Transdución de sinais

Non confundir coa transdución xenética bacteriana. En bioloxía, a transdución de sinais ten lugar nas células cando unha molécula de sinalización extracelular activa un receptor da superficie celular, o cal á súa vez altera algunhas moléculas intracelulares orixinando unha resposta. Este proceso comprende dúas fases: Unha molécula sinalizadora activa unha proteína receptora específica na membrana celular.
Un segundo mensaxeiro transmite os sinais dentro da célula, causando unha resposta fisiolóxica.
En cada un destes pasos, o sinal pode ser amplificado. Así, unha molécula sinalizadora pode causar moitas respostas. Características
A transdución de sinais implica a unión de moléculas de sinalización extracelular e ligandos a receptores de superficie que desencadean actividades no interior da célula. A combinación do mensaxeiro co receptor causa un cambio de conformación do receptor, chamado activación do receptor. Esta activación é sempre o paso inicial (e a causa) que leva á célula a dar unha resposta (un efecto) á chegada do mensaxeiro. A pesar da gran cantidade destas respostas finais, todas se deben directamente a cambios de determinadas proteínas celulares. As cascadas de sinalización intracelular poden empezar por interaccións célula-substrato; por exemplo a integrina únese a ligandos na matriz extracelular e esteroides. A maioría das hormonas esteroides teñen receptores no citoplasma e actúan estimulando a unión do seu receptor con algunha rexión promotora dos xenes sensibles aos esteroides. Exemplos de moléculas de sinalización inclúen a hormona melatonina, o neurotransmisor acetilcolina e a citocina interferón γ.
As clasificacións de moléculas de sinalización non teñen en conta a súa natureza molecular. Algunhas moléculas poden funcionar de varias maneiras; por exemplo, a epinefrina (adrenalina) é un neurotransmisor cando se segrega no sistema nervioso central e unha hormona cando se segrega na medula adrenal. Estímulos do ambiente
Nos organismos pluricelulares, requírense numerosos procesos para coordinar as células de modo que o organismo funcione como un conxunto; a complexidade destes procesos increméntase coa complexidade do organismo. A percepción do ambiente a nivel celular depende en gran medida da transdución de sinais; moitas doenzas, como a diabetes e a arterosclerose orixínanse por defectos nestas vías, o que resalta a importancia destes procesos en medicina e bioloxía.
Varios estímulos ambientais inician procesos de transmisións de sinais nos organismos pluricelulares; exemplos son as células captadoras de fotóns da retina do ollo, e a unión de moléculas olorosas nos receptores olfactorios do epitelio olfactorio. Certas moléculas microbianas, como os nucleótidos virais e antíxenos proteicos, poden desencadear unha resposta inmune contra o patóxeno invasor mediada por procesos de transdución de sinais. Isto pode ocorrer independentemente da estimulación da transdución de sinais por outras moléculas, como no caso dos receptores de tipo Toll. Pode ter lugar coa axuda de moléculas estimulatorias situadas na superficie doutras células, como na sinalización do receptor de células T. Os organismos unicelulares poden responder aos estímulos ambientais por medio da activación de vías de transdución de sinais, como por exemplo no caso dos mofos mucilaxinosos, os cales segregan adenosina monofosfato cíclica cando lles faltan alimentos, estimulando a todas as células que se encontren nas inmediacións a agregarse, e os lévedos, que utilizan un factor de apareamento para determinar os tipos de apareamento ao que pertencen outras células e participar na reprodución sexual. Receptores
Os receptores poden dividirse en dúas grandes clases: intracelulares e extracelulares.
