lunes, 30 de noviembre de 2009

Sinapsis y transducción de señales.

La comunicación entre células se realiza mediante mensajeros o señales (agonistas). Estas señales cumplirán una función que dependerá de su naturaleza y de los tipos de células blancos. Estas células blanco reconocen a los mensajeros mediante receptores específicos ubicados en la membrana o en el citoplasma celular. La unión entre agonista y receptor produce una nueva señal o transducción, desencadenando una cascada o una acción que puede ser inmediata o tardía.


Las sustancias reguladoras se clasifican según su naturaleza, su origen, su carga, etc. Existen 3 tipos fundamentales:

  • Endocrinas: hormonas que son liberadas por Cls. endocrinas, alcanzando al órgano blanco por medio de la sangre.
  • Neurocrinas: liberada por neuronas directamente sobre el organo blanco --> neurotransmisores (nt).
  • Paracrina: liberadas por Cls no próximas a la Cl. Blanco, pero cercana a ellas (ej. Histamina) con el fin de alcanzarlas.

El paso final de una vía de transducción generalmente implica la fosforilación de proteínas determinadas que desempeñan papeles fundamentales en los procesos biológicos. Estas proteínas fosforiladas cambian su función, siendo potenciadas o suprimidas. Hay enzimas implicadas en el proceso:

  • Protein Quinasa (PK): Fosforilan
  • Protein Fosfatas (PP) : Desfoforilan.

Las PK intracelulares (PKA, PKC) son activadas generalmente por segundos mensajeros, como: calcio, IP3, cAMP, cGMP, calmodulina - calcio, DAG.


La insulina y determinados factores de crecimiento se unen a receptores de membrana que son en sí mismos proteín quinasas, que fosforilan sustancias proteicas sobre residuos de tirosina (otras fosforilan proteínas con residuos de serina o treonina). La unión de un factor de crecimiento agonista activa la actividad de la proteína tirosina quinasa del receptor.


Vías de transducción de señales mediadas por proteínas G


Las hormonas y otros reguladores participan en vías de transducción de la señal en la que participan proteínas ligadoras de GTP (heterotriméricas, esta en este estado cuando esta inactiva, o proteínas G) unidas al receptor. La proteína G puede estar activa o inactiva. Cuando está activa, toma GTP y lo hidroliza a GDP + Pi, quedando inactiva. Se activa cuando se une el GTP.


Un receptor posee 2 extremos,

  1. un extremo extracelular o NH2
  2. uno citosólico o COOH


***un tercer loop interno interactúa con la proteína G***


Una proteína G posee 3 sub unidades: α, β, γ. Cuando la subunidad α se une con GDP, se inactiva. Si suelta el GDP toma GTP, se activa. Para inactivarse, hidroliza el GTP a GDP. El complejo βγ ancla la proteína G a la membrana y realiza otras funciones poco conocidas.


Existe un factor GEF que facilita y aumenta la posibilidad de que la subunidad α de la proteína G cambie GDP por GTP.


La subunidad α al activarse se suelta del complejo βγ y se une a una enzima Adenilato Ciclasa (AC), que se encuentra inactiva. Al unirse, se activa la AC y cataliza la formación de cAMP a partir de ATP. La proteín quinasa A (PKA), tiene 4 subunidades: 2 catalíticas y 2 inhibitorias. En este estado se encuentra inactiva. A ella se unen 4 moléculas de cAMP, 2 a cada unidad inhibitoria. Se separa el complejo catalítico - inhibidor, quedando las subunidades catalíticas libres y activas. Estas subunidades catalíticas fosforilan proteínas tanto en el citoplasma como en el núcleo (Ej. CREB: moléculas relacionadas con la lectura del DNA, ayuda al proceso de la transcripción). Las proteínas fosforiladas son desfosforiladas por fosfatasas.


