Laura Almudena Bargueño Juarez - Macarena Canalejo García - Natividad Horcajada Villajos - Sheila Muros Pinzón - Raquel Rubio Sotos


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CONTENIDO:

1. Historia
2. Proteínas G y receptores
3. Premio Nobel
4. Aplicaciones de las proteínas G
5. Bibliografía



El premio Novel de Química del año 2012 fue entregado al científico estadounidense Robert J. Lefkowitz y al profesor universitario Brian K. Kobilka debido a sus investigaciones sobre un tipo de receptores, en las proteínas G, de la membrana de las células que regulan múltiples funciones biológicas.
Robert J. Lefkowitz.

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Nació el 15 de Abril de 1943 en la ciudad de Nueva York. Fue a la escuela de medicina en la Universidad de Columbia, quedando primero en su clase. Sin embargo, durante una beca que le concedieron durante dos años en los Institutos Nacionales de Salud de 1968-1970, descubrió el campo de la biología de los receptores.
En ese momento, los experimentos realizados en otros laboratorios sólo sugerían la presencia de receptores celulares, pero nadie había demostrado su existencia. Lefkowitz, sin embargo, estaba convencido de que eran reales, y se dispuso a aislarlos.A partir de la β 2-adrenérgicos en 1982, Lefkowitz aisló a ocho de los nueve subtipos de receptores adrenérgicos, y se determinaron sus secuencias completas de aminoácidos. Los receptores β-adrenérgicos se encuentran entre los reguladores más comunes.
Lefkowitz también descubrió dos familias nuevas de proteínas que desensibilizan a las proteínas G , acopladas a receptores, un hallazgo que ha ayudado a los científicos a comprender, en términos moleculares, cómo los receptores se vuelven tolerantes a ciertos medicamentos. La primera es una nueva familia de enzimas llamadas las acopladas a proteínas G-quinasas receptoras (GRK), incluyendo la quinasa del receptor β-adrenérgico (ARK), y el segundo es un grupo de proteínas denominadas arrestins. Ambas familias de proteínas, se ha demostrado, que se distribuyen ampliamente, y no se limitan a los receptores β-adrenérgicos.
Además de las tres décadas de descubrimientos en el laboratorio, Lefkowitz es ampliamente reconocido por su dedicación a la tutoría y su incansable dedicación por sus alumnos.
En cuando a propia investigación, Lefkowitz dice que está fascinado por la forma en que continuamente se renueva y que siempre se siente fresco. "Vengo a trabajar todos los días con un sentido de gran expectación y curiosidad por los nuevos descubrimientos e ideas que se cruzan en nuestro camino. Cada pregunta que podemos contestar plantea nuevos retos que parecen incluso más interesante que lo que acabamos de responder".

Brian K. Kobilka.
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Es profesor de Medicina, Cardiología y Fisiología Molecular y Celular de la Universidad de Stanford (California). Recibió su licenciatura en biología y química en la Universidad de Minnesota, Duluth, y su título de medicina en la Universidad de Yale. Después de su residencia en medicina interna en el Hospital Barnes, St. Louis, se incorporó al laboratorio de Robert Lefkowitz como becario de investigación en Cardiología de la Universidad de Duke, donde más tarde fue profesor asistente en el Departamento de Medicina antes de unirse a la facultad de Stanford.
Trabajó en el Instituto médico Howard Hughes y el Centro médico de la Universidad de Duke en Durham, Carolina del Norte. Comenzó a utilizar la radiactividad en 1968 con el fin de localizar los receptores de células.
En 1980, se unió a la investigación para aislar el gen humano que produce el receptor de la adrenalina. En 2011 consiguió una fotografía de una hormona disparando un receptor para enviar un impulso a su célula.
Un ejemplo de la importancia que tiene este descubrimiento es, por ejemplo, en el caso de la adrenalina (conocida en la ciencia como epinefrina) los receptores en las células del corazón que hacen que lata más rápido y en las células de los músculos, ya que activan la movilidad para la fuerza de una persona.

HISTORIA:


Robert Lefkowitz y Kobilka Brian recibieron el Premio Nobel de Química en 2012, debido a los revolucionarios descubrimientos que revelan el funcionamiento interno de una importante familia de los receptores, los receptores acoplados a proteínas G.
Durante mucho tiempo, seguía siendo un misterio cómo las células podían percibir cambios en su entorno. Los científicos sabían que las hormonas como la adrenalina tenían efectos poderosos: el aumento de la presión arterial y hacer que el corazón latiera más rápido. Por ello se sospechaba que las superficies celulares debían contener algún tipo de receptor de las hormonas, pero en que consistían estos receptores en realidad y cómo funcionaban permaneció oculto durante casi todo el siglo XX.
Lefkowitz comenzó a utilizar la radiactividad en 1968 con el fin de localizar los receptores de las células. Para ello adjuntaba un isótopo de yodo a varias hormonas, y gracias a la radiación, se las arregló para dar a conocer varios receptores, entre ellos un receptor de la adrenalina: el β-adrenérgico. Su equipo de investigadores extrajo el receptor de su la pared celular y se ganó una comprensión inicial de cómo funcionaba.
El equipo logró otro gran paso en la década de 1980, cuando el recién contratado Kobilka aceptó el reto para aislar el gen que codifica el receptor β-adrenérgico a partir del genoma humano. Su enfoque creativo le permitió alcanzar su meta. Cuando los investigadores analizaron los genes, descubrieron que el receptor es similar a uno del ojo que capta la luz. Se dieron cuenta de que hay toda una familia de receptores que parecen iguales y funcionan de la misma manera.
Hoy, esta familia se conoce como receptores acoplados a proteínas G, donde hay cerca de un código de mil genes que codifican receptores de este tipo, por ejemplo, para la luz, sabor, olor, adrenalina, dopamina, histamina y serotonina. Aproximadamente la mitad de todos los medicamentos consiguen su efecto a través de receptores acoplados a proteínas G.
Los estudios de Lefkowitz y Kobilka son cruciales para la comprensión de cómo las proteínas G es acoplada a la función de los receptores.
Hubo un avance científico en 2011:
Brian Kobilka logróo otro avance, junto a su equipo de investigación capturó una imagen del receptor β-adrenérgico justo en el momento en que se activa por una hormona y le envía una señal a la célula.