Extracelulares
Os receptores extracelulares son proteínas integrais transmembrana e son a maior parte dos receptores. Abranguen todo o grosor da membrana plasmática, cunha parte do receptor asomando fóra da célula e a outra no interior. A transdución de sinais ocorre como resultado da unión dun ligando na parte externa; o ligando non pasa a través da membrana. Esta unión estimula unha serie de eventos dentro da célula; distintos tipos de receptores estimulan distintas respostas e os receptores responden normalmente só á unión dun ligando específico. Unha vez unido, o ligando induce un cambio na conformación da parte interna do receptor. Isto orixina a activación dun encima no receptor ou a exposición dun sitio de unión (ata ese momento agochado) para outra proteína de sinalización intracelular da célula, para finalmente propagar o sinal polo citoplasma.
Nas células eucariotas, a maioría das proteínas intracelulares activadas pola recepción dun ligando no receptor posúen unha actividade encimática, como por exemplo a tirosina quinase e as fosfatases. Algunhas delas crean un segundo mensaxeiro como o AMP cíclico e o IP3, este último controla a liberación dos depósitos de calcio intracelular no citoplasma. Outras proteínas activadas interaccionan con proteínas adaptadoras que facilitan as interaccións das proteínas de sinalización e a coordinación de complexos de sinalización necesarios para responder a un estímulo particular. Os encimas e as proteínas adaptadoras responden a varias moléculas de segundos mensaxeiros.
Moitas proteínas adaptadoras e encimas activados como parte da transdución de sinais posúen dominios proteicos especializados, que se unen a moléculas de segundos mensaxeiros específicas. Por exemplo, os ións calcio únense aos dominios de tipo man EF da calmodulina, o que lle permite unirse e activar a quinase dependente de calmodulina. O PIP3 e outros fosfoinosítidos fan o mesmo co dominio de homoloxía de pleckstrina que presentan proteínas como a proteína quinase AKT.
Asociación coa proteína G
Os receptores acoplados á proteína G (GPCRs) son unha familia de proteínas integrais da membrana que presentan sete dominios transmembrana e están ligados á proteína G heterotrimérica. Moitos receptores forman parte desta familia, incluíndo os receptores adrenérxicos e os receptores de quimiocinas.
A transdución de sinais por GPCR comeza cunha proteína G inactiva asociada ao receptor, que é un heterotrímero formado polas subunidades Gα, Gβ, e Gγ. Unha vez que o GPCR recoñece o ligando, a conformación do receptor cambia e activa a proteína G, causando que Gα se una a unha molécula de GTP e se disocie das outras dúas subunidades da proteína G. A disociación expón sitios de unión nas subunidades que poden interacionar con outras moléculas. As subunidades activadas de proteína G sepáranse do receptor e inician a sinalización doutras moitas proteínas efectoras como as fosfolipases e canles iónicas, e isto permite a liberación de moléculas dun segundo mensaxeiro. A potencia da amplificación do sinal feita polo GPCR está determinada polo tempo de vida dos complexos ligando-receptor e receptor-proteína efectora e o tempo de desactivación do receptor activado e dos efectores por medio da actividade encimática intrínseca.
Nun estudo inseriuse unha mutación puntual nun xene que codificaba o receptor de quimiocina CXCR2; as células mutantes sufriron unha transformación maligna debida á expresión de CXCR2 nunha conformación activa a pesar da ausencia de unión á quimiocina. Isto significa que os receptores de quimiocina poden contribuír ao desenvolvemento do cancro.
Tirosina e histidina quinases
Os receptor tirosina quinases (RTKs) son proteínas transmembrana cun dominio intracelular quinase e un dominio extracelular que se une aos ligandos; son exemplos os receptores de factor de crecemento como o receptor da insulina. Para realizaren a transdución de sinais, os RTKs deben formar dímeros na membrana plasmática; o dímero é estabilizado pola unión do ligando ao receptor. A interacción entre os dominios citoplasmáticos estimula a autofosforilación de tirosinas nos dominios dos RTKs, causando cambios conformacionais. Os dominios quinase dos receptores son activados seguidamente, iniciando cascadas de sinalización de fosforilación de moléculas citoplasmáticas que facilitan varios procesos celulares como a diferenciación celular e o metabolismo.
