46 Capítulo 4 R eceptores: estructura y función región de unión Van
H-bond región de
región de unión iónica
der Waals
unión
MARIDO
O
grupos de unión
H HAMPSHIRE 2 M e OH NUEVA
O 2 do
Sitio de unión
Receptor
neurotransmisor
FIGURA 4.6
Un receptor hipotética y neurotransmisor.
forma del sitio de unión se altera y un inducido fi cio ha tenido lugar. e ilustración Th que se muestra aquí es un catión simplifi del proceso de t fi inducida y, en realidad, tanto el mensajero y el sitio de unión ocupan conformaciones o formas Erent diff para maximizar las fuerzas de unión entre ellos. Como con la unión enzima-sustrato, hay una Ance fi ne BAL- implicados en la unión receptor-mensajero. Th e Bond- Ing fuerzas deben ser lo suficientemente grande como para cambiar la forma del sitio de unión, pero no tan fuerte que el mensajero es incapaz de salir. La mayoría de los
D e hipotético sitio de unión contiene tres aglutinantes regiones en que
neurotransmisores se unen rápidamente a sus receptores a continuación, 'sacudirse floja' una vez que su mensaje ha sido recibido.
contienen grupos funcionales que son complementarios a los grupos de unión de la ger mensajero. e mensajero fi cios Th en el sitio de unión de tal manera que las interacciones intermoleculares tienen lugar entre grupos de
Ahora hemos visto cómo un mensajero químico puede causar un inducida
unión del mensajero y regiones de unión del receptor de la (Fig. 4.7). Sin embargo, la fi cio no es perfecto. En el diagrama, hay buenas interacciones interacciones
fi cio en el sitio de unión de una proteína receptora. Sin embargo, esto
de van der Waals e hidrógeno de bonos, pero la interacción iónica no es tan
inducidos fi cio tiene una reacción en cadena ef ect que altera la forma global
fuerte como podría ser. región de unión iónica e Th es lo suficientemente
de la proteína. Es este cambio de forma general que es crucial para la
cerca para tener una interacción débil con el ger mensajero, pero no lo
activación de un recep- tor y en su capacidad de desencadenar una increíble
suficientemente cerca para la interacción óptima. por lo tanto, la proteína del
"dominó ef ect ', que aff eja la química interna de la célula. Th es dominó ef
receptor Th e altera la forma de llevar el grupo carboxilato más cerca del
ect implica varias proteínas y enzimas Erent diff, y en última instancia
nitrógeno cargado positivamente positivamente y para obtener una interacción más fuerte.
produce un observada ef ect biológica. E l proceso por el cual esto ocurre se
Como resultado, la
llama transducción de señales y está cubierto con más detalle en el capítulo 5.
electrostáticas. grupos funcionales Th ESE son el mensajero de grupos de unión .
MARIDO O 2iónicas do pueden participar en interacciones de enlace de hidrógeno, y un centro de nitrógeno cargado que puede participar en interacciones o
OH
O
O 2 do
O
NUEVA HAMPSHIRE 2 Y Yo o
NUEVA NUEVAHAMPSHIRE HAMPSHIRE 2 Yo
S.S
S.S
la Fig. 4.6. D e neurotransmisor tiene un anillo aromático que puede participar en interacciones de Van der Waals, un grupo OH del alcohol que Inducido ajuste
Sitio de unión
Sitio de unión
interacciones de unión resultan en un inducida fi t, consideremos un neurotransmisor hipotética y un sitio de unión hipotética como se muestra en receptor de O
FIGURA 4.7
Receptor
La unión de un neurotransmisor hipotético a un sitio de unión que resulta en un inducida fi t. Para ilustrar cómo las
receptores de los canales de iones 47
4.6 receptores de los canales de iones 4.6.1 Principios generales Algunos neurotransmisores neurotransmisores operan mediante el control de los canales de iones. ¿Cuáles son estos canales iónicos y por qué son necesarias? Veamos
Th ERE tres tipos Erent diff (o familias) de los r eceptores de membrana
de nuevo en la estructura de la membrana celular.
de ruedas:
•
receptores de canal iónico;
•
G-receptores acoplados a la proteína;
Como se describe en la sección 1.2.1, l a membrana se compone de una bicapa de moléculas de fosfolípido por lo que el medio de la membrana de la célula es "graso" y hidrófoba. una barrera de este tipo permite culto diffi para las
• receptores quinasa ligada.
moléculas polares o iones se muevan dentro o fuera de la célula. Sin embargo, es importante que estas especies deben cruzar. Por ejemplo, el movimiento de los
Consideraremos cada uno de estos a su vez en secciones
iones de sodio y potasio a través de la membrana es crucial para la función de los
4,6-4,8.
nervios (Apéndice 4). Parece un problema insoluble, pero, una vez más, las proteínas ubicuas proporcionan la respuesta mediante la formación de canales iónicos.
PUNTOS CLAVE
• La mayoría de los receptores son proteínas unidas a la membrana que contienen un sitio de unión externa de las hormonas o neurotransmisores. La unión da como resultado un inducida fi cio que cambia la conformación del receptor. Esto desencadena una serie de
Los canales iónicos son complejos de c ompuestos de cinco subunidades de proteínas que atraviesan la membrana celular (Fig. 4.8). E l centro del complejo es hueca y llena de aminoácidos polares para dar un túnel
acontecimientos que finalmente resulta en un cambio en la química celular.
hidrófilo, o poro. • Neurotransmisores y hormonas no se someten a una reacción cuando se unen a los receptores. Ellos salen del sitio de unión sin cambios una vez que se han transmitido su mensaje.
Los iones pueden atravesar la barrera grasos de la membrana celular moviendo a través de estos canales hidrofílicos o túneles. Pero tiene que haber algún tipo de control. En otras palabras, tiene que haber una "compuerta de esclusa 'que se puede abrir o cerrar según sea necesario. Tiene sentido que esta
• Las interacciones que se unen a un mensajero químico para el sitio de unión deben ser lo
puerta de bloqueo debe ser controlado por una proteína receptor sensible a un
suficientemente fuerte para permitir que el mensaje químico a recibir, pero lo suficientemente
mensajero químico externo, y esto es exactamente lo que sucede. De hecho, la
débil como para permitir que el mensajero a partir.
proteína receptor es una parte integral del complejo de canales de iones y es uno o más de las subunidades de proteínas constituyentes. En el estado de reposo, el canal iónico está cerrado (es decir, la puerta de bloqueo se cierra). Sin embargo,
• grupos de unión son los grupos funcionales presentes en una molécula
cuando un mensajero químico se une al sitio de unión externa de la proteína del mensajera que se utilizan para la unión al sitio de unión del receptor. proceso por el que se activan y desencadenar el proceso de transducción de señales. receptor, se produce un fi t inducida que hace que la proteína de cambiar de
• regiones de unión son las regiones del sitio de unión de receptor que contienen grupos funcionales capaces de formar enlaces intermoleculares a los grupos de unión
forma. Th es, a su vez, hace que el complejo de proteínas en general de cambiar de forma, la apertura de
de una molécula mensajera.