PROTEÍNAS G:

Las proteínas G son una familia de proteínas acopladas a sistemas efectores que se unen a GDP – GTP; poseen tres subunidades (a , b , g ) que les confiere diversidad, por lo que son denominadas también heterotriméricas.

Propiedades básicas:
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  • Cuando una proteína G se une a un receptor, éste incrementa su afinidad por el transmisor.
  • Este complejo es uno de los mecanismos de transducción que permite a las células comunicarse entre ellas y responder al medio ambiente.
  • Las proteínas G interactúan con diferentes efectores, por lo que es importante conocer sus propiedades bioquímicas.
  • Son una familia de proteínas, que tienen especial afinidad por los nucleótidos de Guanina; desempeñan un papel muy importante en la transducción de señales de las células eucariotas.


En 1971 se observó que el guanosintrifosfato era necesario para la activación de la adenilato ciclasa de los agonistas adrenérgicos b. Posteriormente en esa misma década se descubrió el motivo de esta necesidad: las proteínas de membrana que unen GTP interaccionan con los sistemas receptores que inhiben o activan la adenilato ciclasa. Estas proteínas acoplan a más de 100 receptores distintos para diversas proteínas como la adenilato ciclasa, la guanilato ciclasa, y algunos tipos de canales iónicos.
Cuando un agonista se une a su receptor, este receptor adquiere una conformación que le permite interactuar con una determinada proteína G, que se encuentra en estado inactivo, produciéndose un complejo transitorio. El acoplamiento del receptor activado con la región amino terminal de Ga induce a su vez cambios conformacionales que conducen a la liberación de GDP. El GDP acoplado a la proteína G gana un grupo fosfato, formándose el complejo GTP.

La porción GTP: a es el fragmento que participa en la activación o inhibición del efector molecular que puede ser la adenilciclasa, o bien, puede participar en forma directa en la apertura del canal iónico. Posteriormente la porción a facilita que el GTP pierda un fosfato, lo cual resulta en la reasociación GDP– a b g cerrándose así el ciclo. Se han identificado varios tipos de subunidades a : la a s estimula la adenilciclasa formándose un segundo mensajero ampc; la a i, inhibe la adenilciclasa y la a o estimula la cascada del fosfoinositol, formándose segundos mensajeros, que son el diacilglicerol y el inositoltrifosfato.





Estructura de las proteínas G.

Como su nombre indica las proteínas G heterotriméricas están compuestas por tres subunidades distintas.


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En una proteína G heterotrimérica típica encontramos tres subunidades, clasificadas por su peso molecular:
Una subunidad alfa, G-alfa, de 45-47 kD, esta subunidad es la que liga el nucleótido de guanina (GDP o GTP). Puede verse el nucleótido en amarillo unido en un bolsillo interno de la proteína.
Una subunidad beta, G-beta, de unos 35 kD, de forma toroidal (como una rosquilla).
Una subunidad gamma, G-gamma, muy pequeña de 7-9 kD.
Las subunidades beta y gamma están íntimamente asociadas formando un dímero estable que no se disocia salvo en condiciones extremas. Por el contrario, la subunidad alfa está unida a la beta tan sólo por contactos discretos, y se disocia reversiblemente durante el ciclo funcional de la proteína G.

En su forma inactiva las tres subunidades se encuentran unidas. La subunidad alfa es la que tiene el GDP. Cuando el receptor beta adrenérgico activa la proteína G, la subunidad alfa libera el GDP, pega GTP y luego se separa de las subunidades b , g .
Cuando esto ocurre la subunidad alfa pierde su afinidad por el receptor, se disocia de el, y se mueve hacia otra proteína cercana, la enzima adenilato ciclasa, que hasta el momento estaba inactiva y que ahora es activada comenzando así su trabajo: convertir el ATP en 3'5' AMP cíclico. Esta reacción implica liberar los fosfatos gamma y beta del ATP, ligar el fosfato restante (que esta esterificando a la ribosa en la posición 5') al hidroxilo 3' formando una estructura cíclica conocida como "AMP cíclico" o simplemente AMPc.
Después de varios segundos de la unión con la adenil-ciclasa, la subunidad alfa de la proteína G hidroliza el GTP, abandona la adenilato ciclasa inactivándose (apagado) y retorna a su unión con las subunidades beta y gamma (lugar de donde había "desertado" al comienzo del "juego"). La adenil ciclasa se torna inactiva y deja de producir AMPc. Todo este ciclo origina un breve "pulso" de señales que producen, en este caso, unos cientos de moléculas de AMPc. El AMPc actúa como un segundo mensajero que difunde por el citoplasma (el primer mensajero es él ligando en la superficie celular, estos ligandos son en general productos conocidos como hormonas: por ejemplo la epinefrina) llevando su acción al mismo.


Vía del AMPc:

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Acciones de las proteínas G.