Como no caso dos GPCRs, as proteínas que se unen ao GTP xogan un papel principal na transdución de sinais na célula a partir dos RTK activados. Neste caso, as proteínas G son membros das familias Ras, Rho, e Raf, denominadas en conxunto proteínas G pequenas. Actúan como interruptores moleculares xeralmente unidos ás membranas por grupos isoprenilo enlazados nos seus extremos carboxilo. Despois da activación, asignan proteínas a subdominios de membrana específicos onde participan na sinalización. Os RTKs activados, á súa vez, activan as proteínas G pequenas, que activan os factores de intercambio nucleótido guanina como o SOS1. Unha vez activados, estes factores de intercambio poden activar a máis proteínas G pequenas, amplificando deste xeito o sinal inicial do receptor. A mutación de certos xenes RTK, como pasaba cos dos GPCRs, pode orixinar a expresión de receptores que se encontren nun estado constitutivamente activado; eses xenes mutados poden actuar como oncoxenes.
As proteína quinases específicas da histidina son estruturalmente distintas das outras proteína quinases e encóntranse en procariotas, fungos, e plantas como parte dun mecanismo de transdución de sinais de dous compoñentes: primeiro se engade un grupo fosfato do ATP a un residuo de histidina da quinase, despois transfírese a un residuo de aspartato nun dominio receptor dunha proteína diferente ou na propia quinase, activando así o residuo de aspartato.
Integrinas
As integrinas prodúcense en moitos tipos de células, e xogan un papel na adhesión dunha célula a outra e coa matriz extracelular, e na transdución de sinais desde compoñentes da matriz extracelular como a fibronectina e o coláxeno. A unión de ligandos ao dominio extracelular das integrinas fai mudar a conformación da proteína, agrupándoa na membrana celular para iniciar a transdución de sinais. As integrinas carecen de actividade quinase, polo que a transdución de sinais na que median realízase por medio de diversas proteína quinases intracelulares e moléculas adaptadoras, das cales o principal coordinador é a quinase unida á integrina. A sinalización integrina-RTK cooperativa determina a temporización da supervivencia celular, apoptose, proliferación, e diferenciación.
Hai importantes diferenzas entre a sinalización das integrinas en células sanguíneas circulantes e en células non circulantes como as epiteliais. As integrinas das células circulantes son normalmente inactivas. Por exemplo, as integrinas da membrana celular dos leucocitos circulantes mantéñense en estado inactivo para evitaren a adhesión a células epiteliais; soamente se activan en resposta a estímulos como os que reciben nos sitios onde hai unha inflamación. De xeito similar, as integrinas da membrana celular de plaquetas circulantes mantéñense normalmente inactivas para evitar a trombose. As células epiteliais (que son células non circulantes) normalmente teñen integrinas activas na súa membrana celular, que axudan a manter a súa adhesión estable ás células estromáticas subxacentes, que proporcionan sinais para manter o funcionamento normal.
Receptores toll
Cando se activan os receptores de tipo Toll (toll-like receptors ou TLRs) captan moléculas adaptadoras do citoplasma para propagar o sinal. Coñécense catro moléculas adaptadoras que están implicadas na sinalización, que son Myd88, TIRAP, TRIF, e TRAM. Estes adaptadores activan outras moléculas intracelulares como IRAK1, IRAK4, TBK1, e IKKi, que amplifican o sinal, e finalmente causan a indución ou supresión de xenes que causan certas respostas. Os TLR utilízanse na activación de miles de xenes, polo que este método é unha vía importante para a modulación xénica.
Canles iónicas reguladas por ligando
Unha canle iónica regulada por ligando, despois de unirse ao seu ligando, cambia de conformación e abre unha canle na membrana da célula por medio do cal poden pasar os ión que funcionan como sinais. Un exemplo deste mecanismo encóntrase nas células receptoras das sinapses entre neuronas. O fluxo de ións que se produce cando se abren estas canles induce a creación de potenciais de acción, como os que viaxan a través dos nervios, ao despolarizar a membrana das células postsinápticas, o que orixinará a apertura das canles reguladas por voltaxe.