tener un dramático eff ect en la química interna de la célula. En este capítulo, nos centraremos en la estructura de los receptores Erent diff y el hidrófila
túnel
es una característica importante de este proceso, ya que significa que un número relativamente pequeño de moléculas de neurotransmisor puede Membrana celular
FIGURA 4.8
estructura e Th de un canal iónico. D e las líneas de trazo grueso indican las partes hidrófilas de la canal. amplifi señal catión
48 Capítulo 4 R eceptores: estructura y función
Mensajero
canal
canal
unión al
iónico
iónico
receptor
(cerrado)
(abierta)
sitio
Mensajero
ajuste inducido y la apertura del canal de puerta de
iones
bloqueo
Membrana celular
canal de iones
canal de iones
Membrana
Membrana
celular
canal de
celular
Celda
Membrana
canal de
iones
celular
iones
Celda
FIGURA 4.9
mecanismo de bloqueo de puerta para la apertura de los canales iónicos.
la puerta de bloqueo y permitiendo que los iones pasen a través del canal de
misor acetilcolina. La mayor parte del sitio de unión está en el
iones (Fig. 4.9). Veremos esto con más detalle en la sección 4.6.3.
α- subunidad, pero hay cierta participación de subunidades vecinas. En este caso, el complejo canal iónico como un todo podría considerarse como el receptor.
E l funcionamiento de un canal iónico explica por qué el número relativamente pequeño de moléculas de neurotransmisor liberado por una
Concentrémonos Concentrémo nos ahora en las unidades de la proteína individual sub.
neurona es capaz de tener un peralte tales signifi biológica ef ect en la célula
Aunque hay varios tipos de estos, todos ellos se pliegan de una manera
diana. Al abrir unos canales iónicos, varios miles de iones se movilizan para
similar tal que la cadena de proteína atraviesa la membrana celular cuatro
cada molécula de neurotransmisor implicado. Por otra parte, la unión de un
veces. Esto significa que
neurotransmisor a un canal iónico da como resultado una respuesta rápida, medida en cuestión de milisegundos. Th es la razón por la transmisión sináptica de las señales entre las neuronas por lo general implica canales
canal de iones
(un)
iónicos.
Los canales iónicos son específi ca para ciertos iones. Por ejemplo hay
γ
α
β
α
canales iónicos Erent catiónico diff de sodio (Na +), potasio (K +) y calcio (Ca 2+ ) i ones. Th ERE son también canales iónicos aniónicos para el ión
α
α
β
α
cloruro (Cl - ). s electividad e ion Th de los canales iónicos Erent diff depende
β
δ
de los aminoácidos que alinean el canal de iones. Es interesante observar que la mutación de un solo aminoácido en esta área es sufi ciente para
II
yo
cambiar un canal iónico catiónico selectivo a una que es selectiva para aniones.
γ
(segundo) TM4 TM1
4.6.2 Estructura D e cinco subunidades proteicas que forman un canal iónico son en realidad secciones 2.5 y 10.7.1), pero nos referiremos a ellos aquí como proteínas. e subunidades de la proteína Th en un canal iónico no son idénticos. Por ejemplo,
α
TM2
TM3
(glicoproteínas
TM3 TM1
TM4
α
TM2 TM1
TM4 TM3
TM2 TM2
el canal iónico controlado por el receptor colinérgico nicotínico se compone de TM3
cinco subunidades de cuatro tipos Erent diff [ α (× 2)
TM4
TM1
TM2
TM1
TM3
TM4
β, γ, δ]; el canal iónico controlado por el receptor de glicina se compone de
β
cinco subunidades de dos tipos Erent diff [ α (× 3),
δ
β (× 2)] (Fig. 4.10). la proteína del receptor e Th en el canal iónico controlado por la glicina es
entamérica estructura de los FIGURA 4.10 ( un ) p
canales iónicos (vista transversal).
el α- subunidad. ree Th tales subunidades están presentes, todos los cuales
I, canal iónico controlado por un receptor colinérgico nicotínico; II, canal iónico
son capaces de interactuar con glicina. Sin embargo, la situación es un poco
controlado por un receptor de glicina. D e los círculos coloreados indican los sitios de
más compleja en el canal iónico nicotínico controlada por la neurotransmisión
unión a ligando. ( s egundo ) v ista transversal de I, incluidas las regiones transmembrana.
receptores de los canales de iones 49
haciendo que el canal iónico para abrir-un proceso llamado
región de unión del neurotransmisor
gating ( Higo. 4,12).
Th unión de un neurotransmisor a su sitio de unión e provoca un cambio H2N
conformacional en el receptor, que con el tiempo se abre el poro central y
bucle extracelular
permite que los iones de flujo. Th es el cambio conformacional es bastante CO2H
compleja, que afecta a varios knock-on ECTS eff del proceso de ING vinculante inicial. Th es lo que debe ser, ya que el sitio de unión es bastante lejos de la puerta de bloqueo. Los estudios han demostrado que el bloqueo de puerta se compone de cinco doblada α- hélices, donde una hélice (la región 2-TM) es aportado por cada una de las cinco subunidades proteicas. En el estado cerrado
TM1 TM2
TM3
TM4
las torceduras apuntan una hacia la otra. e cambio conformacional Th inducida por causas de unión a ligando de cada uno de estas hélices para girar de
bucle intracelular bucle intracelular Variable
FIGURA 4.11
manera que el retorcimiento señala la otra manera, abriendo así el poro (Fig. 4.13).
Estructura de los cuatro transmembrana (4-TM) subunidad del receptor.
4.6.4 canales iónicos dependientes de voltaje por cada subunidad tiene cuatro regiones transmembrana (TM) que son de naturaleza hidrófoba. ESE Th están etiquetados TM1-TM4. Th ERE es
ligando y
también una larga norte - c adena extracelular terminal que (en el caso de la α- canales iónicos e Th que hemos discutido hasta ahora son llamados subunidad) contiene el sitio de unión a ligando (Fig. 4.11).
canales iónicos activados por ligandoa medida que se controlan por medio
de mensajeros químicos ( ligandos ).T h ERE son otros tipos de canales de iones e subunidades Th están dispuestos de tal manera que la segunda región transmembrana transmembran a de cada subunidad se enfrenta el poro central del canal de iones
que no son controlados por ligandos, sino que son sensibles al potencial rencia diff que existe a través de una membrana celular del Potencial de membrana .