Existen diferentes Proteínas G y por lo tanto hay diferentes vías de activación

  • Proteína Gs: Se une la molécula señal a su receptor, se acopla con proteína Gs, la que se activa producto de la llegada de la señal, toma GTP, separa la subunidad α del complejo βγ, se une la a con la AC, esta se activa, toma ATP y lo transforma en cAMP. El cAMP activa a la PKA, fosforilación de proteínas. --> PGs estimula --> αs

  • Proteína Gq: Se une la molécula señal al receptor, se activa la proteína Gq, esta activa a la fosfolipasa c (PLC), esta enzima degrada a nivel de la membrana PiP2 en DAG e IP3 (PiP2: fosfo inositol bi fosfato, DAG: di acil Glicerol, IP3: inositol tri fosfato). El IP3 va al RE, y este libera calcio que con el DAG activan a la PKC

  • Proteína Gi: inhibe a la Adenilciclasa y esta al estar inhibida disminuye los niveles de AMPc. Cuando se forma AMPc, este se une a la parte reguladora y deja libre a Proteincinasa que ahora esta activa y así empieza a fosforilar. --> PGi inhibe --> αi


Proteínas monoméricas: Se llaman proteínas RAS, unen GTP. Se asemejan con las heterotriméricas en la función, pero en vez de formar un heterotrímero, forman un monómero, por lo que su actividad es más lenta.


La PKA fosforila residuos de serina treonina en el citoplasma o en el núcleo (CREBS). En el caso de las proteínas Gq, el calcio y el DAG permiten activar a la PKC. El calcio se une además con otra proteína, la calmodulina, formando el complejo calcio–calmodulina, el que activa a una enzima llamada Kam quinasa, la que fosforila proteínas.


Canal - receptor de acetil colina (Ach)

El receptor para la Ach puede ser de tipo nicotínico o muscarínico. El nicotínico es un canal iónico, selectivo a iones, por lo que también se conoce como ionotrópico. El muscarínico es un receptor acoplado a un sistema de segundos mensajeros que abren un canal, puede ser M1, M2, M3, M4 o M5. También se llaman metabotrópicos.


El receptor nicotínico para la Ach es un canal selectivo a cationes. En los peces está conformado por 4 glucopéptidos homólogos; 2α, β, δ. Cada molécula de unión posee dos sitios de unión para la Ach (sub α) por lo que se necesitan 2 Ach para que ocurra un cambio conformacional en el receptor y el canal conduzca.


Canal y receptor son uno solo. Este canal conduce sodio, potasio y calcio.


Si el canal es activado por un nt, y este no es removido, el canal pierde la respuesta al nt, fenómeno conocido como desensibilización.


Canal de sodio.


Existen diferentes canales de sodio, por lo que veremos uno tipo. Posee dos sub unidades α, β. Cada sub unidad posee cuatro dominios (I - IV). Cada dominio posee seis segmentos (S1-S6). El segmento S4 es el censor de voltaje. Existe unión entre los segmentos de forma intra y extra celular. La unión entre S5 y S6 se conoce como segmento P, y es el de limita el poro del canal. Es un loop interno.


Para inactivar la señal, se produce una cascada de inactivación, donde la molécula señal es retirada del receptor, la subunidad α hidroliza GTP en GDP, se produce desfosforilación e inactivación de las proteínas kinasas. En las células nerviosas y musculares hay un cotransportador que saca calcio y mete sodio. Este cotransportador es eficiente si la cantidad de calcio aumenta 10 veces. Cuando está muy elevado actúa una bomba de calcio en la mitocondria, que saca calcio del citoplasma.


Importante, la calcio calmodulina no es kinasa, pero actúa como co factor de una que sí lo es, la Kam kinasa II, la que fosforila residuos de serina treonina.


Otro dato importante, la Ach no abre canales de potasio de forma directa, ya que son de tipo muscarínicos.


  • [Ca+2]i = 0,7 – 1 x 10 -7 M
  • [Ca+2]e =1 – 2 x 10 –3 (en interior del reticulo sarcoplasmástico es lo mismo)
  • 6 x 10 –6 máximo aumento de calcio intracelular

Sinapsis.

  • La sinapsis es una forma de comunicación intercelular o forma específica de comunicación entre neuronas.
  • En el cerebro existen más menos 1011 neuronas. Cada neurona hace en promedio 1000 sinapsis, por lo que habría 1014 sinapsis. Tan sólo en el cerebelo, las células de Purkinje hacen 105 sinapsis.