Un exemplo de ión que entra na célula cando se abren as canles iónicas reguladas por ligando é o Ca2+; este ión actúa como segundo mensaxeiro iniciando cascadas de transdución de sinais e alterando a fisioloxía da célula que efectúa a resposta. Isto amplifica a resposta sináptica ao remodelar as espiñas dendríticas implicadas na sinapse.
Intracelular
Os receptores intracelulares, como os receptores nucleares e os citoplasmáticos, son proteínas solubles localizadas dentro da célula. Os ligandos típicos dos receptores nucleares son hormonas lipófilas como as hormonas esteroides testosterona e proxesterona e derivados das vitaminas A e D. Para iniciar a transdución de sinais, o ligando debe pasar a través da membrana plasmática por difusión pasiva. Ao unírense co receptor, os ligandos chegan ao núcleo celular, onde activan a transcrición dos ARNm de certas proteínas, que a célula empezará a producir.
Os receptores nucleares activados únense ao ADN nunhas secuencias denominadas "elementos que responden ao complexo hormonas específicas-receptor" (HRE), localizados na rexión promotora dos xenes activados polo complexo hormona-receptor. Debido a que permiten a transcrición de determinados xenes, tamén se chaman indutores da expresión xénica. Todas as hormonas que actúan regulando a expresión xénica teñen dúas consecuencias no seu mecanismo de acción; os seus efectos prodúcense despois dun período de tempo caracteristicamente longo e os seus efectos persisten durante períodos tamén longos, mesmo despois de que a concentración da hormona xa caeu a cero, debido á relativamente lenta reciclaxe da maioría dos encimas e proteínas que desactivarían ou acabarían coa unión entre o ligando e o seu receptor.
A transdución de sinais por medio destes receptores implica a poucas proteínas, pero os detalles da regulación xénica por este método non se coñecen ben. Os receptores nucleares teñen dominios de unión ao ADN que conteñen dedos de cinc e un dominio de unión ao ligando; os dedos de cinc estabilizan a unión ao ADN ao agarrar o seu esqueleto fosfatado. As secuencias do ADN que coinciden estruturalmente coas do receptor son xeralmente repeticións hexaméricas de diversos tipos, que se diferencian na súa orientación e na distancia entre elas. O dominio de unión ao ligando é ademais responsable da dimerización dos receptores nucleares antes da unión e proporciona estruturas para a transactivación utilizadas para a comunicación co aparato traducional.
Os receptores de esteroides son unha subclase de recepotores nucleares localizados fundamentalmente no citosol (despois van ao núcleo). En ausencia de esteroides adhírense uns a outros formando un complexo aporreceptor que contén unha chaperona ou unha proteína de choque térmico (HSP). Estas últimas son necesarias para activar o receptor axudando á proteína a pregarse de modo que a secuencia sinal que permite o seu paso ao núcleo quede accesible. Os receptores esteroides, por outra parte, poden reprimir a expresión xénica cando o seu dominio de transactivación está agochado; a actividade pode ser amplificada por fosforilación de residuos de serina no extremo N-terminal como resultado da activación doutra vía de transdución de sinais, que interfire con ela.
Os receptores do ácido retinoico son outro subconxunto de receptores nucleares. Pode activalos un ligando endócrino que entra na célula por difusión, ou un ligando sintetizado a partir dunha proteína precursora (como o retinol que chega á célula por vía sanguínea) ou un ligando sintetizado completamente dentro da célula (como unha prostaglandina). Estes receptores están localizados no núcleo e non son acompañados polas HSPs, senón que reprimen o seu xene ao unirse á súas secuencias de ADN específicas cando non están unidos a elas ligandos, e viceversa.
