¡Descarga Resumen Purves Dale capitulo 7 y más Apuntes en PDF de Neurociencia solo en Docsity!
Capítulo 7
Señalización molecular en el interior de las neuronas.
Los mecanismos de señalización eléctricas y químicas hacen posible que una célula nerviosa reciba información y la transmita a otra. El procesamiento intracelular comienza cuando las señales químicas extracelulares, como los neurotransmisores, las hormonas y los factores tróficos, se unen a receptores específicos localizados sobre la superficie o en el interior del citoplasma o del núcleo de las células diana. Esta unión activa los receptores y al hacerlo estimula cascadas de reacciones intracelulares que comprenden proteínas fijadoras de GTP, segundos mensajeros, proteincinasas, canales iónicos y otras proteínas efectoras cuya modulación modifica transitoriamente el estado fisiológico de la célula diana. Estas mismas vías de transducción de señales intracelulares también pueden producir cambios duraderos al alterar la transcripción de genes, afectando así la composición proteica de las células diana de forma casi permanente. La cantidad de componentes involucrados en las vías de señalización intracelular posibilita un control temporal y espacial preciso sobre la función de las neuronas individuales y, por esa vía, la coordinación de la actividad eléctrica y química en las poblaciones de neuronas relacionadas que comprenden circuitos y sistemas neurales. ESTRATEGIAS DE SEÑALIZACIÓN INTRAMOLECULAR La comunicación química coordina el comportamiento de las células nerviosas y gliales individuales en los procesos fisiológicos. La señalización molecular media y modula todas las funciones encefálicas. La señalización química, no está limitada a las sinapsis : ➢ Señalización paracrina: Comprende la secreción de señales químicas en un grupo de células diana cercanas. Su acción es más amplia que la transmisión sináptica. ➢ Señalización endócrina: se refiere a la secreción de hormonas en el torrente sanguíneo desde donde pueden alcanzar puntos diana de todo el cuerpo.
COMPONENTES EN LA SEÑALIZACIÓN QUÍMICA
La parte de este proceso que tiene lugar dentro de los límites de la célula
diana se denomina transducción de señales intracelulares.
Transducción de señales en la comunicación intercelular por la transmisión sináptica química:
- Célula de señalización: Neurona presináptica
- Señal molecular: Neurotransmisores
- Receptor: Receptor del neurotransmisor
- Molécula Diana: Canal iónico
- Respuesta: Respuesta eléctrica de la neurona postsináptica
Respuesta
Efecto que desencadena la molécula Diana
Molécula Diana
Su función es mediar la respuesta celular.
Receptor
Transduce la información proporcionada por la señal
Señal molecular
Que transmite información de una célula a otra
Célula de señalización
Inician el proceso al liberar moléculas de señalización
La activación de un único receptor por una molécula de señalización, como el neurotransmisor noradrenalina, puede conducir a la activación de numerosas células en el interior de las proteínas G. Estas proteínas activadas pueden unirse a otras moléculas de señalización, como la enzima adenililciclasa. Cada molécula de enzima activada genera gran cantidad de moléculas de AMPc. El AMPc se une a otra familia de enzimas, las proteincinasas y las activa. Estas enzimas pueden entonces fosforilar muchas proteínas diana. Globalmente la cascada produce un aumento tremendo en la potencia de la señal inicial.
ACTIVACIÓN DE LAS VÍAS DE SEÑALIZACIÓN
Los componentes moleculares de estas vías de transducción de señales SIEMPRE son activados por una molécula de señalización química. Esta molécula de señalización química puede ser de tipo: Impermeable a la célula , permeable a la célula y asociada a la célula. Las moléculas de tipo impermeable y permeable a la célula son secretadas; por lo que pueden actuar sobre células diana alejadas del sitio de síntesis o liberación de la señal. MOLÉCULAS DE SEÑALIZACIÓN QUÍMICA
Impermeable a la célula Permeable a la célula Asociada a la célula
Se unen a receptores asociados con las membranas celulares. Pueden atravesar la membrana plasmática para unirse a receptores que se encuentran en el interior de la célula. Se disponen sobre la superficie externa de la membrana plasmática. Sólo actúan sobre otras células cuando éstas se encuentran en contacto físico con la célula que transporta estas señales (Uniones en brecha, hemidesmosomas). Moléculas de vida corta, debido a que son metabolizadas rápidamente o internalizadas mediante endocitosis una vez unidas a sus receptores. Son de naturaleza hidrofílica. Son moléculas relativamente insolubles en soluciones acuosas, regularmente son transportadas en la sangre y otros líquidos extracelulares unidas a proteínas transportadoras específicas. De esta forma, pueden persistir en el torrente sanguíneo durante horas o incluso días. De naturaleza hidrófoba. Proteínas como las integrinas y moléculas de adhesión a células nerviosas (NCAM) que influyen en el crecimiento axónico. Neurotransmisores, proteínas como factores tróficos, y hormonas peptídicas como glucagón, insulina y algunas hormonas de la reproducción. Hormonas esteroideas (glucocorticoides, estradiol y testosterona), tiroideas (tiroxina) y retinoides. Son importantes para el desarrollo neuronal y otras circunstancias en donde el contacto físico entre las células proporciona información acerca de la identidad celular.