Las proteínas G son proteínas de membrana que en el estado inactivo unen guanosindifosfato (GDP). Una respuesta hormonal que de lugar a la estimulación de la adenilato ciclasa, la unión de una hormona extracelular o de un agonista a un receptor. Ésta estimula a su vez un intercambio del GDP unido por GTP, es decir, la disociación del GDP de la Gs, para ser sustituido por GTP. De esta forma, la Gs se convierte en una proteína que activa la adenilato ciclasa, produciendo AMP cíclico. Ello da lugar a la activación de la proteína quinasa dependiente del cAMP y por consiguiente la fosforilación de las proteínas diana, como la fosforilasa b quinasa en las células que activan la fosforolisis del glucógeno.
En resumen, los pasos fundamentales de la transducción de señal son la formación de segundos mensajeros, y la activación de proteícinasas.
El primer mensajero es el neurotrasmisor. El segundo mensajero es una molécula que se forma de manera secundaria a la unión del primer mensajero; algunos ejemplos de de esto son los nucleótidos cíclicos (AMPc, GTPc), los metabolitos de fosfoinositol, el calcio, los metabolitos de eicosaniodes y el óxido nítrico; y su función es activar las proteíncinasas que catalizan la transferencia de un grupo fosfato terminal del ATP a los sitios activos de ciertas proteínas
Enzimas activadas por proteínas G:

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RECEPTORES DE PROTEÍNAS:


Los receptores son proteínas transmembrana que se localizan principalmente en la membrana plasmática aunque también se han encontrado receptores en las membranas de los orgánulos. Su función principal es reconocer elementos extracelulares como ligandos que no pueden atravesar las membranas (hormonas, neurotransmisores, antígenos) u otros receptores presentes en membranas de células vecinas o de patógenos.
Los receptores de membrana son variados. Pueden formar parte de canales iónicos, presentar actividad enzimática o estar asociados con enzimas. Existen receptores que activan una proteína adaptadora, la proteína G, que transmite el mensaje al siguiente intermediario.

Los receptores de la superficie celular o de membrana citoplasmática se pueden clasificar en cuatro tipos básicos:

1.- Receptores acoplados a proteínas G
2.- Receptores asociados a canales iónicos
3.- Receptores ligados a tirosin cinasa
4.- Receptores con actividad enzimática intrínseca


Receptores acoplados a proteínas G (GPCRs).

Este tipo de receptores consiste en un polipéptido que atraviesa la membrana plasmática siete veces. Una señal interactúa con el receptor que se activa y cambia de forma. La proteína G inactiva se une al receptor y se activa. Luego se desplaza hacia otra proteína de membrana que se encuentra en estado inactivo. Cuando la proteína G se une a esta proteína, altera su actividad. Esto conduce a una respuesta. Este modelo se obtuvo mediante análisis de cristalografía de rayos X.

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En contraste a la diversidad química de sus ligandos la mayoría de los receptores de esta clase tienen una estructura similar, esta consiste en una cadena polipeptídica simple con siete segmentos α-hélice transmembranales que tienen una estructura tridimensional común, estos dominios están unidos entre si por asas polipeptídicas tres intracelulares, el asa larga compuesta básicamente de aminoácidos hidrofílicos entre las hélices 5 y 6 que es el sitio de interacción o acoplamiento a proteína G, y tres asas extracelulares. Una cuarta asa citoplasmática puede formarse cuando el segmento C- terminal se une a la membrana por atracción lipídica a la cadena de aminoácidos (palmitoilación) , un segmento N-terminal glucosilado extracelular, el segmento C-terminal a nivel citoplasmático

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Estructura de los Receptores acoplados a proteínas G, Dominios transmembranales ( TM), asas internas (i), asas externas (e) y Segmentos terminales).


La unión del ligando provoca la separación de las subunidades de la proteína G, que se encuentra asociada al receptor en el lado citoplasmático. Las subunidades de la proteína G van a actuar sobre otras proteínas de membrana (canales iónicos o enzimas principalmente) generando un segundo mensajero. Estos receptores pertenecen a una familia de proteínas transmembrana caracterizadas por tener siete pasos transmembrana, es decir, son polipéptidos que atraiesa.
Los receptores acoplados a proteinas G, constituyen una gran familia de receptores sobre la superficie celular con mas de mil miembros, aproximadamente el 2% de los genes presentes en el genoma de mamíferos codifican para estos receptores.Estos receptores celulares median respuestas a su interacción con diversas moléculas de señalización como lo son los neurotransmisores, neuropéptidos, hormonas, péptidos vasoactivos, aromatizantes, saborizantes, glucoproteínas y otros mediadores locales.

ESTRUCTURA DE LOS RECEPTORES AOPLADOS A PROTEINAS G


Los ligandos pequeños como lo es la epinefrina tienen un sitio de unión al receptor a nivel extracelular el cual suele ser el asa e3. En el caso de ligandos proteicos largos una porción de la N-terminal extracelular participa en la unión del ligando, este dominio extracelular N-terminal es altamente variable entre los GPCRs, frecuentemente este segmento puede estar glucosilado, y puede estar conformado desde 4 hasta mas de 50 residuos de aminoácidos.

Las asas extracelulares son de distinto tamaño entre los GPCRs, de las cuales e1 tiene un tamaño mas estable que oscila entre 3 y 18 aminoácidos, las otras dos asas (e2 y e3) tienen mayor variabilidad en su tamaño, en contraste las asas citoplasmáticas son similares entre los GPCRs, el asa i1 consta de 5-7 aminoácidos, la i2 de 10-12 aminoácidos, de forma especial i3 que es el sitio de acople a proteína G y la cadena C- terminal cuya longitud mas frecuente es de aproximadamente 50 residuos de aminoácidos, que contiene secuencias de aminoácidos adecuadas para la fosforilación o para la unión de esta C- terminal a la membrana por palmintoilación las cuales son importantes para la regulación y funcionalidad, como lo son la desensibilización e internalización de los receptores. El que se conserven relativamente los dominios intracelulares sugiere un mecanismo común por el cual los GPCRs activan a las proteínas G. El asa 5,6-citoplasmática (i3) parece ser el sitio de mayor interacción con la proteína G, sin embargo el asa 3,4-citoplasmática y la porción C-terminal también citoplasmática solo contribuyen en el acople de proteína G en algunos casos. Estos receptores de la superficie celular acoplados a proteínas G activan en su parte interna a efectores.