(Fig. 4.10). Veremos el signifi - cado de esto cuando nos fijamos en la siguiente sección.
Th canales iónicos ESE están presentes en los axones de las células capaces excitantes (es decir, neuronas) y se llaman canales iónicos dependientes de voltaje. Th ey son cruciales para la transmisión de una señal a lo largo de las neuronas individuales y son
4.6.3 gating
importantes dianas farmacológicas farmacológicas para los anestésicos locales. Una descripción de estos
Cuando el receptor se une un ligando, que cambie la forma que tiene una
canales iónicos se da en el Apéndice 4.
reacción en cadena ef ect en el complejo de proteínas,
Receptor
Sitio de unión
Mensajero
Celda
Membrana
membrana
celular
Cinco subunidades de proteínas
FIGURA 4.12
Apertura de un canal iónico (gating).
50 Capítulo 4 R eceptores: estructura y función flujo de iones
TM2
TM2
Celda
membrana
TM2
TM2
TM2
TM2
TM2
TM2
vista transversal
vista transversal TM2
TM2
TM2 TM2
Cerrado Abierto
FIGURA 4.13
Apertura de la "puerta de bloqueo 'en un canal iónico.
PUNTOS CLAVE
• Los receptores que controlan los canales de iones son una parte integral del canal de iones. La unión de un mensajero induce un cambio en la forma, lo que resulta en la rápida apertura del canal iónico.
tales como la acetilcolina, la dopamina, la histamina, la serotonina, el glutamato, y la noradrenalina. Otros receptores G acoplados a proteínas se activan mediante péptidos y proteínas hormonas, tales como las encefalinas y endorfinas. G-receptores acoplados a proteínas son proteínas de membrana que son
•
Los receptores que controlan los canales de iones se denominan receptores de los canales
responsables de la activación de las proteínas llamadas
iónicos activados por ligando. Se componen de cinco subunidades de proteínas con estar
Las proteínas G (H igo. 4,14). Th últimas proteínas actúan como ESE
presente en una o más de las subunidades del sitio de unión al receptor.
indicador de proteínasp orque son capaces de activar o desac- tivating enzimas
el
unidas a la membrana (secciones 5.1-5.2). En consecuencia, la activación del
• La unión de un neurotransmisor a un receptor de canal de iones provoca un cambio conformacional en las subunidades de la proteína de tal manera que el segundo
receptor por un mensajero químico infl uye las reacciones que tienen lugar dentro de la célula.
dominio transmembrana de cada subunidad gira para abrir el canal.
la proteína del receptor e Th está incrustado dentro de la membrana, con el sitio de unión para el mensajero químico expuesto en la superficie exterior. En la superficie interna, hay otro sitio de unión que está normalmente normalment e cerrada (Fig.
4.7 receptores G acoplados a proteínas
4.14, el cuadro 1). Cuando el mensajero químico se une a su sitio de unión, la proteína del receptor cambia de forma, abertura hasta el sitio de unión en la
4.7.1 Principios generales
superficie interior. Th es nuevo sitio de unión es reconocida por la proteína G, que a su vez se une (Fig. 4.14, el bastidor 2). Th e la proteína G se une a la
Los receptores G acoplados a proteínas s on algunos de los objetivos de
superficie interior de la membrana celular y se compone de tres subunidades de
medicamentoss más importantes en la química médica. De hecho, alrededor del 30% de medicamento
la proteína, pero una vez que se une al receptor del complejo se desestabiliza y
todos los medicamentos en el mercado actúan mediante la unión a estos receptores.
fragmentos para un monómero y un dímero (Fig. 4.14, marco 3 ). ESE Th luego
En general, se activan por las hormonas y los neurotransmisores de acción lenta. Th ey
interactúan con enzimas de membrana para continuar con la señal de
incluyen la
transmisión proceso de producción (secciones 5.1 a 5.3).
muscarínico receptor ( sección 22.11), los receptores adrenérgicos ( sección
23.2), y receptores opioides ( sección 24.4). Th e respuesta de la proteína G acoplada receptores activados se mide en segundos. Th es es más lenta que la
Th ERE son varios diff Erent proteínas G, que se reconocimos por tipos de
respuesta de los canales iónicos, pero más rápido que la respuesta de los
receptores Erent diff. Algunas de las subunidade subunidadess vada dades de las proteínas
receptores de quinasa vinculada (sección 4.8), que toma una cuestión de minutos.
G que tienen un inhibidor ef ect sobre una enzima unida a la membrana,
Th ERE son un gran número de Erent diff receptores acoplados a la proteína G
mientras que otros tienen un estimulador ef ect. Sin embargo, el mecanismo
interactuar con los neurotransmisores importantes,
por el cual la proteína G se activa por la fragmentación es el mismo.
receptores G acoplados a proteínas 51
2
1
3
Mensajero
Membrana Receptor
mensajero
mensajero
receptor de
receptor de
celular Celda
Sitio de unión
Proteínas G
Celda
Celda
Sitio de unión
(Cerrado)
(abierto)
FIGURA 4.14
La activación de un receptor acoplado a proteína G y G-proteína.
ERE Th es un amplifi cación sustancial de la señal en este proceso, como un receptor activado activa varias proteínas G.
hormona mensajero es en la porción extracelular de la proteína. Th e posición exacta del sitio de unión varía de receptor a receptor. Por ejemplo, el sitio de unión para el receptor adrenérgico está en un bolsillo de unión profunda entre las hélices transmembrana, mientras que el sitio de unión para el receptor de glutamato implica la norte - c adena terminal y está situado
4.7.2 Estructura
por encima de la superficie de la membrana celular.
receptores de Th e G acoplados a proteínas se pliegan dentro de la membrana celular de tal manera que los vientos de la cadena de proteína de ida y vuelta a través de la membrana celular siete veces (Fig. 4.15). Cada una de las secciones de siete transmembrana es hydropho- BIC y de forma helicoidal, y es habitual
4.7.3 La familia rodopsina-como de los receptores G
para asignar estas hélices con números romanos (I, II, etc.) a partir de la
acoplados a proteínas
norte - t erminal de la proteína. Debido al número de regiones
receptores d e G acoplados a proteínas incluyen los receptores para algunos
transmembrana, las proteínas G también se denominan 7-TM
de los mensajeros químicos más conocidos de la química medicinales (por
itio de unión de Th e para la proteína G se encuentra en el receptores .s
ejemplo, ácido glutámico, el GABA, noradrenalina, dopamina, acetilcolina,
lado intracelular de la proteína y comprende parte de la do - c adena
serotonina, prostaglandinas, adenosina, los opioides endógenos, angiotensina,
terminal, así como parte del bucle intracelular variable (llaman así porque
bradiquinina , y trombina). Teniendo en cuenta la variedad estructural de los
la longitud de este bucle varía entre tipos Erent diff de receptor). Como
mensajeros químicos que intervienen, es notable que las estructuras generales
era de esperar, el sitio de unión para el neurotransmisor o
de los receptores de la proteína G acoplada
bucles extracelulares
NUEVA HAMPSHIRE 2
NORTE- t erminal de la
cadena
Membrana
VII
V
IV
III
II
yo
Proteínas G región de
bucle intracelular
unión HO 2 do
VI variable de bucles
DO- t erminal de la
intracelulares
cadena
FIGURA 4.15
Estructura de los receptores acoplados a la proteína G.
