las proteinkinasas A fosforilan:

– Enzimas metabólicas – Elemento de respuesta a AMPc (CREB)

La PKA es un tetrámero constituido por:

– 2 subunidades reguladoras (R).

– 2 subunidades catalíticas (C).

La AMPc activa a la Proteinkinasa A (PKA)

• El AMPc se une a las subunidades reguladoras provocando su disociación de las subunidades catalíticas.

• Las subunidades catalíticas libres fosforilan residuos de serina de las proteínas blanco.

Muchos procesos intracelulares son controlados por el nivel de AMPc

Guanosin-monofosfato cíclico GMPc

• Regula la actividad de proteínakinasas específicas.

• Se forma por la actividad de la guanilciclasa sobre el GTP.

GMPc

Existen dos formas de guanilciclasa:

• Forma transmembrana: – Es una proteína de membrana. – El dominio extracelular es activado por un ligando específico. – El dominio citosólico tiene actividad catalítica para formar GMPc a partir de GTP.

• Forma citosólica: – Soluble– Activada por óxido nítrico (NO).– Es un heterodímero

Guaniciclasa Forma citosolica

GuanilciclasaForma transmenbrana

Calcio Inositol trifosfato(IP3) Diacil-glicerol(DAG)

Calmodulina

El ión Calcio (Ca++) es un segundo mensajero

• Muchas células responden al estímulo extracelular por alteración en su concentración de Ca++ intracelular.

• Los cambios en el concentración de Ca++ intracelular genera cambios bioquímicos

Fosfolipasa CFosfolípidos y Ca++

• El Ca++ puede activar una Proteinkinasa C (PKC). • La PKC fosforila a otras proteínas y las activa

• La fosfolipasa C libera Inositol– tri-fosfato (IP3) de la membranas. • En el Retículo endoplásmico existen receptores para IP3 acoplados a canales de Ca++ regulados por ligando. • El Ca++ es liberado del retículo incrementándose transitoriamente la concentración de Ca++ citosólico. • El nivel de [Ca++] citosólico se incrementa hasta cerca de 1µM.

• El Ca++ intracelular interactúa con Calmodulina• El Ca++ liberado al citosol es captado por la calmodulina (cuando la concentración citosólica alcanza aprox. 0,5µM).

• La calmodulina unida a cuatro iones calcio a su vez activa a PKC (Proteinkinasas dependientes de calmodulina).

CALMODULINA- actividades • Metabolismo de nucleótidos cíclicos: adenilato ciclasa, guanilato ciclasa, fosfodiesterasa. • Fosforilación de varias proteínas: proteinkinasas dependientes de calcio. • Procesos contráctiles: kinasa miosina cadena ligera. • Metabolismo del calcio: calcio-ATPasa. • Metabolismo del glicógeno: fosforilasa-kinasa, kinasa glicógeno sintetasa. • Otras reacciones metabólicas: NAD kinasa

Proteínas GTPasa interruptoras Proteína Ras

Existen dos clases de proteínas GTPasa interruptoras:

• Proteínas G: – Heterotriméricas. – Se acoplan directamente a los receptores activados.

• Proteínas Ras: – Monoméricas. – Se relacionan en forma indirecta, mediante otras proteínas a los receptores activados

La proteína G es un transductor de señal • Está localizada en la monocapa citosólica delas membranas celulares.

• La subunidad alfa determina su actividad

• Alterna entre un estado inactivo unido a GDP y otro activo unido a GTP. • La activación es inducida por la fijación de una hormona a un receptor de superficie celular (generalmente: RTK).• Ras no se relaciona directamente con los receptores de tirosina cinasa (RTK)

Ras es una proteína interruptora fijadora de GTP

• Ras: superfamilia de pequeñas proteínas homólogas enlazadas a GTP codificadas por aproximadamente 50 genes diferentes. • Raf: es una serina/treonina cinasa).Raf se une y fosforila a MEK • MAP: (una serina/treonina cinasa activada por mitógenos). MAP cinasa fosforila muchas proteínas diferentes

Cascada de proteínakinasas nomenclatura

• La Ras activada fija el dominio Amino terminal de Raf, una serina/treonina cinasa. • Raf se une y fosforila a MEK, una proteínakinasa de especificidad dual que fosforila restos de tirosina y serina.• MEK fosforila y activa la MAP cinasa, otra serina/treonina cinasa. • MAP cinasa fosforila muchas proteínas diferentes, como factores de transcripción, que median respuestas celulares