Segmento C-terminal
Segmento N-terminal

Los siete dominios TM son diferentes en sus fases extra e intracelulares, cada uno posee entre 20 y 27 aminoácidos, primordialmente TM III el cual posee un aminoácido inmediatamente después de una cistina conservada, el cual indica el tipo de ligando para el receptor. Cuando son activados por los ligandos apropiados los GPCRs usualmente pueden reconocer y activar más de una proteína G pero solo interactúa con un subtipo específico de las muchas y estructuralmente similares proteínas G expresadas en una célula; la información estructural codificada para reconocer el tipo de proteína G que se va a acoplar reside en las secuencias de aminoácidos. El acople a una proteína G responsable de un efecto particular sobre una vía de señalización intracelular requiere de una estructura específica de las asas citoplasmáticas y de la región C-terminal de los GPCRs.

(Ejemplos de los sitios donde se encuentran células que poseen estos receptores tenemos que los α s(s) son de distribución ubicua, los α olf en el epitelio olfatorio, los α i1 α i2 y α i3 son de distribución ubicua, los α o1A y α o1B se encuentran en el cerebro, los α t1 y α t2 se encuentran en la retina, α g se encuentran en las células gustativas, los α q y α 11 son de distribución ubicua, α 14 se encuentra en los pulmones, el hígado y los riñones, α 15 y α 16 se encuentran en células mieloides, α 12 y α 13 son de distribución ubicua1,2,4,5.)

Los efectores de las proteínas G depende del receptor y del ligando que interactúan con la proteína G, además de que existe una promiscuidad en cuanto a los receptores ya que pueden activar distintos tipos de proteínas G lo cual a sido observado en algunos casos.


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Secuencia de activaciòn de los receptores acoplados a proteìnas G, e inactivaciòn posteriores a la union del ligando al receptor. 1- Uniòn del ligando receptor, 2- Activaciòn de la proteìna G, 3- Uniòn de GTP a la subunidad alfa, 4- Desacople de GDP de la subunidad alfa, 5- Separaciòn de las fracciones activas (subunidad alfa unida a GTP y subunidades beta – gamma), y 6- Activaciòn por cada una de estas subunidades de las vìas de señalización intra celular.

La actividad de las proteínas G es modulada por una superfamilia de proteínas reguladoras de la señalización de las proteínas G (RGS) estas proteínas se unen a las subunidades alfa activadas y rápidamente las desactivan, aproximadamente 30 de estas proteínas han sido bien identificadas.



















Este vídeo contiene algunos fallos. La adenilato ciclasa es una proteína transmembrana que sintetiza AMPc. La subunidad alfa de la proteína G es lipidada y se difunde a lo largo de la hoja interna de la membrana en contacto con AC. Por último las dimensiones del receptor VS la proteína G difieren. El complejo de la proteína G es de hecho mayor que la del receptor.



PREMIO NOBEL:


El Premio Nobel de química 2012 fue adjudicado a Brian K. Kobilka y Robert J.Lefkowitz por sus estudios sobre las proteínas G acopladas a receptores (GPCR) que forman un notable sistema modular que permite la transmisión de una gran variedad de señales sobre la membrana celular, entre las células y a largas distancias en el cuerpo. Hoy en día, entendemos el mecanismo molecular de como estos receptores funcionan en intrincado detalle, en gran parte gracias a los estudios realizados por Kobilka y Lefkowitz.
CONOCIMIENTOS PREVIOS
Cada célula humana está rodeada por una membrana plasmática, una bicapa de fosfolípidos. La membrana hace posible que la célula pueda mantener una combinación específica de las especies bioquímicamente activas, mientras que previene la entrada no deseada de otras sustancias del ambiente exterior. Para que el funcionamiento sea adecuado, la maquinaria bioquímica dentro de una célula tiene que ser capaz de recibir instrucciones desde el exterior.
Cambios en los niveles hormonales en el exterior de la célula provocan cambios adaptativos en la actividad enzimática en el interior. Moléculas olfativas afectan a las células del epitelio olfatorio y las sustancias de las actividades químicas de alimentos influyen en las células de Tastebud, que a su vez provocan señales eléctricas que transfieren la información al cerebro, por ejemplo.
De hecho, las células humanas están en constante comunicación entre sí y el entorno circundante, esto requiere una estructura y mecanismo molecular para la transmisión de información a través de la membrana plasmática. Además, en el cuerpo, la transmisión de señales puede tener lugar a distancias largas. Para poder responder rápidamente, el cerebro necesita rápidamente información de los sentidos, de la vista, el olfato, el gusto, etc. De nuevo, esto requiere un mecanismo molecular para la transmisión de información a través de la membrana plasmática.

El mecanismo molecular consta de receptores-G acoplados a proteínas (GPCRs). Estas son proteínas situadas en la membrana plasmática. El nombre de GPCR se refiere a un modo común de la señalización del receptor a través de las proteínas GTP de unión en el interior de la célula. Debido a su cadena de polipéptidos pasa siete veces a través de la membrana plasmática, por ello los GPCR también son llamados receptores transmembrana de siete dominios (7TM). Estos median una amplia variedad de señales fisiológicas desde el exterior de la célula: la señal puede ser un cambio en la concentración de péptidos, hormonas, lípidos, neurotransmisores, iones, olores, estimulantes del gusto, etc, o de la afluencia de fotones para el ojo. Las GPCRs transmiten estas señales al interior de la célula y provocan una serie de reacciones que implican a otras proteínas, nucleótidos e iones metálicos, que transmiten un mensaje y una respuesta apropiada celular y fisiológica.
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Cartoon en la página web de Kobilka, ilustrando su investigación con las 7 hélices transmembranas de las GPCRs
Cartoon en la página web de Kobilka, ilustrando su investigación con las 7 hélices transmembranas de las GPCRs






Muchos de los procesos fisiológicos en los mamíferos dependen de los receptores 7TM, por ello son un objetivo que se ha fijado para una gran parte de los medicamentos farmacéuticos. Acerca de mil genes del código genético humano de receptores 7TM, están involucrados en la detección de una amplia gama de estímulos extracelulares. Algunos ejemplos son los receptores adrenérgicos, receptores de dopamina, receptores de histamina, el receptor de luz rodopsina, y los receptores de muchos olores y sabores .