Existen 2 tipos de sinapsis: eléctricas, y químicas. Un requisito fundamental de la sinapsis es que la célula presináptica pueda modificar el potencial de membrana de la célula postsináptica.

  • Sinapsis eléctrica es rápida, sin mucha posibilidad de ser regulada, es bidireccional, hay una “continuidad” entre la membrana presináptica y la post sináptica.
  • Sinapsis química ocurre a través de un espacio presináptico, donde la neurona presináptica libera un mensajero (neurotransmisor, hormona, etc), que es captado por receptores de la neurona post sináptica, desencadenando un nuevo potencial de acción.

En el caso de que la Ach sea el mensajero, esta provoca en la post sináptica un aumento de la probabilidad de apertura de canales iónicos. Como se verá posteriormente, el canal de la Ach, nicotínico, en el músculo, es un canal formado por 5 sub unidades, y cada sub unidad tiene 4 segmentos transmembrana. Hay 2 sub unidades α, una β, una γ, y una ε. La Ach se une a la subunidad α, permitiendo un cambio conformacional que da paso a los iones.


El TTX bloquea canales de sodio activados por voltaje.


En el terminal presináptico, cuando llega un potencial se abren canales de calcio los que permiten que entre calcio. Este aumento de calcio facilita la salida por exocitosis de las vesículas de secreción con los mensajeros, hacia el espacio sináptico.


Ojo, los canales de sodio y potasio activados por voltajes se encuentran fundamentalmente en el axón, y unos pocos en el soma. NO hay en las dendritas.


La liberación del neurotransmisor se produce en paquetes o quantums, no hay liberación de medio paquete, sino uno entero, moléculas se entiende. Además es proporcional al aumento del [Ca+2]i


Datos:

  • Para cada neurotransmisor hay más de un receptor, en donde se explica por que pueden tener acciones distintas, e incluso opuestas.
  • Una misma neurona secreta un solo tipo de neurotransmisor, sin embargo puede tener varios receptores para diferentes tipos de neurotransmisores.
  • El neurotransmisor debe ser sintetizado y almacenado en el terminal presináptico para ser liberado al espacio sináptico como consecuencia de la estimulación (despolarizante) del nervio presináptico. Existen estímulos hiperpolarizantes, que en vez de estimular, inhiben, (depende del nt).
  • El nt debe ser capaz de unirse a receptores específicos y desencadenar una respuesta fisiológica en la post sináptica. El nt debe salir del receptor y disminuir su concentración en el espacio sináptico, de lo contrario, se produce habituación, una disminución de respuesta ante el nt, por lo que debe existir un mecanismo que se encargue de ello.
  • Los receptores para nt son canales activados por ligando, pero existen algunos asociados a 2º s mensajeros.

Para terminar la comunicación el nt puede ser recaptado hacia la pre sináptica, ser degradado por complejos enzimáticos (Ach --> acetil colinesterasa) o difundir.


Proteínas asociadas.

  1. V Snares. Proteína que se encuentra en la vesícula de secreción
  2. T Snares proteína que se encuentra en la membrana del terminal presináptico.

La v snares se une con la t snares, lo que facilita el proceso de liberación de nt hacia el espacio sináptico.


Otros datos:

  • Entre 1-5 potenciales son necesarios para aumentar la posibilidad de apertura de los canales. En la unión neuromuscular, un potencial gatilla la liberación de nt.
  • El glutamato es recaptado al igual que la serotonina.
  • El prozac, fluoxetina o anti depresivo, impide la recaptación de serotonina. Los fármacos utilizados como antidepresivos aumentan la neurotransmisión serotoninérgica y adrenérgica.
  • Sumación temporal: a veces un solo estímulo no es suficiente para gatillar un potencial de acción, no llega al umbral. Varios estímulos de la misma intensidad tampoco pueden. Pero si todos se aplican en una secuencia de tiempo breve, se juntan, son capaces de generar un potencial de acción.
  • Sumación espacial: una neurona nunca sinapta con otra sola, siempre hay más. Si una neurona no es capaz de gatillar un potencial, la otra por sí sola tampoco, juntas pueden hacerlo, pueden ser más de 2 neuronas diferentes que liberen hacia la misma neurona post sináptica, por lo que pueden gatillar un potencial en esta.

