Bioquímica del Metabolismo

Transducción de Señales Cascadas

El contenido de esta página: quinasas y fosfatasas 
proteína quinasa A (AMPc dependiente de la proteína quinasa ) G-proteína señal cascada Estructura de las proteínas G pequeñas de unión a GTP proteínas, BPA y GEFs fosfatidilinositol cascadas de señales




complejos de proteínas de señal

Nota: . Esta será una introducción limitada a la enzima regulación por fosforilación, heterotriméricas proteínas G-AMP cíclico y cascadas de señales, y algunos segundos mensajeros generados a partir de fosfatidilinositol señales de calcio y las prostaglandinas se discuten en otros lugares. Algunas señales se tratan en otros cursos en Rensselaer y por tanto no se incluyen aquí, por ejemplo, cascadas de señales de tirosina quinasa, la señalización del óxido nítrico, etc.

Quinasas y fosfatasas:Muchas enzimas están reguladas por la unión covalente de fosfato , en unión éster, al grupo hidroxilo de la cadena lateral de un residuo de aminoácido particular (serina, treonina o tirosina).

A p rotein quinasa transfiere el fosfato terminal del ATP a un grupo hidroxilo en una proteína. A p rotein fosfatasa cataliza la eliminación del fosfato por hidrólisis.

La fosforilación puede alterar directamente la actividad de una enzima, por ejemplo, mediante la promoción de un cambio conformacional.
Alternativamente, la actividad alterada puede resultar de otra proteína de unión que reconoce específicamente un dominio fosforilado. Por ejemplo, 14-3-3 proteínas se unen a los dominios que incluyen serina o treonina fosforilada en la secuencia Rxxx [pS / pT] XP, donde X puede ser diferentes aminoácidos. La unión a 14-3-3 es un mecanismo por el cual algunos proteínas (por ejemplo, factores de transcripción) pueden ser retenidos en el citosol, y se les impidió entrar en el núcleo de la célula.
Proteínas quinasas y fosfatasas están regulados por cascadas de señales complejas. Por ejemplo:

• Algunas proteínas quinasas son activadas por Ca ⁺⁺ -calmodulina .
• La proteína quinasa A es activada por AMP cíclico (cAMP).

Como se señaló anteriormente, adenilato ciclasa (adenilciclasa) cataliza:  ATP cAMP + PP i La unión de ciertas hormonas (por ejemplo, epinefrina) a la superficie externa de una célula se activa la adenilato ciclasa para formar AMPc dentro de la célula. El AMP cíclico es por lo tanto considerado como un segundo mensajero . La fosfodiesterasa enzimas catalizan: cAMP + H 2 O   AMPfosfodiesterasa que escinde El cAMP se activa por fosforilación catalizada por la proteína quinasa A. Por lo tanto cAMP estimula su propia degradación , lo que lleva a un rápido desvío de una señal de cAMP.

La proteína quinasa A (proteína quinasa dependiente de cAMP ) transfiere P _i a partir de ATP al grupo hidroxilo de una serina o treonina que es parte de una secuencia de ácido 5-amino particular.  proteína quinasa A existe en el estado de reposo como un complejo de:

• 2 subunidades reguladoras ( R )
• 2 subunidades catalíticas ( C )

Cada subunidad reguladora ( R ) de la proteína quinasa A contiene un pseudosustrato secuencia comparable al dominio de sustrato de una proteína diana para la proteína quinasa A, pero con alanina sustituyendo la serina o treonina. El dominio pseudosustrato de la subunidad reguladora, que carece de un grupo hidroxilo que puede ser fosforilado, se une al sitio activo de la subunidad catalítica, el bloqueo de su actividad. 

Cuando cada subunidad reguladora se une 2 cAMP, un cambio conformacional hace que las subunidades reguladoras para liberar las subunidades catalíticas. Las subunidades catalíticas ( C ) a continuación, pueden catalizar la fosforilación de residuos de serina o treonina en proteínas diana.R 2 C 2 + 4 cAMP   R 2 cAMP 4 + 2 C PKI , proteína quinasa Inhibidores, modulan la actividad de las subunidades catalíticas ( C ).