=
52 Capítulo 4 R eceptores: estructura y función son tan similares. Sin embargo, a pesar de su estructura general similar, las
son dos tipos de receptores adrenérgicos ( α y β), cada uno de los cuales
secuencias de aminoácidos de los receptores varían significativamente
tiene varios subtipos ( α 1 , α 2A , α 2B , α 2C , β 1 , β 2 , β 3 ).
bastante signifi. Th es implica que estos receptores han evolucionado durante
Th ERE dos tipos de receptor nicotínico colinérgico-(un receptor de canal
millones de años a partir de una proteína ancestral común antigua. La
de iones) y muscarínicos (a tor recepción 7-TM). Cinco subtipos de
comparación de las secuencias de aminoácidos de los receptores nos permite
receptores muscarínicos colinérgicos han sido identifi cado.
construir un árbol evolutivo y al grupo de los receptores de esta superfamilia en varias sub-familias, que se defi ne en la categoría A (receptores de Rho-dopsin
Th e existencia de subtipos de receptores permite la posi- bilidad de diseño de
similares), clase B (secretin- como receptores), y la clase C (receptores de
fármacos que son selectivos para un subtipo de receptor sobre el otro. Th es es
glutamato-como feromona y metabotrópicos). Th e más importante de éstos,
importante, porque un subtipo de receptor puede ser frecuente en una parte del cuerpo
en lo que se refiere a la química medicinal, es la rodopsina-como de la
(por ejemplo el intestino), mientras que un subtipo de receptor Erent diff es equiva-
familia-así llamada porque el receptor primero de esta familia que se estudió
lencia en otra parte (por ejemplo, el corazón). erefore Th, un fármaco que está diseñado
en detalle fue el propio receptor de la rodopsina, un receptor implicado en el
para interactuar selectivamente con el subtipo de receptor en el intestino es menos
proceso visual . Un estudio del árbol evolutivo de los receptores de rodopsina
probable que tenga ECTS eff secundarios sobre el corazón. Incluso si los subtipos de
como vomita algunas observaciones interesantes (Fig. 4.16).
receptores diff Erent están presentes en la misma parte del cuerpo, todavía es importante para que los medicamentos tan selectiva como sea posible porque los subtipos de receptores diff Erent frecuencia activan diff sistemas de señalización, lo que lleva a los resultados biológicos diff Erent Erent.
En primer lugar, el árbol evolutivo ilustra la similitud entre tipos diff Erent de receptores en base a sus posiciones relativas en el árbol. Th nosotros, el muscarínico, α- adrenérgico,
Un estudio más detallado del árbol evolutivo revela algunos datos
β- adrenérgicos, histamina y los receptores de dopamina han evolucionado a
curiosos sobre los orígenes de los subtipos de receptores. Como era de
partir de una rama común del árbol evolutivo y tienen mayor similitud entre sí
esperar, varios subtipos de receptores han divergido de una rama evolutiva
que a ningún receptor de derivados de una rama evolutiva anterior (por
común (por ejemplo, los subtipos de dopamina D2, D3, D4). Th se es
ejemplo la receptor de la angiotensina ). T al similitud receptor puede ser un
conocido como
problema en la química médica. A pesar de que los receptores se distinguen
evolución divergentey debe existir una estrecha similitud estructural entre
por diff Erent neurotransmisores u hormonas en el cuerpo, un medicamento
estos subtipos. Sin embargo, los subtipos de los receptores de también se
no puede llegar a hacer esa distinción. Th erefore, es importante asegurarse
encuentran en ramas separadas del árbol. Por ejemplo, los subtipos de
de que cualquier nuevo fármaco dirigido a un tipo de receptor (por ejemplo,
receptores de dopamina (D1 UN ,
el receptor de dopamina) no interactúa con el mismo tipo de receptor (por
D1 segundo , y D5) han desarrollado a partir de una Erent diff Evolución- rama aria.
ejemplo, el receptor muscarínico).
En otras palabras, la capacidad de un receptor para unirse a la dopamina se ha desarrollado en Erent diff ramas-un ejemplo de la evolución evolución convergente .
Los receptores han evolucionado a continuación para dar los receptores tipos
En consecuencia, puede ser a veces mayores similitudes entre los
y subtipos que reconocen el mismo mensajero químico, pero son estructuralmente Erent diff. Por ejemplo, hay
receptores que se unen ligandos Erent diff, pero que han evolucionado a partir de la misma rama del árbol
Ancestro común
monoaminas muscarínico β
α
Opsinas, rhodopsins
La bradicinina,
endotelinas
taquiquininas
angiotensina, la interleucina-8
tipos de receptores
subtipos de 2
3
4
muscarínico
FIGURA 4.16
15
H1
H2 1
La histamina
2A 2B 2C α- adrenérgico
D4 D3 D2
D1A D1B D5 dopaminérgica
árbol de la evolución de los receptores acoplados a la proteína G.
321 β- adrenérgico
receptores
receptores quinasa vinculada 53 • La ubicación del sitio de unión difiere entre diferentes r eceptores acoplados a
que hay entre los diferentes subtipos de receptores que se unen el mismo
la proteína G.
ligando. Por ejemplo, la histamina H 1 receptor se parece a un receptor muscarínico más estrechamente que lo hace la histamina H 2r eceptor. De
• La familia rodopsina-como de los receptores G acoplados a la proteína incluye muchos
nuevo, esto tiene consecuencias importantes en el diseño de fármacos porque
receptores que son objetivos para los fármacos actualmente importantes.
hay una mayor posibilidad de que un fármaco dirigido a un receptor muscarínico también puede interactuar con un histamina H 1 r eceptor y el plomo a ECTS eff
• tipos de receptores y subtipos de reconocer el mismo mensajero químico, pero
secundarios no deseados.
tienen diferencias estructurales, por lo que es posible el diseño de fármacos que son selectivos para un tipo (o subtipo) de receptor sobre el otro.