PROTEINAS G Y SUS PUNTOS DIANA MOLECULARES
Existen dos clases de proteínas fijadoras al GTP: ❖ Proteínas G heterotriméricas: Compuestas por 3 subunidades distintas (α,β,γ). La subunidad α se une a nucleótidos de guanina (GTP o GDP). o La fijación de GDP permite que la subunidad α se fije a las subunidades β y γ para la formación de un trímero inactivo. o La fijación de una señal extracelular a un receptor acoplado a la proteína G, permite que la proteína G se fije al receptor y hace que el GDP sea reemplazado por GTP. Cuando el GTP está ligado a la proteína G, la subunidad β se disocia del complejo βγ y activa la proteína G. o Luego de la activación, tanto la subunidad α ligada al GTP como el complejo βγ libre pueden unirse a moléculas efectoras corriente abajo que median distintas respuestas en la célula diana. ❖ Proteínas G homotriméricas (Proteínas G pequeños): También transmiten señales desde receptores de la superficie celular activados, hasta puntos diana intracelulares como el citoesqueleto y el aparato de tráfico de vesículas de la célula. Ras es la primera proteína G pequeña descubierta en los tumores sarcomatosos de las ratas. Ras es una molécula que ayuda a regular la diferenciación y proliferación celular al transmitir señales desde las cinasas de los receptores hasta el núcleo. 5 subfamilias de GTPasas pequeñas con distintas funciones: participan en el tráfico de vesículas en la terminación presináptica, mientras que otras desempeñan un rol central en el tráfico de proteínas y RNA hacia el núcleo y desde él. La terminación de la señalización por las proteínas G heterotriméricas y monoméricas está determinada por la hidrólisis de GTP a GDP.
Las proteínas activadoras de GTPasa (GAP ) regulan la velocidad de la hidrólisis de GTP a GDP. Al reemplazar GTP por GDP, las GAP retornan las proteínas G a su forma inactiva. Las proteínas G monoméricas y triméricas funcionan como cronómetros moleculares activos en su estado ligado al GTP , y se vuelven inactivos cuando han hidrolizado el GTP ligado a GDP. Las proteínas G activadas alteran la función de efectores corriente abajo, los cuales en su mayoría son enzimas que producen segundos mensajeros intracelulares, que desencadenan las cascadas de señalización bioquímica complejas. Entre las enzimas efectoras están: adenililciclasa, guanililciclasa, fosfolipasa C y otras. Como cada una de estas cascadas es activada por subunidades de proteínas G específicas, las vías activadas por un receptor particular están determinadas por la identidad específica de las subunidades de proteína G asociadas con él. Las proteínas G también pueden unirse directamente y activar canales iónicos, como en el caso de neuronas y células del músculo cardiaco, que tienen receptores acoplados a la proteína G que fijan acetilcolina (Receptores muscarínicos). La activación de estos receptores puede abrir canales del K +, inhibiendo así la frecuencia con la cual la neurona dispara potenciales de acción, o haciendo más lento el latido cardiaco. Estas respuestas inhibidoras son el resultado de las subunidades βγ de las proteínas G que se fijan a los canales del K+. Vías efectoras asociadas con receptores acoplados a proteínas G. En los tres ejemplos que se muestran, la unión de un neurotransmisor a uno de estos receptores conduce a la activación de una proteína G y al reclutamiento ulterior de vías de segundos mensajeros. G5, G q y G¡ se refieren a tres tipos diferentes de proteína G heterotrimérica. En resumen, la fijación de señales químicas a sus receptores activa cascadas de transducción de señales en el citosol de las células diana. En el interior de estas cascadas, las proteínas G cumplen una función como elementos de transducción molecular que acoplan los receptores de membrana a sus efectores moleculares en el interior de la célula. La diversidad de proteínas G y sus puntos diana corriente abajo conduce a muchos tipos de respuestas fisiológicas. Al regular directamente la compuerta de los canales iónicos, las proteínas G pueden influir en el potencial de membrana de las células diana.