de la proteína quinasa A    de activación

G Protein Señal CascadeLa mayoría de las moléculas de señal dirigidos a un aprieto de células en la superficie celular a receptores incrustados en la membrana plasmática . Sólo señal de moléculas que son capaces de cruzar la membrana plasmática (por ejemplo, hormonas esteroides) interactúan con los receptores intracelulares. Una gran familia de la superficie celular de los receptores tienen un motivo estructural común, 7 transmembrana unas hélices .  La rodopsina fue el primero de estos para tener su estructura 7-hélice confirmada por cristalografía de rayos X. La rodopsina es único. Detecta la luz , a través de un cromóforo unido, retina. Vea los diagramas a la derecha y en la pág. 674 y 675. La mayoría de los receptores 7-hélice tienen dominios que se enfrenta el extracelular lado de la membrana de plasma que reconocen y se unen moléculas señal (ligandos ). Un ejemplo es el b -adrenérgico receptor , que se activa por la epinefrina y la norepinefrina. La cristalización de la b -adrenérgico receptor era facilitado por ingeniería genética de la inserción de la enzima soluble lisozima en un bucle citosólico entre transmembrana un hélices. La estructura de la proteína quimérica se muestra a la derecha. Ver una imagen animada de la estructura del receptor en un sitio web del laboratorio Kobilka. La señal se pasa de un receptor 7-hélice intracelular a una proteína G (que se discutirá más adelante). Receptores de siete hélice son así llamados GPCR , o G - P rotein- Coupled R eceptors. Aproximadamente 800 diferentes GPCRs están codificados en el genoma humano.

Explorar bovina r hodopsin (estructura determinada por K. Palczewski, T. Kumasaka, T. Hori, CA Behnke, H. Motoshima, BZ Fox, I. Le Trong, DC Teller, T. Okada, RE Stenkamp, ​​M. Yamamoto, y M. Miyano en 2000.)opciones de visualización Recomendado:Mostrar como de dibujos animados y el color de la cadena de distinguir las dos copias de la proteína. ¿Cuántas transmembrana unas hélices hay en cada proteína rodopsina? Usted puede seleccionar RET residuos y la pantalla como palos con color CPK . Este es el cromóforo de la retina responsable de la absorción de la luz.  Tenga en cuenta que algunas de las hélices son ligeramente dobladas. Busque por cambiar la visualización de las prolina residuos que causan distorsión de hélices, donde se doblan.

C O N S

Explora a la derecha la estructura de la quimérico b -adrenérgico receptor acoplado a proteína G (GPCR) con un inserto de lisozima. Esta proteína se cristalizó con el carazolol agonista inverso, cuya ubicación identifica la posición del ligando sitio de unión.

b adrenérgicos G receptor acoplado a proteína

Los receptores G acoplados a la proteína pueden dimerizar o formar complejos oligoméricos dentro de la membrana. La unión del ligando puede promover la oligomerización, que a su vez la actividad del receptor de afectar.
Varias proteínas GPCR interactuar ( GIP ) modulan la función del receptor. Efectos de la GIP pueden incluir:

• ligando alterado afinidad
• la promoción de receptor de dimerización u oligomerización
• control del receptor de localización , incluyendo la transferencia o eliminación de la membrana plasmática
• promover una estrecha asociación con otras proteínas de señal

Proteínas G son heterotrimeric , con tres subunidades designadas a, b, y g .
A-proteína G que activa AMP cíclico formación dentro de una célula se denomina una proteína G estimuladora , designado G _s con alfa subunidad G _s una . G _s se activa, por ejemplo, por los receptores para las hormonas adrenalina y el glucagón . El b -adrenérgicos es el GPCR de epinefrina. (Véase más arriba y el diagrama p. 652.)

La una subunidad de una proteína G ( G una ) se unen s GTP , y puede hidrolizar a PIB + P i . Los unos y g subunidades han unido covalentemente anclajes de lípidos , que se insertan en la membrana plasmática, la unión a proteína G a la superficie citosólica de la membrana plasmática. Adenilato ciclasa (AC) es una proteína transmembrana, con dominios citosólicos que forma el sitio catalítico.  La secuencia de los hechos por los cuales una hormona activa de señalización cAMP se resume a continuación y en el diagrama de la derecha (véase también diagramas p 674 y 676 de Bioquímica, 3ª Ed, por Voet y Voet.):