Como estos receptores son unidos a la membrana, no es fácil para cristalizar ellos para de rayos X estudios cristalográficos. Sin embargo, las estructuras
• subtipos de receptores pueden surgir de la evolución divergente o convergente.
cristalinas de rayos X de la β 2 y β 1
adrenoceptores ahora se han determinado. • Es posible que algunos G-receptores acoplados a proteínas a existir como estructuras diméricas.
4.7.4 La dimerización de los receptores G acoplados Th ERE es una fuerte evidencia de que algunos receptores acoplados a G pueden existir como estructuras diméricas que contienen tipos Erent idénticos o diff de los receptores-homodímeros o meros heterodi- respectivamente. e Th presencia de
4.8 receptores quinasa vinculada
estos dímeros del receptor parece variar entre los tejidos Erent diff y esto tiene consecuencias importantes para el diseño de fármacos. Un agente que es
4.8.1 Principios generales
selectivo para un tipo de receptor haría aff ect otros tipos no normalmente. Sin embargo, si los heterodímeros de receptores están presentes, una "comunicación"
receptores quinasa vinculada son una superfamilia de receptores que activan
es posible entre los receptores de componente de manera que un agente de
enzimas directamente y no requieren una proteína G (Fig. 4.17). receptores
interacción con una media del dímero puede aff ect la actividad de la otra mitad.
de tirosina quinasas on ejemplos importantes de la quinasa de receptores
Th se se discute más adelante en la sección 24.9 con respecto a los receptores
ligados y están demostrando ser muy importantes para los objetivos de
opioides.
nuevos fármacos anticancerosos (sección 21.6.2). En estas estructuras, la proteína en cuestión juega el doble papel de los receptores y enzimas. la proteína del receptor e Th está incrustado dentro de la membrana celular, con parte de su estructura expuesta en la superficie exterior de la célula y parte expuesta en la superficie interior. e superficie exterior Th contiene el sitio de
PUNTOS CLAVE
unión para el mensajero químico y la superficie interna tiene un sitio activo • G-receptores acoplados a proteínas activan el indicador de proteínas llamadas proteínas
que está cerrado en el estado de reposo. Cuando un mensajero químico se
G. La unión de un mensajero da como resultado la apertura de un sitio de unión para la
une al receptor que hace que la proteína de cambiar de forma. Th es
proteína de la señal. Este último se une y fragmentos, con una de las subunidades que
resultado en el sitio activo están abriendo, permitiendo que la proteína de
salen para activar una enzima unida a la membrana.
actuar como una enzima dentro de la célula. reacción e Th que está catalizada es una reacción de fosforilación en residuos de tirosina en
• Los receptores G acoplados a proteínas son proteínas de membrana con siete secciones transmembrana. los do - c adena de terminal se encuentra dentro de la célula y el
norte - c adena
terminal es extracelular.
1
2
3
Mensajero
Mensajero
Membrana
Receptor
celular
Celda
Membrana celular
sitio activo
Mensajero
Membrana celular
Receptor
Celda
Sitio activo
(cerrado)
Membrana celular
(abierto)
FIGURA 4.17
activación de la enzima.
Membrana celular
Receptor
Celda
AB
Membrana celular
54 Capítulo 4 R eceptores: estructura y función un sustrato de proteínas son fosforilados. Una enzima que cataliza reacciones
zación ,a sí como la activación de la actividad enzimática. proceso e
de fosforilación se conoce como una enzima quinasa y por lo que la proteína
dimerización Th es importante porque el sitio activo en cada mitad del
se conoce como un receptor de tirosina quinasa. ATP se requiere como
dímero receptor cataliza la fosforilación de residuos de ti rosina accesibles
cofactor para proporcionar el grupo fosfato es necesario. Th e sitio activo
en el otro medio (Fig. 4.19). Si no se produce la dimerización, sin la
permanece abierta durante el tiempo que la molécula mensajera está unido al
fosforilación se llevaría a cabo. Tenga en cuenta que estas fosforil aciones
receptor, y por lo tanto puede ocurrir varias reacciones de fosforilación, lo que
se producen en la porción intracelular de la cadena de la proteína del
resulta en un amplifi cación de la señal. Una curiosidad de esta reacción
receptor. D e importancia de estas reacciones de fosforil ación se explica en
catalizada por enzimas es que el sustrato para la reacción es el propio
la sección 5.4.1. Th e punto importante a alcanzar en esta etapa es que un
receptor. Th se explica con más detalle en la sección 4.8.3.
mensajero químico externo ha logrado transmitir el mensaje al interior de la célula sin que ella misma sean alteradas o tener que entrar en la célula.
receptores de Th e quinasa ligada se activan por un gran número de
Dimerización y autofosforilación se com- temas comunes para los
hormonas polipeptídicas, factores de crecimiento y citoquinas. La pérdida de función de estos receptores puede dar lugar a defectos de desarrollo o
receptores de esta familia. Sin embargo, algunos de los receptores en
resistencia a la hormona. la sobreexpresión puede dar lugar a trastornos del
esta familia ya existen como dímeros o tetrámeros, y sólo requieren la
crecimiento maligno.
unión del ligando. Por ejemplo, el insulinar eceptor es un complejo heterotetrameric (Fig. 4.20).
4.8.2 Estructura de los receptores de tirosina quinasa
Th e estructura básica de un receptor de tirosina quinasa se compone de una
4.8.4 receptores de tirosina quinasa ligada
sola región extracelular (la norte - c adena terminal) que incluye el sitio de
Algunos receptores quinasa unirse a ligandos y dimerizar de forma similar a
unión para el mensajero químico, una sola región hidrófoba que atraviesa la
las descritas anteriormente, pero no tienen actividad catalítica inherente a
membrana como una α- hélice de siete vueltas (solo sufi ciente para
su do - c adena terminal. Sin embargo, una vez que han dimerizado, que
atravesar la membrana), y una do - cadena terminal en el interior de la
pueden unirse y activar una enzima tirosina quinasa del citoplasma. Los hormona
H) receptor es un ejemplo de este tipo de receptor y es membrana de la célula (Fig. 4.18). Los do - r egión terminal contiene el sitio de de crecimiento (G unión catalítica. Los ejemplos de receptores de tirosina quinasa incluyen el
ed clasifi como una tirosina quinasa vinculada receptor (Fig. 4.21).
receptor para insulina,y receptores para diversos citoquinas y factores de crecimiento .