Certos receptores intracelulares do sistema inmunitario son receptores citoplasmáticos; os recentemente identificados receptores similares aos NOD (NLRs ou NOD-like receptors) atópanse no citoplasma dalgunhas células eucarióticas e interaccionhan con ligandos utilizando un motivo de repetición rica en leucina (LRR) similar ao dos TLRs. Algunhas destas moléculas, como o NOD2, interaccionan coa quinase RIP2, que activa a vía NF-κB, e outros, como o NALP3, interaccionan coas caspases inflamatorias e inician o procesamento de determinadas citocinas como a interleucina-1β.
Segundos mensaxeiros
Os primeiros mensaxeiros son son os mensaxeiros químicos intercelulares (hormonas, neurotransmisores, e axentes parácrinos/autócrinos) que chegan á célula desde do fluído extracelular e se unen aos seus receptores específicos. Os segundos mensaxeiros son as substancias que entran (ou se activan) no citoplasma e actúan dentro da célula para desencadear a resposta. Os segundos mensaxeiros serven esencialmente para repetir ou relevar o sinal desde a membrana plasmática ao citoplasma, executando a transdución de sinais intracelular.
Calcio
A liberación de ións calcio do retículo endoplasmático ao citosol orixina que este se una a proteínas sinalizadoras que son entón activadas; despois o calcio queda secuestrado no retículo endoplasmático liso e nas mitocondrias. Dúas proteínas receptor/canle iónica combinadas controlan o transporte de calcio: O receptor InsP3 que transporta calcio por medio da interacción con inositol trifosfato no seu lado citosólico e o receptor de rianodina denominado así polo alcaloide rianodina, similar ao receptor InsP3 pero que presenta un mecanismo de retroalimentación que libera máis calcio ao unirse con el. O calcio no citosol é activo durante un breve tempo, o que significa que a concentración do seu estado libre é moi baixa e únese principalmente a moléculas de orgánulos como a calreticulina cando está inactivo.
O calcio utilízase en moitos procesos como a contracción muscular, liberación de neurotransmisores das terminacións nerviosas, migración celular etc. As tres vías principais que levan á súa activación son as vías GPCR, RTK e as canles iónicas de apertura regulada. Regula as proteínas uníndose a elas directamente ou uníndose a un encima.
Lipófilos
Os segundos mensaxeiros lipófilos derivan de lípidos situados nas membranas celulares. Estes lípidos son activados por encimas estimulados por receptores activados que os modifican. Exemplos son os diacilglicerois (requiridos para a activación da proteína quinase C) e as ceramidas.
Óxido nítrico
O óxido nítrico (NO) actúa como un segundo mensaxeiro porque é un radical libre que pode difundir a través da membrana plasmática e afectar ás células próximas. Sintetízase a partir da arxinina e osíxeno pola NO sintase e funciona por medio da activación da guanilil ciclase soluble, que cando se activa produce outro segundo mensaxeiro, o GMPc. O óxido nítrico (NO) pode tamén actuar por medio de modificacións covalentes de proteínas ou os seus cofactores metálicos; algúns teñen un mecanismo redox e son reversibles. É tóxico en altas concentracións e causa danos durante os derrames cerebrais, pero intervén en moitas outras funcións como a relaxación dos vasos sanguíneos, apoptose e erección.
Sinalización redox
Ademais do óxido nítrico, outras especies activadas electronicamente son tamén axentes de transdución de sinais nun proceso chamado sinalización redox. Exemplos son: superóxido, peróxido de hidróxeno, monóxido de carbono, e sulfuro de hidróxeno. A sinalización redox tamén inclúe a modulación activa dos fluxos electrónicos en macromoléculas biolóxicas semicondutoras. Respostas celulares
A activación de xenes e as alteracións do metabolismo son exemplos de respostas celulares á estimulación extracelular que requiren a transdución de sinais. A activación de xenes orixina ulteriores efectos celulares, xa que os produtos dos xenes que efectúan a resposta inclúen instigadores da activación; os factores de transcrición producidos como resultado dunha cascada de transdución de sinais poden activar a máis xenes. Por tanto, un estímulo inicial pode desencadear a expresión de gran número de xenes, orixinando fenómenos fisiolóxicos como o incremento da captación da glicosa sanguínea e a migración de neutrófilos aos sitios de infección. O conxunto de xenes e a súa orde de activación por certos estímulos denomínase programa xenético.