1. Inicialmente, la proteína G una subunidad ha obligado PIB , y las a, b, y g subunidades están formando complejo juntos. G _{b, g} , el complejo de b y g subunidades, inhibe G _una .
2. Fijadora de hormonas , por lo general a un dominio extracelular de un receptor 7-hélice (GPCR), provoca un cambio conformacional en el receptor que se transmite a una proteína G en el lado citosólico de la membrana. El sitio de unión de nucleótidos en G _una se vuelve más accesible al citosol, donde [GTP] suele ser mayor que [PIB]. G _un PIB comunicados y se une GTP. ( intercambio de GDP-GTP )
3. La sustitución de GTP para el PIB provoca otro cambio conformacional en G _una .  
   G _un -GTP disocia del inhibidor bg complejo subunidad, y ahora se une y activa adenilato ciclasa.
4. Adenilato ciclasa , activado por el estimulador G _un -GTP, cataliza la síntesis de cAMP .
5. La proteína quinasa A (proteína quinasa dependiente de cAMP) cataliza la transferencia de fosfato desde el ATP a restos de serina o treonina de varias proteínas celulares, alterando su actividad.

Apague de la señal:

1. G _un hidroliza GTP a GDP + P _i ( GTPasa ). La presencia de PIB en G _una causa que rebind a la inhibitoria bg compleja. Adenilato ciclasa ya no está activado. 
2. Las fosfodiesterasas catalizan la hidrólisis de AMPc a AMP.
3. Receptor desensibilización varía con la hormona.
   En algunos casos el activado del receptor está fosforilada a través de una proteína G quinasa del receptor. El receptor fosforilado a continuación, puede unirse a una proteína b -arrestin . b -Arrestinpromueve la eliminación del receptor de la membrana por clathrin- endocitosis mediada. b -Arrestin también puede enlazar un citosólica fosfodiesterasa , con lo que esta enzima cerca de donde se está produciendo cAMP, lo que contribuye a la señal desvío. 
   
   
   
    
4. Fosfatasas de proteínas catalizan la eliminación de la hidrólisis de fosfatos que se une a las proteínas a través de la proteína quinasa A.

La amplificación de la señal es una característica importante de cascadas de señales.  Una molécula de la hormona puede conducir a la formación de muchas moléculas de cAMP.  Cada subunidad catalítica de la proteína quinasa A cataliza la fosforilación de muchas proteínas durante el tiempo de vida de la cAMP.

de G-proteína señal Cascade

Diferentes isoformas de G _una tienen diferentes roles de señal. Por ejemplo: Si bien el estimulador G _s una , cuando se une GTP, activa adenilato ciclasa, un inhibidor G _i una , cuando se une GTP, inhibe la adenilato ciclasa. Diferentes efectores y sus receptores inducen G _i una de intercambiar GDP por GTP que aquellos que activan G _s un (diagrama p. 676).

El complejo de G _{b, g} que se libera cuando G _un GTP se une es en sí mismo un efector que se une y activa o inhibe varias otras proteínas. Por ejemplo, G _{b, g} inhibe una de varias isoformas de la adenilato ciclasa , lo que contribuye a un rápido desvío de señales en las células que expresan esa enzima.

El cólera toxina cataliza modificación covalente del G s una . ADP-ribosa se ​​transfiere de NAD + a un residuo de arginina en el sitio activo de GTPasa G s una . ADP-ribosilación evita la hidrólisis de GTP por G s una . El estimulador -proteína G se activa de forma permanente . Toxina Pertussis (enfermedad de la tos ferina) cataliza la ADP-ribosilación en un residuo de cisteína de G i una , haciendo que el inhibidor G unincapaces de intercambiar GDP por GTP . El inhibidor de la vía está bloqueada . ADP-ribosilación es un mecanismo general por el que se regula la actividad de muchas proteínas, en eucariotas (incluyendo mamíferos), así como en procariotas.

Estructura de las proteínas G:

El sitio de unión de nucleótidos G en un consta de bucles que se extienden hacia fuera desde el borde de un 6-hebra b -hoja . La una subunidad de un inhibidor de la proteína G, un complejo con GTP g S, un análogo no hidrolizable de GTP, se muestra a la derecha. Tres dominios de conmutación se han identificado, que cambian de posición cuando sustitutos GTP para el PIB en G una . Estos dominios incluyen residuos adyacentes al fosfato terminal de GTP y / o el Mg ++ asociado con los dos fosfatos terminales.

La hidrólisis de GTP se produce por ataque nucleófilo de una molécula de agua en el fosfato terminal de GTP. Interruptor de dominio II de G unaincluye una conservada glutamina residuo que ayuda a posicionar la molécula de agua atacante adyacente a GTP en el sitio activo.