PRINCIPALES SEGUNDOS MENSAJEROS
Calcio: Mensajero intracelular común entre las neuronas. La información es transmitida por una elevación transitoria en la concentración citoplasmática de calcio, lo cual favorece la unión del Ca2+ a gran cantidad de proteínas fijadoras de Ca2+ que sirven como puntos diana moleculares. Uno de estos puntos diana es la proteína calmodulina, la cual fija Ca+2 en el citosol de las neuronas. [Ca+2] intracelular: (10-^9 M) Varios mecanismos mantienen este gradiente. [Ca+2] extracelular: (10-^3 M) Lo más importante para el mantenimiento del gradiente de concentración de Ca+2 son dos proteínas que translocan Ca2+ desde el citosol hasta el medio extracelular: ▪ Bomba de Ca+2 (ATPasa) ▪ Intercambiador Na+/Ca2+ (Proteína que reemplaza Ca+2 intracelular por Na+ extracelular. ▪ Bombeo del Ca+2 intracelular al interior del RE y mitocondrias, por lo que estas organelas pueden servir como sitios de almacenamiento de Ca+2, para después liberarlo y que participe en otros eventos de señalización. Las células nerviosas contienen otro tipo de proteínas fijadoras de Ca+2, que actúan como amortiguadores - Calbindina - Estos amortiguadores se unen de forma reversible al Ca+ disminuyendo la magnitud y la cinética de las señales del Ca2+ en el interior de las neuronas. Los iones Ca2+ que actúan como señales intracelulares entran en el citosol por medio de canales iónicos permeables al Ca2+, los cuales pueden ser canales de Ca+2 con puerta de voltaje o con puerta de ligando, ambos permiten que el Ca+2 fluya a favor de su gradiente. Otros canales hacen que el Ca+2 sea liberado desde el RE hacia el citosol, estos canales tienen distintas compuertas, de forma que pueden ser abiertos o cerrados a distintas señales intracelulares. Estos distintos mecanismos para elevar y eliminar iones Ca2+ hacen posible el control preciso del momento oportuno y la localización de la señalización del Ca2+ en el interior de las neuronas.
Nucleótidos cíclicos: Entre el grupo de los nucleótidos cíclicos están el AMPc y GMPc. o AMPc es un derivado del ATP. Se produce cuando las proteínas G activan la adenililciclasa y ésta convierte al ATP en AMPc al eliminarle dos grupos fosfato. o GMPc Se produce a partir del ATP por acción de la guanililciclasa. Una vez que la concentración intracelular de AMPc o GMPc está elevada, estos nucleótidos se unen a los puntos diana que los más frecuentes son las proteincinasas como la proteincinasa AMPc-dependiente (PKA) o proteincinasa GMPc-dependiente (PKG). Estas enzimas fosforilan muchas proteínas diana. AMPc y GMPc pueden unirse a canales iónicos con puerta de ligando, influyendo así en la señalización neuronal. Estos canales con puerta de nucleótidos cíclicos son importantes en la fototransducción y otros procesos de transducción sensitiva, como la olfación. Las señales de los nucleótidos cíclicos son degradadas por fosfodiesterasas, enzimas que dividen los enlaces fosfodiéster y convierten el AMPc en AMP o GMPc en GMP. Diacilglicerol e IP 3 : Los lípidos de la membrana también pueden convertirse en segundos mensajeros intracelulares. Los dos mensajeros más importantes de este tipo son producidos a partir de bifosfato de fosfatidilinositol (PIP2). Este componente lipídico es separado por la fosfolipasa C , enzima activada por proteínas G y por iones de calcio, la cual divide el PIP2 en DAG e IP 3. o Diacilglicerol (DAG): Es una molécula que se mantiene en la membrana y activa a la proteincinasa C , la cual fosforila a proteínas sustrato localizadas en la membrana plasmática. o IP 3 : Esta molécula abandona la membrana plasmática y difunde en el interior del citosol. Se une a sus receptores, que son canales que liberan calcio desde el retículo endoplasmático. (La acción del IP3 es producir otro segundo mensajero ) que desencadena un espectro de reacciones en el citosol. Las acciones de DAG e IP3 concluyen cuando ciertas enzimas convierten las dos moléculas en formas inertes que pueden ser recicladas para producir nuevas moléculas de PIP2.