As células dos mamíferos requiren a estimulación para a división celular e a supervivencia; en ausencia de factor de crecemento, sobrevén a apoptose. Tales requirimentos para a estimulación extracelular son necesarios para controlar o comportamento celular en organismos unicelulares e multicelulares; as vías de transdución de sinais considérase que son fundamentais para os procesos biolóxicos, e un gran número de doenzas atribúense á súa desregulación. Principais vías de sinalización
As seguintes son algunhas das principai vías de sinalización, que demostran como a unión de ligandos aos seus receptores pode afectar á formación de segundos mensaxeiros e finalmente dá lugar a respostas celulares alteradas. Vía MAPK/ERK: Unha vía que combina as respostas intracelulares coa unión de factores de crecemento a receptores da superficie celular. Esta vía é moi complexa e comprende moitos compoñentes proteicos. En moitos tipos celulares a activación desta vía promove a división celular, e moitas formas de cancro están asociadas con anormalidades nesta vía.
Vía dependente do AMPc: Nos humanos, o AMP cíclico funciona activando a proteína quinase A (PKA, ou proteína quinase dependente de AMPc), e así, os efectos ulteriores dependen principalmente da función da proteína quinase dependente de AMPc, a cal varía segundo o tipo de célula.
Vía IP3/DAG: O PLC cliva o fosfolípido fosfatidilinositol 4, 5-bisfosfato (PIP2) rendendo diacilglicerol (DAG) e inositol 1, 4, 5-trifosfato (IP3). O DAG permanece unido á membrana, e o IP3 libérase como unha molécula soluble no citosol. O IP3 despois difunde polo citosol para unirse aos receptores IP3, que son un tipo determinado de canles de calcio do retículo endoplasmático. Estas canles son específicas do calcio e só permiten que pase a través deles o calcio. Isto causa o incremento da concentración citosólica de calcio, causando unha cascada de cambios intracelulares e a activación. Ademais, o calcio e o DAG actúan conxuntamente para activar a PKC, o que continúa coa fosforilación doutras moléculas, o que leva a unha actividade celular alterada. Os efectos finais inclúen a percepción do gusto, depresión maníaca, promoción de tumores etc. Historia
En 1970, Martin Rodbell examinou os efectos do glicagón no receptor de membrana das células do fígado de rata. Detectou que a guanosina trifosfato desasociaba o glicagón do seu receptor e estimulaba a proteína G, a cal tiña unha forte influencia no metabolismo da célula. Deste modo deduciu que a proteína G era un transdutor que aceptaba as moléculas de glicagón e afectaba á célula. Por isto foi galardoado, xunto con Alfred G. Gilman, co Premio Nobel de Medicina de 1994. A comprensión actual dos procesos de transdución de sinais débese á contribución de Rodbell e moitos outros grupos de investigación.
A primeira publicación científica rexistrada na base de datos MEDLINE que contén o termo "transdución de sinais" data de 1972. Algúns artigos publicados antes de 1977 utilizan o termo transmisión de sinais ou transdución sensorial para referirse á transdución de sinais. En 1977 o termo transdución de sinais estaba incluído nos resumos das publicacións, pero en 1979 aparece xa no título das publicacións. Unha fonte atribúe a gran difusión que tivo o uso do termo a un artigo de revisión de 1980 de Rodbell. Nas décadas de 1980 e 1990 as publicacións sobre transdución de sinais xa son moi abondosas.