PREGUNTAS CLAVE EN LA INVESTIGACIÓN
Las GPCRs median un flujo de información que indica en el interior de las células como son las condiciones en el exterior. ¿Cómo se consigue esto a nivel molecular? ¿Qué moléculas hacen el trabajo, y cómo envían el mensaje? ¿Cómo se distinguen los diferentes tipos de señales? ¿Cómo se regulan estas señales? Estas han sido las preguntas clave en este campo durante décadas. Para dar respuesta, los investigadores necesitaron identificar los componentes moleculares de los mecanismos de señalización y seguir su actividad en los análisis bioquímicos, biofísicos y estructurales.





DESCUBRIMIENTO Y DETECCIÓN DE LAS GPCRS
La mayor parte de lo que sabemos hoy acerca de las interesantes propiedades de los receptores moleculares 7TM se ha descubierto en los últimos 40 años. Sin embargo, la rodopsina había sido identificada como un pigmento fotosensible ya en la década de 1870, y su ligando covalente de retina se publicó en 1933. La historia de los receptores activados por ligando comenzó hace más de un siglo, cuando se observó que las células reactivas tenían una "sustancia receptiva” en su superficie. Los primeros experimentos con preparaciones de tejido midieron la respuesta de los estimuladores (agonistas) y los inhibidores (antagonistas). Durante el siguiente medio siglo (alrededor de 1920-1970), la teoría del receptor clásico se fue desarrollando en base a la ley de acción de masas y datos de dosis-respuesta.
Algunos de los componentes de señalización dentro de la célula se describen con mucho detalle molecular antes de que de estar los receptores descritos. Estos incluyen el segundo mensajero, el AMP cíclico (cAMP) y la enzima adenilato ciclasa (7; Premio Nobel de Fisiología o Medicina 1971 a Earl W. Sutherland, Jr.), dependiente del cAMP encontramos a proteína quinasa y las proteínas heterotrimericas G (9 - 11, Premio Nobel de Fisiología o Medicina 1994 a Martin Rodbell y Alfred G. Gillman).
La naturaleza de los receptores activados por ligando fue controvertida hasta la década de 1970. La existencia de receptores como entidades moleculares se debatió, y especuló que los receptores y la enzima adenilato ciclasa eran la misma proteína.
La síntesis química de ligandos marcados radiactivamente se convirtió en un instrumento para demostrar la existencia de receptores y para la detección y visualización de los receptores en la membrana plasmática. El primero en tener éxito con este enfoque fue Lefkowitz, que modificó la hormona adrenocorticotropica con yodo radioactivo y observó su unión en preparaciones de membranas suprarrenales. Luego centró sus esfuerzos en los receptores de la epinefrina (también conocida como adrenalina).
La epinefrina es una importante hormona y neurotransmisor, que influye en muchos procesos fisiológicos diferentes, como por ejemplo la regulación de la frecuencia cardíaca y la presión arterial. Las células sensibles a la epinefrina poseen receptores específicos de la membrana plasmática (receptores adrenérgicos) que interactúan con la hormona. Hay al menos nueve receptores adrenérgicos diferentes, agrupados como α-y β-receptores. Los tejidos y órganos responden de diferentes maneras a la elevada concentración de adrenalina. Uno de los objetivos principales se cumplió cuando radioligandos específicos para los receptores β-fueron encontrados. El campo explotó, y radioligandos con especificidad retenidos fueron desarrollados para un gran número de receptores. Los radioligandos también se utilizaron para cuantificar y comparar el efecto de una serie de compuestos adrenérgicos sobre la actividad de los β-adrenérgicos y el adenilato ciclasa. Estudios del acoplamiento termodinámico entre eventos ligando y proteína-G de unión ayudaron a comprender el mecanismo de señalización.

EL MODELO TERNARIO COMPLEJO
En 1980, Lefkowitz junto a sus compañeros de trabajo Andre De Lean y Stadel Jeffery propusieron un mecanismo general para la activación de receptor. El complejo ternario de ligando extracelular (agonista –de la dopamina-), GPCR transmembrana y proteína G intracelular, sirve como unidad de señalización activada. El agonista (hormona, neurotransmisor, olor, etc) se une a la parte extracelular del receptor, mientras que la proteína G se une a las regiones intracelulares.
La señalización del receptor se basa en un mecanismo alostérico, donde el acoplamiento alostérico es mutuo, como se deduce de las leyes de la termodinámica; esta unión del agonista aumenta la afinidad con la proteína G en el interior de la célula, y la unión de la proteína G, a su vez, aumenta la afinidad del receptor de unión del agonista en el mismo grado. Después de tres décadas dedicadas a la investigación, se puede entender el mecanismo de señalización transmembrana de las GPCR y su regulación en molecularmente detallada. Un logro destacable de Kobilka y sus compañeros fue la revelación de la estructura tridimensional de un complejo ternario completamente funcional en alta resolución: el receptor β2-adrenérgico (βAR) en complejo con el agonista y G-proteína.