PUNTOS CLAVE
4.8.3 mecanismo de activación de los receptores de tirosina
• quinasa de receptores ligados son receptores que están directamente vinculados a
quinasa
enzimas quinasa. Mensajero resultados de unión en la apertura del sitio quinasa
Un ejemplo específi de un receptor de tirosina quinasa es el receptor para una
activa, lo que permite una reacción catalítica tiene lugar.
hormona llamada factor de crecimiento epidérmico
(EGF). EGF es una ligando bivalenteq ue pueden unirse a dos receptores al
• receptores de tirosina quinasa tienen un sitio de unión extracelular para un mensajero químico y un enzimática intracelular
mismo tiempo. Esto resulta en dimer- receptores
NUEVA HAMPSHIRE 2
de unión a ligando
la membrana de la célula región
región de unión catalítica representación simplificada
CO 2 MARIDO
FIGURA 4.18
Estructura de los receptores de tirosina quinasa.
Los receptores intracelulares 55 EGF
ligando bivalente
La unión del ligando y dimerización
La fosforilación
Celda
membrana PAG
monómeros inactivos
ATP
La activación de la
receptor de EGF
PAG
ADP PPP
PAG
tirosina quinasa
actividad
mecanismo de activación para el receptor del factor de crecimiento epidérmico (EGF).
FIGURA 4.19
Insulina
La fosforilación
Celda
membrana PAG
PAG
PAG
PAG
ATP ADP PAG
PAG
FIGURA 4.20
La unión del ligando y la activación del receptor de la insulina.
GH
Dimerizatio norte
Unión
La activación y p hosphorylati
de quinasa s
en
ATP ADP receptores de GH PAG
PPP
PAG
PAG
quinasas
FIGURA 4.21
La activación del receptor de la hormona de crecimiento (GH).
sitio activo que cataliza la fosforilación de residuos de tirosina en sustratos proteicos.
4.9 Los receptores intracelulares
• la unión a los resultados del receptor del factor de crecimiento epidérmico (EGF)
No todos los receptores están localizados en la membrana celular. Algunos receptores
en la dimerización y la apertura de los sitios activos del ligando. El sitio activo en
se encuentran dentro de la célula y se defi ne como receptores intracelulares. Th ERE
un medio del dímero cataliza la fosforilación de residuos de tirosina presente en el
son cerca de 50 miembros de este grupo y que son particularmente importantes en la
do - cadena terminal de la otra mitad.
regulación de la transcripción de genes directamente. Como resultado, ellos son a menudo en llamada receptores de hormonas nucleares o factores de
• El receptor de insulina es una estructura preformada heterotetrameric que actúa como un receptor de la tirosina quinasa.
• El receptor de la hormona de crecimiento dimeriza sobre la unión a su ligando, a continuación, se une y activa las enzimas de tirosina quinasa del citoplasma.
transcripción nucleares.m ensajeros químicos e Th para estos los receptores
incluyen las hormonas esteroides, hormonas tiroideas, y los retinoides. En todos estos casos, el mensajero tiene que pasar a través de la membrana celular con el fin de llegar a su receptor por lo que tiene que ser de naturaleza hidrófoba. tiempo de respuesta Th e
56 Capítulo 4 R eceptores: estructura y función resultante de la activación de los receptores intracelulares se mide en
proteína llamada co-activador y , finalmente, todo el compleja se une a una
horas o días, y es mucho más lento que los tiempos de respuesta de los
región particular del ADN de la célula. Como hay dos receptores en el
receptores unidos a la membrana.
complejo y dos regiones de unión al ADN, el complejo reconoce dos secuencias idénticas de nucleótidos en el ADN separados por una distancia
e receptores intracelulares Th tienen estructuras generales similares. Th ey consisten de una sola proteína que contiene un sitio de unión al ligando
do - t erminal corta.
Por ejemplo, el dímero de estrógeno ligando-receptor se une a una
secuencia de nucleótidos de 5 '- AGGTCANNNTGACCT-3 '
y una región de unión de ADN cerca del centro (Fig. 4.22). región de unión a DNA e Th contiene nueve residuos de cisteína, ocho de los cuales están implicados en la unión de dos iones de zinc. iones zinc e Th juegan un papel
donde N puede ser cualquier base de ácido nucleico. Dependiendo de la compleja
crucial en la estabilización y la determinación de la conformación de la región
involucrada, la unión del complejo con el ADN, ya sea desencadena o inhibe el
de unión a ADN. Como resultado, los tramos de la proteína en cuestión se
inicio de la transcripción, y ECTS aff la eventual síntesis de una proteína.
denominan zinc dominios dedo. Th e región de unión para cada receptor puede identificar secuencias de nucleótidos particulares en el ADN de ADN. Por ejemplo, los dominios de zinc dedo de la estrógenos recep- tor reconocer
4.10 La regulación de la actividad del receptor
la secuencia 5 '- AGGTCA-3 ', en la que A, G,
E l papel de los sitios de unión alostéricos en la regulación de la actividad C, y T son adenina, guanina, citosina y timina. E l mecanismo por el cual los
de las enzimas se trata en la sección 3.6. sitios de unión alostéricos
receptores intracelulares trabajo también es muy similar (Fig. 4.23). Una
también juegan un papel en la regulación o modulación de la actividad de
vez que el mensajero químico (ligando) ha cruzado la membrana celular,
diversos receptores. ESE Th incluyen canales iónicos activados por
que busca a su receptor y se une a ella en el sitio de unión del ligando. Un
ligando, como la nicotínico y la γ- receptores aminobutírico, y varios
inducida fi cio se lleva a cabo lo que hace que el receptor de cambiar de
receptores G acoplados a proteínas, tales como los receptores
forma. Th es, a su vez, conduce a una dimerización del complejo
muscarínicos, de adenosina, y la dopamina. Las estructuras que
ligando-receptor. D e dímero se une a una
interactúan con estos sitios se llaman res moduladores alostéricos y puede aumentar o disminuir la ef ect del mensajero químico en el receptor (secciones 8.2.7 y 8.3.2).
CO 2 MARIDO
región de unión de
4.11 polimorfismo genético y
esteroides
receptores ADN vinculante región (
polimorfismo genético se discute en la sección 3.5.6 con respecto a las
"dedos de zinc ')
enzimas. El polimorfismo también es responsable de los receptores que tienen cias diff sutiles en la estructura y la actividad entre los individuos. En algunos
MARIDO 2 n orte
casos, esto puede conducir a enfermedades como el cáncer (sección 21.1.3). FIGURA 4.22
Estructura de los receptores intracelulares.
Co-activador de la proteína
Receptor
ADN Mensajero complejo
dímero
receptor-ligando Membrana celular FIGURA 4.23
De mensajero para el control de la transcripción de genes.
Otras lecturas 57 Notas clave
• Los receptores intracelulares se encuentran dentro de la célula y son i mportantes en el
• La unión de un ligando con un intracelulares receptor da como resultado la dimerización y la formación de un complejo de factor de transcripción que se une a una secuencia de nucleótidos fi específica en el ADN.
control de la transcripción.