PROTEINCINASAS Proteincinasa dependiente de AMPc (PKA): Es el efector primario del AMPc. Complejo tetramérico de dos subunidades catalíticas y dos subunidades inhibidoras (reguladoras). El AMPc activa a la PKA por fijación a las subunidades reguladoras y haciendo que libere subunidades catalíticas activas. Este desplazamiento de las subunidades inhibidoras (que ocupaban previamente el sitio catalítico) es un mecanismo para para la activación de varias proteincinasas por segundos mensajeros. La subunidad catalítica de PKA fosforila los residuos de serina y treonina de las proteínas diana. Los aminoácidos permiten que la PKA se una a proteínas diana específicas, permitiendo así que sólo esos puntos diana sean fosforilados en respuesta a señales de AMPc intracelular. Proteincinasa dependiente de Ca2+/calmodulina tipo II (CaMKII): Es la proteincinasa dependiente de Ca2+/calmodulina más abundante en las neuronas. Es una proteincinasa de Ser/Thr multifuncional. Los iones Ca2+ que se unen a calmodulina pueden regular la fosforilación/desfosforilación de proteínas. CaMKII está compuesta por 14 subunidades. En el encéfalo se encuentran los tipos α y β. Cada subunidad contiene un dominio catalítico y un dominio regulador, los otros dominios restantes permiten que la enzima se oligomerice y se dirija a la región correcta en el interior de la célula. Ca2+/calmodulina activa CaMKll por el desplazamiento del dominio inhibidor del sitio catalítico. Fosforila canales iónicos y otras proteínas involucradas en la transducción de señales intracelulares.
Proteincinasa C (PKC): Grupo de proteincinasas Ser/Thr. Son cinasas monoméricas activadas por los segundos mensajeros DAG y Ca+2. DAG hace que PKC se mueva desde el citosol hasta la membrana plasmática, lugar donde se une a Ca+2^ y fosfatidilserina, acontecimientos que atenúan la autoinhibición y por consecuencia la PKC fosforile varios sustratos proteicos. La activación prolongada de PKC puede lograrse con ésteres de forbol, compuestos promotores de tumores que activan la PKC imitando a DAG. Además de la membrana plasmática también puede unirse al citoesqueleto, sitios perinucleares y núcleo donde fosforila otras proteínas sustratos. Proteínas tirosincinasas: Transfieren grupos fosfatos a residuos de tirosina de proteínas sustrato. Hay dos tipos: o Tirosincinasas del receptor: Proteínas transmembrana con un dominio extracelular que se une a los ligandos de proteínas (factores de crecimiento, factores neurotróficos o citocinas) y un dominio catalítico intracelular que fosforila las proteínas sustratos. o Tirosincinasas que no son del receptor: Enzimas citoplasmáticas o ligadas a la membrana que se activan indirectamente por señales extracelulares. La fosforilación de tirosina es menos frecuente que la fosforilación serina/treonina. Su función es reclutar moléculas de señalización para la proteína fosforilada. Enzimas importantes para el crecimiento y diferenciación celular. Proteincinasa activada por mitógeno (MAPK)/Cinasas reguladas por señales extracelulares (ERK): Estas proteincinasas son activadas por señales como la fosforilación por otra proteincinasa, en lugar de ser activadas por segundos mensajeros. Son participantes del control en el control del crecimiento celular. Normalmente están inactivas en las neuronas hasta que otra proteincinasa las fosforila. Las MAPK forman parte de una cascada de cinasas en la cual una proteincinasa fosforila y activa a la siguiente proteincinasa en la cascada. Las señales extracelulares que desencadenan estas cascadas de cinasas a menudo son factores de crecimiento extracelulares que se unen a las tirosincinasas del receptor que, por su parte, activan proteínas G monoméricas como ras. Una vez activadas, las MAPK pueden fosforilar factores de transcripción , proteínas que regulan la expresión genética.