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AISLAMIENTO Y PURIFICACIÓN

El aislamiento y la purificación de las GPCRs en forma funcional en las vesículas (membranas esféricas del modelo) fue logrado primero para la rodopsina por Ruth Hubbard. Los receptores activados por ligandos difusibles se encuentran generalmente en cantidades muy bajas, por ejemplo en tejidos como el hígado, el pulmón y el corazón, y su aislamiento es por lo tanto un reto. Informes sobre los receptores solubilizados de la hormona vasopresina, tirotropina y paratiroides se produjo en 1975. Marc Caron y Lefkowitz eligieron el detergente clave para la solubilización del βAR funcional. Usaron el mismo que se utilizó en el aislamiento anterior de la rodopsina funcional, una interesante conincidencia teniendo en cuenta que la homología de secuencia entre los dos era desconocida en el momento. Para purificar estos receptores se desarrollaron métodos de cromatografía de afinidad específicos conjugados con resinas de cromatografía. Con unos pocos pasos adicionales, los β-adrenérgicos se purificaron cerca de la actividad teórica específica.

UNA FAMILIA DE RECEPTORES RELACIONADOS ESTRUCTURALMENTE

Lefkowitz y sus compañeros de trabajo hicieron una contribución fundamental cuando clonaron y secuenciaron el primer receptor para la epinefrina, βAR. Basándose en este trabajo, se hizo evidente que las GPCRs forman una familia de proteínas con una relación estructural estrecha. Aunque las señales recogidas por los GPCR difieren ampliamente - ya que van desde los fotones y los olores de neurotransmisores, hormonas y péptidos - la transmisión de la señal a la célula se lleva a cabo de una manera muy similar por una estructura común de siete hélices transmembrana.

Lefkowitz y sus colaboradores estuvieron más de una década dedicados a encontrar ligandos adecuados para su uso en cromatografía de afinidad. Aprendieron cómo purificar y manejar βAR y aislaron cantidades suficientes de esta proteína de membrana de baja abundancia, a partir de pulmón de hámster para la secuenciación de aminoácidos N-terminal de péptidos discretos. Basándose en esta información, ellos construyeron oligonucleótidos degenerados y los utilizaron para la clonación del gen βAR. Kobilka, realizó un post-doctorado con Lefkowitz; este llegó a jugar un papel fundamental, que es reconocido por Lefkowitz, para prever y con éxito la construcción de una genoteca de ADN superior a la genoteca de ADNc que estaba anteriormente disponible para el trabajo de clonación.

Afortunadamente, el gen no tiene intrones y la secuencia entera puede ser derivada. Este fue un avance importante que reveló una algo sorprendente: la presencia de las siete hélices transmembrana , y la homología con la secuencia de la rodopsina en varios de los tramos de transmembrana. Los investigadores dedujeron que todos los receptores acoplados a las proteínas G-compartían esta disposición estructural. Esto fue corroborado por Numa Shosaku, quien presentó la secuencia de un tercer GPCR : el receptor de la acetilcolina muscarínicos (38). Lefkowitz y sus colaboladores clonaron una serie de receptores adrenérgicos relacionados. La βAR rodopsina , se convirtió en miembro fundador de una familia de receptores enorme y la base de todo un futuro trabajo en este campo.

MECANISMO DE SEÑALIZACIÓN

Un aspecto importante del mecanismo de señalización es que el ligando no pasa a través de la membrana. En lugar de eso, la señal es transferida al interior de la célula por los cambios conformacionales en el receptor de la proteína, la cual está acoplada a los sucesos de unión al ligando. Un incremento en la concentración de agonista fuera de la célula incrementa la fracción de receptores que son unidos al ligando.
El receptor de la proteína es dinámico y puede tomar un número de conformaciones; dos prominentes que son la activa e inactiva conformación. Cada receptor tiene una alta afinidad por un pequeño grupo de agonistas similares que se fijan a un sitio específico en la parte extracelular. La fijación del agonista favorece la conformación activa del receptor, e incrementa la afinidad por la proteína G en el interior de la célula.
La reacción en cascada en el interior de la célula comienza con el intercambio de nucleótidos y la disociación de la proteína en las subunidades Gα, Gβ y Gγ. Gα se fija a las enzimas estimuladas como la adenilato ciclasa. Esto produce el nucleótido cíclico cAMP, que se difunde fácilmente y sirve como un “segundo mensajero”. Otras proteínas pueden interaccionar con Gβ y Gγ para además modular la señal. La activación de la conformación GPCR dura el tiempo suficiente para permitir que una molécula agonista unida, o un fotón adsorbido, activen varias proteínas G, que amplifican la señal. Las proteínas G reaccionadas se vuelven a asociar después de la hidrólisis de nucleótidos y pueden volver a entrar en el ciclo.
Wayne Hubbel y Gobing Khorana descubrieron que los movimientos de la hélice 6 son importantes en el mecanismo de activación, mediante el uso de espectroscopía de 3 electrones de resonancia paramagnética y espines mutantes marcados de cisteína.
Hay distintos cambios estructurales alrededor del agonista unido y la orientación extensiva de las hélices transmembrana.
Al igual que otras proteínas que transmiten información a distancia, una estructura helicoidal amplifica un pequeño cambio conformacional en uno de los extremos de la proteína a un cambio conformacional mucho más largo en el otro extremo. Las hélices son similares a estructuras en barra y se podría imaginar un receptor 7TM como un haz de varillas sumergido en una membrana. Si un ligando agarra el haz en un extremo, el extremo se abre como un ramo de rosas en el otro extremo. Pequeños cambios en la red de interacciones de la cadena lateral alrededor del sitio de unión al agonista provocan cambios en el interior celular. Esto abre un sitio de unión para la proteína G y constituye una señal enviada desde el exterior hacia en interior de la célula.
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El Sagrado Grial, una estructura de alta resolución de un complejo activo ternario, fue recientemente descubierta por Kobilka y colaboradores. Esta estructura de βAR en complejo con heterotrimérico proteína G y unido al agonista proporciona los conocimientos más detallados de la transición estructural bajo la activación del mecanismo a través de la comparación con el receptor no activado. El pequeño cambio estructural alrededor del ligando propaga una transición estructural al interior mayor que la vista anteriormente. Hay un largo desplazamiento de las 6 hélices y una apertura de una profunda grieta hidrofóbica en la zona intracelular del receptor. La hélice terminal C de Gα penetra en la grieta y conduce a grandes cambios en la proteína G, que por ello es activada. Los cambios estructurales resultan de la reorganización de una red de interacciones en el receptor.
La habilidad de construir un complejo ternario estable fue el resultado de avances sofisticados de la biología molecular. La inherente inestabilidad del complejo entre el receptor y la proteína G presentó un mayor desafío. El complejo es de corta vida, permitiendo pérdidas de la activación de la proteína G para cada unión.
Una combinación de cinco estrategias bioquímicas produjo un complejo ternario de larga vida adecuados para la cristalización: tratamiento de apirasa del complejo con GDP unido a la proteína G; la estabilización del complejo usando un detergente recientemente desarrollado, la selección de un anticuerpo camélido, un”nanocuerpo”, que estabilizo la subunidad Gβ en una conformación bien definida; el acoplamiento covalente agonista; y la clonación de la lisozima T4 en el bucle entre la hélice 5 y la 6 para reducir su movilidad. Los estudios del intercambio de isótopos del complejo no modificado combinado con masa espectrometría muestran que la estructura del receptor en el complejo ternario es esencialmente la misma que un complejo no modificado.
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ESTRUCTURAS ANTERIORES