El b subunidad de la proteína G heterotrimeric tiene una b -propeller estructura, formada a partir de múltiples repeticiones de una secuencia llamado el WD-repetición . El b -propeller proporciona un soporte estructural estable para los residuos que se unen G una . Es un motivo estructural común para dominios de proteínas implicados en la interacción proteína-proteína.

Formar un equipo con alguien en una computadora adyacente. E Xplore juntos la estructura de un inhibidor G una cota con GTP analógico GTP g S. Mantenga la pantalla en un equipo mientras juntos mostrar G ABG - PIB en el otro equipo. Comparar la posición del interruptor II en G una en los dos casos.

G una con GTP unido gS

G a, b, g , con cota G DP

La familia de proteínas G heterotrimeric incluye también:

• la proteína transducina , que participan en la detección de la luz en la retina.
• G-proteínas implicadas en la detección odorante en las neuronas olfativas.

No es una familia más grande de pequeñas proteínas de unión a GTP de conmutación , relacionadas con G _una , que no serán discutidos aquí. Ellos incluyen (con funciones indicadas):

• factores de iniciación y elongación (síntesis de proteínas)
• Ras (crecimiento cascadas de señales del factor)
• Rab (membrana focalización de vesículas y fusión)
• ARF (formación de capas coatomer vesícula)
• Ran (transporte de proteínas en y fuera del núcleo)
• Rho (regulación del citoesqueleto de actina)

Todas las proteínas de unión a GTP difieren en la conformación dependiendo de si el PIB o el GTP está presente en su lugar de unión de nucleótidos. Generalmente GTP induce la conformación activa.

La mayoría de las proteínas de unión a GTP dependen de proteínas de ayuda : 

GAP s , G Tpase A ctivating P roteins, promover la hidrólisis de GTP. A GAP puede proporcionar un residuo de sitio activo esencial, mientras que la promoción de la correcta colocación del residuo de glutamina del dominio interruptor II. Con frecuencia, un residuo de arginina cargado positivamente de un GAP se inserta en el sitio activo y ayuda a estabilizar el estado de transición mediante la interacción con los átomos de oxígeno cargados negativamente del fosfato terminal de GTP durante la hidrólisis. G una de una proteína heterotrimeric G tiene la capacidad innata para la hidrólisis de GTP. Tiene el residuo de arginina esencial normalmente proporcionado por un BPA para las pequeñas proteínas de unión a GTP. Sin embargo, las proteínas RGS , que son reguladores negativos de la señalización de la proteína G, estimulan la hidrólisis de GTP por G una .

FMAM s , G nucleótidos uanine E Xchange F actores, promover el PIB / intercambio de GTP. 

• Una activado receptor (GPCR) normalmente sirve como GEF para una proteína G heterotrimérica.
• Alternativamente, AGS (Activador de señalización de la proteína G) proteínas pueden activar algunas proteínas G heterotrimeric, independientes de un receptor. Algunas proteínas AGS tienen actividad del FMAM.

Cascadas de señales Fosfatidilinositol:Algunas hormonas activan una cascada de señales basado en los lípidos de la membrana fosfatidilinositol , muestra a la derecha.  La secuencia de eventos sigue (ver también el diagrama p 708.):

1. quinasas catalizan la transferencia secuencial de P i a partir de ATP a grupos hidroxilo en las posiciones 5 y 4 del anillo de inositol del fosfatidilinositol, para producir fosfatidilinositol-4,5-bifosfato ( PIP 2 ).2. PIP 2 se escinde por la fosfolipasa C . Diferentes isoformas de la fosfolipasa C tienen diferentes dominios reguladores, y por lo tanto responden a diferentes señales. Una proteína G designada G q activa una forma de fosfolipasa C. Cuando se activa un GPCR en particular (receptor), los intercambios de GTP por GDP.Entonces G q un -GTP activa la fosfolipasa C . Ca ++ , que se requiere para la actividad de la fosfolipasa C, interactúa con residuos cargados negativamente y con restos de fosfato de la inositol fosforilado en el sitio activo.

3. La escisión de PIP 2 por la fosfolipasa C produce dos segundos mensajeros : inositol-1,4,5-trifosfato ( IP 3 ), y diacilglicerol ( DG ) 4. diacilglicerol , con Ca ++ , activa la proteína quinasa C , que cataliza la fosforilación de varias proteínas celulares, alterando su actividad.

5. IP 3 (inositol-1,4,5-trifosfato) activa Ca ++ canales de liberación en el retículo endoplasmático (ER) membranas.Ca ++ almacenada en el ER se libera al citosol , donde se puede unir a la calmodulina, o puede ayudar a activar la proteína quinasa C.