• Los mensajeros químicos para receptores intracelulares deben ser su fi cientemente hidrófobo para pasar a través de la membrana celular.
PREGUNTAS 1. Explicar la diferencia entre un sitio de unión y una
región de unión.
para la β- los receptores adrenérgicos. La adrenalina no muestra la selectividad y se une igual de bien tanto a la α- y β- adrenérgicos. Sugerir una explicación para estas diferencias en la selectividad.
2. Tenga en cuenta las estructuras de los neurotransmisores que se muestran
en la Fig. 4.3 y sugerir qué tipo de interacciones de unión podrían estar
MARIDOOH
H
OH HN CH 3
NUEVA HAMPSHIRE HO 2
involucrados en ellos la unión a un sitio de unión al receptor. Identificar los posibles aminoácidos en el sitio de unión que podría participar en cada una de estas interacciones de unión.
HO noradrenalina HO
3. Hay dos tipos principales de receptores adrenérgicos: la α y
β- adrenérgicos. Noradrenalina muestra una ligera selectividad para la α- receptor, mientras que la isoprenalina muestra selectividad
CH 3
HO isoprenalina
4. Sugerir por qué las regiones transmembrana de muchos
proteínas unidas a la membrana son α- hélices.
OTRAS LECTURAS Alexander, SPH, Mathie, A., y Peters, JA (2006) Guía de los receptores y
Kobilka, B. y Schertler, GFX (2008) Nueva G-proteincoupled estructuras cristalinas de
canales. British Journal of Pharmacology
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uppl. 3), S1-S126. 147 (S
9-83. Maehle, AH. , Prull, CR., Y Trends in Pharmacological Sciences 29, 7
Bikker, JA, Trumpp-Kallmeyer, S., y Humblet, C. (1998) los receptores acoplados a la proteína G: modelos, mutagénesis, y el diseño de fármacos. Journal of
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Agosto de 52-55. Cohen, P. (2002) - Las proteínas quinasas los objetivos de medicamentos importantes
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Kenakin, T. (2002) E fi cacia a los receptores acoplados a la proteína G.
03-110. Nature Reviews Drug Discovery 1, 1
Zhan-Guo, G. y Jacobson, KA (2006) alosterismo en los receptores de membrana. Drug Discovery 91-202. Today 11, 1
5
Receptores y transducción de señales
En el capítulo 4, discutimos la estructura y función de los receptores. En este
unión de una proteína G al complejo receptor-ligando (Fig. 5.1).
capítulo, se considera lo que sucede una vez que un receptor se ha activado. e
Proteínas G son proteínas de membrana situados en la superficie
interacción Th de un receptor con su mensajero químico es sólo el primer paso en
interna de la membrana celular y se componen de tres subunidades de
una cadena compleja de eventos que implican varias mensajeros secundarios,
la proteína ( α, β, y γ). Los
proteínas y enzimas que en última instancia conduce a un cambio en la química de
α- subunidad tiene un bolsillo de unión que puede unirse nucleótidos guanilo (de
la célula. Th eventos ESE se denominan transducción de señales . P or desgracia,
ahí el nombre de la proteína G) y los que se une
una cuenta completa y detallada de estos procesos podría llenar un libro de texto
guanosina difosfato (GDP) cuando la proteína G está en el estado de reposo. Th
en sí mismo, por lo que el siguiente relato se centra principalmente en los procesos
ERE varios tipos de proteína G (por ejemplo, Gs, Gi / Go, Gq / G 11 ) y varios
de transducción de señal que resultan de l a activación de los receptores acoplados
subtipos de estos. c proteínas G Las especificaciones son reconocidos por los
a la proteína G y receptores quinasa. e vías de transducción de señales Th después
receptores específi cos. Por ejemplo, G s es reconocida por el β- adrenoceptor, pero
de la activación de los receptores G acoplados a la proteína son de particular
no el α- los receptores adrenérgicos. Sin embargo, en todos los casos, la proteína
interés ya que el 30% de todos los medicamentos en el mercado de interactuar con
G actúa como un "corredor relé 'molecular que lleva el mensaje recibido por el
estos tipos de receptores. e vías de transducción de Th para los receptores quinasa
receptor a la siguiente objetivo en la vía de señalización ling.
son también de gran interés, ya que fuera er emocionantes nuevas dianas para nuevos fármacos, en particular en el ámbito de la terapia contra el cáncer anti(sección 21.6.2). La comprensión de las vías y los diversos componentes que intervienen ayuda a identificar dianas farmacológicas adecuadas.
Ahora vamos a examinar lo que ocurre en detalle. En primer lugar, el receptor se une a su neurotransmisor o la hormona (Fig. 5.1, el cuadro 1). Como resultado, el receptor cambia de forma y expone un nuevo sitio de unión en su superficie interior (Fig. 5.1, trama 2). e recién expuesta sitio de unión Th ahora reconoce y se une a c proteína G específi. Tenga en cuenta que la estructura de membrana celular es una estructura de líquido y por lo que es posible para las proteínas diff Erent a 'fl avena' a través de él. Th unión e proceso entre el receptor y la proteína G hace que el último de cambiar de forma, que, a su vez,
5.1 las vías de transducción de señales de los receptores de la proteína G acoplada
cambia la forma del sitio de unión de nucleótidos guanilo. Th es debilita las fuerzas de enlace intermoleculares que sostienen el PIB y el PIB por lo que se libera (Fig. 5.1, marco 3).
receptores G acoplados a proteínas activan una proteína de señalización de llamada una proteína G, que a continuación inicia una cascada de señalización
Sin embargo, el bolsillo de unión no se queda vacío por mucho tiempo, ya
que implica una variedad de enzimas. secuencia de Th e de eventos que
que ahora es la forma correcta de unirse GTP
conducen a la combinación de receptor y ligando (el mensajero químico) para la
( trifosfato de guanosina ).T h erefore, GTP reemplaza PIB (Fig. 5.1, la
activación final de un enzima diana es bastante largo, por lo que deberá buscar en
trama 4).
cada etapa del proceso a su vez.