La primera vista de un receptor 7TM fue la proyección de la estructura de la rodopsina descbierta por Gebhard Schertle y Richard Henderson usando una microscopía crio-electrónica, mostrando la hélice 7 en la membrana. Para lograr una mayor resolución y estructurad 3D, Tetsuji Okada y colaboradores desarrollaron una estrategia de depuración, y esto condujo a cristales bien difractados. Krzysztof Palczewski y Okada resolvieron la estructra 3D de la rodopsina no activada, proporcionando una visión más detallada de las hélices en la membrana y los bucles, algunos de los cuales se pliegan sobre el límite retinal. Los estudios cristalográficos del ligando GPCRs activado en la ausencia del agonista fueron un desafíonpor la movilidad significante del receptor. Kovilka respondió a este desafío junto con Gebhard Schertler and Raymond Stevens usando anticuerpos, clonando y con la adición de colesterol. En esta estructura, las hélices receptoras están más paralelas en comparación con el complejo ternario, y la parte intracelular del receptor no presenta una gran superficie hidrofóbica. La estructura no activada βAR difiere de la rodopsina en el sitio de unión del ligando y en otras regiones con interacciones débiles entre los extremos citoplasmáticos de las hélices 3 y 6.
Klaus Peter Hofmann presentó las estructuras cristalinas de opsina y rodopsina con un fragmento de péptido de la trasducina de la proteína G. Estas estructuras de la rodopsina sin un ligando retinal representa un receptor parcialmente activado, con una inclinación desplazada y una rotación de la hélice 6 y con la unión del péptido G en una grieta en el lado intracelular.
Kobilka resolvió la estructura cristalina del agonista acoplado βAR en el complejo con un nanocuerpo como un sustituto para la proteína G. Las transmisiones estructurales relativas para inactivar la βAR están remarcados similarmente a los cambios estructurales en la opsina relativa a la rodopsina. Estos descubrimientos erradicaron la división artificial entre los receptores de la luz y del ligando activado, y completaron la avenida abierta en 1986 por el concepto de un marco estructural común en GPCRs. Las ideas derivadas de la rodopsina han profundizado la comprensión de los receptores del ligando aceptados, y viceversa.
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SISTEMA MODULAR Y SEÑALIZACIÓN INDEPENDIENTE DE LA PROTEÍNA G

La señalización GPCR es un sistema modular elegante con componentes que son usados una y otra vez para muchos tipos de señales. El mismo receptor también puede indicar a través de diferentes vías intracelulares dependiendo de la identidad del ligando ya unido. Esto se debe a la flexibilidad relativa del receptor en la membrana, lo que permite que diferentes agonistas o agonistas inversos estabilicen diferentes formar activas o inactivas.
Lefkowitz y colaboradores descubrieron vías independientes de la proteína G, en las que los receptores 7TM señalizan hacia el interior de la célula a través de otras proteínas, incluyendo arrestinas.

LIGANDO COVALENTE Vs LIGANDO NO COVALENTE
La rodopsina tiene un papel centran en la visión. Se diferencia de muchos receptores 7TM en que su ligando se une covalentemente a la retina. Por lo tanto, la señalización se vuelve independiente de la concentración de ligando, y esto permite a la rodopsina responder a otro tipo de señal: el flujo de la luz. La adsorción de un fotón cambia la conformación de la retina , lo que provoca un cambio conformacional en la rodopsina. La conformación activa está favorecida por la trans-retinal, mientras qe la cuis-retinal estabiliza la forma inactiva.
Para más información sobre los métodos utilizados en la señalización: aquí

REGULACIÓN DE LOS RECEPTORES 7TM
Deben existir mecanismos para la desactivación y la regulación de la señal de un GPCR activo, o la señal sería permanente. Una pregunta fundamentas es, por lo tanto, ¿qué mecanismos moleculares regulan y ponen fin a la señal?
Estudios bioquímicos durante los años 1970 y 1980 proporcionaron varias respuestas. La señal puede ser interrumpida por la disociación del agonista, pero también puede terminar o ser regulada a través de la regulación bioquímica del receptor. La exposición al ligando puede conducir a la baja regulación. La fosforilación de la parte intracelular hace al receptor menos sensible a la concentración del ligando o de la luz; en otras palabras, el receptor se vuelve insensible. Enzimas específicas conducen esta modificación química, por ejemplo,los receptores quinasas de la β-adrenergica y rodopsina quinasa. La fosforilación aumenta la afinidad del receptor por la regulación de proteínas llamadas arrestinas, conduciendo a la baja regulación adicional. Kobilka descubrió que la internalización mediante endocitosis y el reciclado de receptores son otros mecanismos para la regulación de la señalización del receptor.
En algunas enfermedades genéticas, las mutaciones causan la actividad del receptor basal. Los estudios de esos mutantes por Lefkowitz proporcionan una visión de que las interacciones mantienen en receptor inactivo normal en la ausencia del agonista unido.