Complemento.


Los canales pueden ser excitatorios o inhibitorios, por lo que la propiedad de un nt de ser excitatorio o inhibitorio no reside en su estructura química u otra propiedad química, sino en su capacidad de interactuar con una determinada clase de receptor.


Una molécula para ser considerada como nt, debe cumplir con los siguientes criterios:

  1. Debe ser almacenado en vesículas en la célula presináptica,
  2. Ser liberado al espacio sináptico en respuesta a la estimulación eléctrica de la célula presináptica,
  3. Unirse a receptores en la membrana postsináptica,
  4. Ser sustrato de mecanismos que disminuyan su concentración en el espacio sináptico.

Almacenamiento de nt.


El mecanismo general involucra la síntesis de vesículas de secreción en el aparato de Golgi, las que contienen en su membrana una ATP asa transportadora de H+, que acidifica el lumen vesicular, y un contra transportador H+ - nt, que usa el gradiente químico de H+ como fuente de energía para concentrar nt en el lumen vesicular, en contra de su gradiente de concentración.


Se han identificado contra transportadores diferentes que permiten la acumulación de acetil colina, aminas bio activas (catecolaminas, serotonina), glutamato y gaba / glicina. El almacenamiento de péptidos (encefalinas, endorfinas, sustancia P, etc.), sigue la vía común de síntesis de moléculas proteicas.


El transporte de vesículas en el terminal presináptico se realiza por proteínas llamadas kinesinas, las que se desplazan por sobre micro túbulos.


La entrada de calcio en el terminal presináptico no gatilla la exocitosis de la vesículas, sino que aumenta la probabilidad de que se realice. Un censor del calcio intra celular presináptico es una proteína llamada sinaptotagmina 1, la que se ubica en la membrana de la vesícula.


RECEPTOR

SELECTIVIDAD

OTROS RASGOS

Acetil colina, nicotínico

Cationes monovalentes (CM)

Subtipos expresados en la unión neuromuscular, diversas sinapsis ganglionares en el SNA

Glutamato (ionotrópico)

NMDA

AMPA

CM, calcio

CM

Expresado en sinapsis centrales, involucrados en plasticidad sináptica en el hipocampo y corteza

Expresado en sinapsis centrales

Gaba

Aniones monovalentes (AM)

Principal receptor inhibitorio en SNC

Glicina

AM

Receptor inhibitorio en la médula

Serotonina

CM


Purinas (ATP)

CM



Es importante considerar que un mismo nt puede tener más de un tipo de receptor, actuando a través de mecanismos diferentes. Por ejemplo la Ach tiene receptores nicotínicos (canales activados por ligando) y muscarínicos (acoplados a proteína g, M1-M3-M5 acoplados a aq, y M2, M4 acoplados a as


Neurotransmisores


Los neurotransmisores se clasifican en dos grupos:

  • Pequeño tamaño molecular: la Ach, aminas biogénicas (catecolaminas (epinefrina, norepinefrina, dopamina), serotonina, histamina), ATP.
  • Los aa: glicina, glutamato (gaba, nt inhibitorio se sintetiza a partir del glutamato por la enzima glutámico descarboxilasa).

Una diferencia importante entre los dos grupos es que la síntesis de nt de pequeño tamaño molecular se realiza en cualquier parte de la célula nerviosa, incluso en el terminal sináptico. En cambio los nt péptidos neuroactivos sólo se sintetizan el soma celular. Estos últimos, después de abandonar el aparato de Golgi, son transportados hacia el terminal sináptico por un transporte axonal rápido. Estos péptidos son más de 50, los péptidos neuroactivos pueden actuar como hormonas, y nt.


Estos péptidos neuroactivos producen inhibición o excitación, o ambas, cuando se aplican en las neuronas diana apropiadas.


Las catecolaminas son sintetizadas a partir de la tirosina. La serotonina es sintetizada a partir de triptofano.