FACTORES DE TRASNCRIPCIÓN CLAVE Y SUS MECANISMOS
CREB (proteína de fijación al elemento de respuesta al AMPc): Es un activador transcripcional de amplia distribución. Se une en forma de homodímero o ligada a otro factor de transcripción a su sitio de fijación al ADN llamado CRE ( elemento de respuesta al AMPc). Se requiere que esté fosforilada para que realice su actividad transcripcional. La fosforilación puede ser llevada a cabo por la PKA o por la vía de ras. También puede ser fosforilada en respuesta a un aumento del Calcio intracelular, en este caso el sitio CRE también se denomina CaRe (elemento de respuesta al Ca+2), esta fosforilación dependiente de Calcio es causada por la cinasa Ca+2//Calmodulina IV (de la familia de la CAMKII) y por la MAP cinasa, lo que conduce a una fosforilación prolongada de CREB, lo cual es necesario para que pueda producirse la transcripción. Genes cuya transcripción está regulada por CREB: gen c-fos, neurotrofina BDNF, enzima tirosina hidroxilasa, somatostatina, encefalina y hormona liberadora de corticotropina. También media cambios duraderos en la función encefálica como aprendizaje espacial, sensibilización conductual, memoria a largo plazo del comportamiento condicionado por sustancias odoríferas y plasticidad sináptica prolongada. Receptores nucleares: Sus ligandos son moléculas permeables a las membranas. En ausencia de ligando, los receptores se localizan en el citoplasma. La unión con el ligando hace que el receptor se despliegue y se mueva hasta el núcleo, donde se une a un sitio de reconocimiento específico sobre el ADN. La unión del receptor con el ADN activa el complejo de la ARN polimerasa apropiado para iniciar la trascripción y la posterior transcripción genética. Por lo tanto, un acontecimiento regulador crítico para los receptores de esteroides es su translocación hasta el núcleo para permitir la unión al DNA. Las hormonas esteroideas y tiroideas muestran este tipo de regulación, aunque en el caso de la hormona tiroidea, el receptor en su estado inactivo funciona como un inhibidor de la transcripción. c-fos : Proteína activadora transcripcional. En las células en reposo esta proteína se encuentra a bajas concentraciones y en la estimulación de la célula diana se estimula su producción en alta cantidad durante un lapso de 30 a 60 minutos. Se le considera un gen temprano inmediato porque su síntesis es desencadenada directamente por el estímulo. Una vez que es sintetizada, puede actuar como un factor de transcripción o activador transcripcional para inducir la síntesis de genes de segundo orden.
A los genes de segundo orden también se les denomina genes de respuesta retardada porque su actividad está retardada por el hecho de que un gen temprano inmediato debe ser activado primero. Múltiples señales convergen sobre c-fos activando diversos factores de transcripción que se unen por lo menos a tres sitios distintos en la región promotora del gen. La región reguladora del gen e-Jos contiene un sitio de fijación que media la inducción transcripcional por citocinas y factor neurotrópico ciliar. Otro sitio es el punto diana de factores de crecimiento, neurotrofinas a partir de ras y cinasa C, y un CRE/CaRE que puede unirse a CREB y responder así a AMPc o a la entrada de calcio resultante de la actividad eléctrica. EJEMPLOS DE TRANSDUCCIÓN DE SEÑALES NEURONALES NGF/TrkA (Factor de crecimiento neuronal/ receptor de tirosincinasa de alta afinidad): NGF es una proteína miembro de la familia de los factores de crecimiento de las neurotrofinas y es necesaria para la diferenciación, la supervivencia y la conectividad sináptica de las neuronas simpáticas y sensitivas. o Esta proteína funciona uniéndose a un receptor de tirosincinasa de alta afinidad, TrkA , que se encuentra sobre la membrana plasmática de estas células diana, lo que provoca que estos receptores se dimericen y que desencadenen la cascada de ras que conduce a la activación de múltiples proteincinasas. Algunas de estas cinasas se translocan hasta el núcleo y activan factores de transcripción como CREB. Este componente basado en ras de la vía de la NGF es el principal responsable de la inducción y el mantenimiento de la diferenciación en las neuronas sensibles al NGF. o La fosforilación de TrkA también hace que este receptor estimule la actividad de la fosfolipasa C, lo cual aumenta la producción de IP3 y DAG. IP3 induce la liberación de Ca2+ desde el retículo endoplasmático, y el diacilglicerol activa la PKC. o La activación de los receptores TrkA también produce la activación de otras proteincinasas (como Akt cinasa) que inhiben la muerte celular. Por lo tanto, esta vía media fundamentalmente la supervivencia NGF- dependiente de las neuronas simpáticas y sensitivas.
Fosforilación de la tirosina hidroxilasa: Enzima encargada de la síntesis de los NT catecolaminérgicos. Se puede aumentar la velocidad de síntesis de catecolaminas al fosforilar esta enzima, lo cual induce cambios conformacionales en que aumentan la actividad catalítica de la tirosina hidroxilasa. Es un sustrato para varias proteincinasas, como PKA, CaMKII, MAP cinasa y PKC. Los estímulos que elevan AMPc, Ca2+ o DAG pueden aumentar la actividad de tirosina hidroxilasa e incrementar así la velocidad de biosíntesis de catecolaminas.