APLICACIONES DE LAS PROTEÍNAS G:Las funciones fisiológicas en las que están implicadas son muy variadas, regulación hormonal, neurotransmisión, control del ritmo cardiaco, participación en las vías que regulan el dolor .

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En el ámbito farmacologico muchas moléculas pueden servir como agonistas, agonistas inversos y antagonistas que modulan la actividad celular mediante la unión a GPCR (receptores acoplados a proteínas) de diferentes maneras para obtener respuestas específicas. El término agonista se reserva para los ligandos que se unen a un GPCR y estabilizar una conformación que activa la proteína G en el interior. Una sustancia que se une y estabiliza la forma inactiva del receptor se denomina un agonista inverso.

Un antagonista es un tipo de fármaco que al unirse a un receptor celular no provoca una respuesta biológica, pero bloquea o detiene respuestas mediadas por agonistas. Median sus efectos uniéndose al sitio activo y bloqueándolo. De este modo inhibe la señalización mediada por GPCR mediante la prevención del cambio conformacional que activa la proteína G.
Esta es la base para el desarrollo farmacéutico y hace a los GPCRs muy importantes en los medicamentos. Los inhibidores son de gran valor farmacológico, y Sir James W. Black compartió el Premio Nobel de Fisiología o Medicina 1988 por su descubrimiento de propranolol y cimetidina. Propanolol y sus derivados son β-bloqueantes que se utilizaban para tratar la hepertensión arterial, la angina de pecho, enfermedades cardiacas o tumores.


Otros compuestos farmacéuticos son agonistas que activan, por ejemplo, los receptores de la dopamina y la serotonina para aliviar la enfermedad de Parkinson, migraña y trastornos neuropsiquiátricos, o son agonistas inversos, que impiden que la actividad basal de, por ejemplo, el receptor GABA involucrado en la memoria y el aprendizaje .
La estructura compleja ternaria y una serie de otras estructuras, proporcionan una base para el desarrollo farmacológico de fármaco con una alta especificidad, eficacia y pocos efectos secundarios.
Se estima que un 50 % de los medicamentos (desde anti-histamínicos, beta bloqueantes, drogas antiulcerosa, tensión arterial, enfermedades coronarias, antidepresivos y otras) estánvinculados al metabolismo celular controlado por receptores acoplados a proteína G.
- En el ámbito molecular cada vez se profundiza más sobre el papel biológico de las proteínas G, lo que ayuda a comprender los múltiples fenómenos en los que intervienen, entre los que posiblemente los más conocidos son los mecanismos de la acción hormonal.
También desde hace años se sabe que algunas enfermedades endocrinas están relacionadas con fallos relacionados con las proteínas G.
Actualmente se han identificado ciertos genes mutados, responsables de la enfermedad, que codifican precisamente a proteínas G. Lo mismo ha sucedido en algunos casos de pseudohipoparatiroidismo familiar, en los que falla la acción de la hormona paratiroides, o en otros casos de osteodistrofia hereditaria de Albright, donde se alteran las acciones de varias hormonas. Resulta muy importante conocer con cómo funcionan, entre otras razones porque algunas patologías que hoy nos preocupan, como el cáncer, tienen sus causas ligadas a fallos en estos sistemas reguladores de la información.

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4to metacarpiano corto y ancho (fecha negra), varias epífsis en cono (fechas blancas)

-Participación en la fisiología y el tratamiento de los trastornos afectivos, como el trastorno bipolar
¿Qué es el trastorno bipolar?
El trastorno bipolar o psicosis maníacodepresiva es una enfermedad mental caracterizada por una alteración del estado de ánimo que se presenta en forma de ataques o episodios de enfermedad que pueden ser de manía, caracterizada por una elevación patológica del humor e hiperactividad; de depresión, con tristeza o melancolía patológicas y, ocasionalmente, en forma de episodio mixto, consistentes en una mezcla de síntomas maníacos y depresivos.
Un aspecto muy importante a tener en cuenta en este trastorno es que tanto los episodios como el propio curso de la enfermedad son farmacológicamente modificables, pudiéndose lograr en muchos casos un control completo de la enfermedad.
¿Cuál es la causa del trastorno bipolar?
El trastorno bipolar es una enfermedad de naturaleza biológica compleja de origen familiar, donde otros factores fisiológicos o ambientales contribuyen a desencadenarla: estrés ambiental, falta de sueño, fármacos, drogas…
Estudios moleculares más recientes han encontrado disfunciones en los llamados “segundos mensajeros”, moléculas que se encuentran en el interior de las neuronas y que una vez activados por los neurotransmisores, considerados como “primeros mensajeros”, a través de la proteína G (situada en la membrana celular) producen cambios tanto en la membrana celular (capa que cubre la célula) como en el núcleo (cetro de control de la célula), acomodando el funcionamiento de la neurona a su actividad y cuyo desajuste ocasionaría los cambios en el estado de ánimo observados en la enfermedad.


Referencias bibliográficas.


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