Vía de estimulación Ras del ciclo celular

Receptores de Proteína

tirosina cinasas (RTK)

• A diferencia de los receptores acoplados a Proteína G la familia de los receptores proteína tirosina cinasa se encuentran directamente acoplados a enzimas intracelulares:

– Receptor para insulina– Receptor del EGF (Factor de Crecimiento Epidermal)– Receptor del PDGF (Factor de Crecimiento Derivado de

Plaquetas).

– Receptor del NGF(Factor de Crecimiento Neural)– Receptor de FGF (Factor de Crecimiento de Fibroblasto)– Receptor de M-CSF (Factor Estimulante de Crecimiento

de Macrófagos)– Etc

Receptores proteina tirosina cinasa (RTK)

Dominio con actividad de tirosina-cinasa

• Se han identificado más de 50 receptores con actividad proteína- tirosina cinasa.

• La mayoría de los receptores proteína- tirosina cinasa están constituídos por un único polipéptido

NH2 ligando

HOOC

• La unión del ligando induce la Dimerización del receptor.

• Las dos cadenas polipeptídicas se fosforilan mutuamente HOOC COOH

2HN NH2

P

Molérculaseñalintracelular

MolérculaseñalintracelularP P

HOOC COOH

Dominios SH2

SH2: Homología 2 con Src, proteína oncogénica del virus del sarcoma de Rous Dominios SH2 tienenaproximadamente 100aminoácidos

Dominios SH2 seUnen específicamente alos péptidos fosfotirosina

2HN NH2

•

Ej. Fosfolipasa C

La unión con los Dominios SH2 es el primer paso en la transmisiónintracelular deseñales.

Molérculaseñalintracelula

MolérculaseñalintracelulaP P

COOH COOH

COOH COOH

NH2 NH2

Receptores intracelulares

Las hormonas se dividen en dos grandes grupos:

• Hormonas Peptídicas: receptor en la membrana celular.

• Hormonas Esteroides: receptor en el citoplasma/núcleo

Receptores esteroides

A diferencia de las hormonas peptídicas (que debido a su peso molecular no pueden penetrar a la célula), los esteroides y las hormonas tiroideas, por su bajo peso molecular y por su naturaleza lipofílica atraviesan con facilidad la membrana citoplasmática

Hormonas con receptores citosólicos o nucleares

• Se fijan a RECEPTORES CITOPLASMATICOS, que son proteínas específicas.

• El complejo hormona-receptor migra hacia el núcleo de la célula, donde se fijan a la cromatina

HORMONAS ESTEROIDES

RECEPTOR ESTEROIDE

• Las hormonas esteroides logran cruzar la membrana celular por ser liposolubles y se unen a sus receptores en el citoplasma

• El complejo Hormona esteroidea–Receptores luego es transportado al núcleo donde activa factores de transcripción.

Los RECEPTORES ESTEROIDES tienen dominios de unión:

• Para el LIGANDO (región reguladora).

• Para el ADN.

• Dominio de ACTIVACIÓN DE LA TRANSCRIPCIÓN

El receptor se ubica en el núcleo…

…y la unión del esteroide al receptor induce a un cambio conformacional del receptor que mejora su afinidad para secuencias específicas en el ADN denominadas Elementos de Respuesta a los Esteroides (ERE)

Los Elementos de Respuesta a los Esteroides (ERE)…

… inducen cambios en la expresión de los genes que finalmente genera la síntesis de proteína y la respuesta celular

• El complejo Hormona esteroidea - receptor es transportado hacia el interior del núcleo.

• Atraviesan los complejos de poro nuclear.

• Activan la transcripción de genes específicos

El complejo Hormona-Receptor esteroide atraviesa el complejo de poro nuclear

La hormona tiroidea en especial la T3, y quizás otras hormonas…

… tienen sus receptores en el mismonúcleo, uniéndose de manera similar acomo lo hacen las hormonasesteroideas.

Los receptores de Hormonas esteroides se unen al ADN como dímeros

El complejo Hormona Receptor activa la transcripción de genes específicos

Gracias