La animación de la derecha muestra una cascada de dicha señal fosfatidilinositol.

de fosfatidilinositol cascada de señales.

Señal de desvío incluye la eliminación de Ca ++ desde el citosol por la acción del Ca ++ bombas -ATPasa, y la degradación de IP 3 .Sequential desfosforilación de IP 3 (inositol-1,4,5-trifosfato) por rendimientos de hidrólisis catalizada por la enzima inositol , que es un sustrato para la síntesis de fosfatidilinositol.

IP ₃ puede ser en vez fosforilada mediante quinasas específicas, la conversión a IP ₄ , IP ₅ o IP ₆ . Algunos de estos tienen papeles de señal. Por ejemplo, el IP ₄ inositol-1,3,4,5-tetrafosfato en algunas células estimula Ca ⁺⁺ entrada, tal vez mediante la activación de la membrana plasmática de Ca ⁺⁺ canales.

Las quinasas que convierten PI (fosfatidilinositol) a PIP 2 (PI-4,5-bifosfato, véase más arriba) fosfato del ATP a la transferencia de los hidroxilos en las posiciones 4 y 5 del anillo de inositol.  PI 3-quinasas catalizan la fosforilación en lugar de fosfatidilinositol en la posición 3 del anillo de inositol. Por ejemplo, fosfatidilinositol-3-fosfato (PI-3-P) se muestra a la derecha. PI-3-P, PI-3,4-P 2, PI-3,4,5-P 3 , y PI-4,5-P 2 tienen señalización papeles . Cabeza-grupos de estos lípidos transitoriamente formados son ligandos para concreto pleckstrin homología (PH) y FYVE dominios de proteínas que se unen a las proteínas de membrana superficies. Otros dominios de la proteína llamados MARCAStienen carga positiva, y su unión a carga negativa cabeza-grupos de lípidos como PIP 2 es antagonizado por Ca ++ .

La proteína quinasa B (también llamado Akt ) se activa cuando es reclutado desde el citosol a la superficie de la membrana plasmática por la unión a los productos de PI-3 quinasa, tales como PI-3,4,5-P ₃ .Otras quinasas en la superficie citosólica de la membrana plasmática a continuación, catalizan la fosforilación de la proteína quinasa B, la activación de la misma.
El activado proteína quinasa B cataliza la fosforilación de residuos de serina o treonina de muchas proteínas, con diversos efectos sobre el metabolismo, el crecimiento celular y la apoptosis. D ownstream efectos metabólicos de actividad de la proteína quinasa B incluir la estimulación de la síntesis de glucógeno, la estimulación de la glicólisis, y la inhibición de gluconeogénesis.
Señal de la proteína c omplexes : cascadas de señales son a menudo mediadas por grandes " estado sólido asambleas "que pueden incluir receptores, efectores y proteínas reguladoras, unidos entre sí, en parte por las interacciones con especializados proteínas de andamiaje . Proteínas de andamiaje a menudo interactúan también con componentes de membrana, elementos del citoesqueleto, y los adaptadores que median el reclutamiento en las vesículas revestidas de clatrina. Mejoran la eficiencia de la transferencia de señal, facilitan interacciones entre diferentes vías de señales, y el control de la localización de las proteínas de señal dentro de una célula.
Complejos de señal a menudo se asocian con balsas lipídicas dominios de la membrana plasmática. Proteínas de andamiaje así como proteínas de señal pueden ser reclutados desde el citosol a dichos dominios de la membrana, en parte, por la inserción de anclajes lipídicos , o por la interacción de homología pleckstrin u otros dominios de unión a lípidos con cabeza-grupos de transitoriamente formadosderivados de fosfatidilinositol , tales como PIP ₂ o PI-3-P.
AKAP s ( A-quinasa anclaje proteínas ) son andamios proteínas con múltiples dominios que se unen a:

• subunidades reguladoras de proteína quinasa A
• fosforilados derivados de fosfatidilinositol (por ejemplo, PIP ₂ )
• proteínas asociadas a los microtúbulos (enlaces a citoesqueleto)
• varias otras proteínas de señal , tales como receptores acoplados a proteína G (GPCR), otras quinasas tales como proteína quinasa C, proteína fosfatasas, y fosfodiesterasas.

AKAPs localizar cascadas de señales dentro de una célula. Ellos coordinan la activación de las proteínas quinasas, así como un rápido desvío de las señales.