La unión de GTP resultados en otro cambio conformacional en la proteína G (Fig. 5.1, marco 5), que ens debilidad de los vínculos entre las subunidades de la proteína de manera que la
5.1.1 La interacción del complejo receptor-ligando con proteínas G
primera etapa d e fi en el proceso es la unión del mensajero Chemical o ligando al receptor, seguido de la
α- subunidad (con su GTP unido) se separa del β y γ- subunidades (Fig. 5.1, bastidor 6). Ambos α- subunidad y la βγ- dímero luego parten del receptor. complejo receptor-ligando e Th es capaz de activar va- proteínas G rias de esta manera antes de que salga el ligando y
las vías de transducción de señales de los receptores de la proteína G acoplada 59
1
neurotransmisor
2
3
la célula PIB
Receptor
receptores
γ
receptores
γ
β
α
γ
β
β
α
α
Proteína G Sitio de unión
= Membrana de
PIB
4
5
6
Receptor
receptor de los
γ
GTP
receptor de los
γ
β
β
γ
α
β
α
α
βγ- dímero
FIGURA 5.1
α- subunidad
La activación de los receptores G acoplados a la proteína y su interacción con las proteínas G.
7-TM receptores α- subunidad
α- subunidad Las proteínas G
-
α o- s ubunidad
+
α yo- subunidad
+Oα s- subunidad
α q- s ubunidad
α yo- s ubunidad
GMPc fosfodiesterasa
+O-
+OLa adenilato
los canales de
California 2+
Los canales iónicos
K + Ion
fosfolipasa C
ciclasa
acampar
PKA
FIGURA 5.2
IP 3
TROZO DE CUERO
PKC
Ca ++
Señalización de vías que surgen de la división de Erent diff proteínas G.
apaga el receptor. Th es conduce a un amplifi cación de la señal.
Sin embargo, las etapas posteriores dependen del tipo de G-proteína está implicada, y que específi co α- subunidad se forma (Fig. 5.2). Erent Dif α- subunidade
Ambos α- subunidad y la βγ- dímero ahora están listos para entrar en la
hay por lo menos 20 de ellos-tienen objetivos Erent diff diff y Erent ECTS
segunda etapa del mecanismo de señalización. Vamos a considerar primero lo
Ef:
que ocurre con el α- subunidad.
• α s e stimula la adenilato ciclasa; • α yo i nhibe la adenilato ciclasa y también puede activar los canales iónicos
5.1.2 las vías de transducción de señal que implican la αα-s ubunidad
de potasio;
• α o a ctiva los receptores que inhiben los canales iónicos de calcio neuronales;
Th e primera etapa de la transducción de señales (es decir, la división de una proteína G) es común a todos los receptores 7-TM.
• α q a ctiva la fosfolipasa C.
apítulo 5 R 60C eceptores y transducción de señales
No tenemos el espacio para estudiar todas estas vías en detalle. En su lugar, nos centraremos en dos la activación de adenilato ciclasa y la activación de lipasa fosfo-C .
recombina con el βγ- dímero de reformar el G s -p roteínas, mientras que la enzima vuelve a su conformación inactiva.
5.2.2 La activación de la proteína quinasa A
cAMP ahora procede a activar una enzima llamada pro- proteína quinasa A (PKA) (Fig. 5.5). PKA pertenece a un grupo de enzimas
5.2 La transducción de señales que implica
llamadas la serina-treonina quinasasq ue catalizan la fosforilación de serina y treonina residuos en sustratos de proteína (Fig. 5.6).
proteínas G y adenilato ciclasa
La proteína quinasa A cataliza la fosforilación y la activación de otras
5.2.1 La activación de la adenilato ciclasa por la α s - subunidad
enzimas con funciones específi c a la célula u órgano particular en cuestión, por ejemplo las enzimas de lipasa en las células grasas son
Los α s - s ubunidad se une a una membrana determinada enzima llamada adenilato ciclasa (o la adenilciclasa) y 'interruptores' it en (Fig.
activados para catalizar la descomposición de la grasa. e sitio activo Th de
5.3). Th es ahora enzima cataliza la síntesis de una molécula llamada AMP cíclico (cAMP) (Fig. 5.4). cAMP es un ejemplo de una ger
proteína Strate sub- que ha de ser fosforilada, así como la ATP tor cofactor
una proteína quinasa tiene que ser capaz de unirse a la región de la que proporciona el grupo fosfato es necesario.
mensajero secundarioq ue se mueve en el citoplasma de la célula y
lleva la señal de la membrana celular en la célula misma. enzima e Th continuará siendo activo mientras el α s -
ERE Th puede ser de varios más enzimas implicadas en la ruta de señalización entre la activación de la PKA y la activación (o desactivación) de la enzima diana. Por ejemplo, las enzimas implicadas en la degradación y la
subunidad se une, lo que resulta en la síntesis de varios cientos de
síntesis de glucógeno en una célula del hígado están regulados como se
moléculas que representan AMP cíclico otro amplifi cación sustancial de la señal. sin embargo, el α s -
muestra en la Fig. 5.7. La adrenalinae s la hormona inicial involucrados en el proceso Regla- mento
subunidad tiene actividad GTP-asa intrínseca (es decir, puede catalizar la hidrólisis de GTP unido a su PIB) y por lo que desac- tivates sí er popa de un
de y se libera cuando el cuerpo requiere energía inmediata en forma de glucosa
cierto período de tiempo y vuelve al estado de reposo. Los α s - s ubunidad
. la hormona del Th e inicia una señal en el β- los receptores adrenérgicos q ue
continuación, se aparta la enzima y
conduce a la
= GTP
= GTP
1
Membrana celular
4
Membrana celular
La adenilato ciclasa
α
= PIB
3
Membrana celular
La adenilato ciclasa
α
= PIB
2
Membrana celular
La adenilato ciclasa
α
La adenilato ciclasa
α
sitio activo
sitio activo
(cerrado)
FIGURA 5.3
ATP
acampar
Fosfato
ATP
Interacción de α s - subunidad con la adenilato ciclasa y la activación de la enzima.
NH 2
NH 2
norte
OOPO ATP
norte
NN
norte
OPO OO
(cerrado)
acampar
O
La adenilato ciclasa
NN
norte
O
OO
O El AMP cíclico
OH HOPO
correosOHO
OH
O
FIGURA 5.4
Síntesis de AMP cíclico.
OPO
+
OH
OOPO
La transducción de señales que implica proteínas G y adenilato ciclasa 61
O HN
La proteína
HN
quinasa A
Membrana celular
La adenilato
α
O
H
ATP
ciclasa OH ATP cAMP
OH correos
serina
OH OH
Activación
O
O La proteína
HN PAG
(activo) de la
Enzyme
HN
quinasa A
proteína quinasa A
ATP
Enzyme
MARIDO 3 do
OH H
MARIDO 3 do
OH
(inactivo) correos
treonina
OH OH
Reacción química FIGURA 5.6 FIGURA 5.5
La fosforilación de serina y treonina residuos en los sustratos de proteína.
La activación de la proteína quinasa A por AMP cíclico
( P =f osfato).
La adrenalina α s α s
La adenilato
β- los receptores adrenérgicos
ciclasa ATP
La glucógeno sintasa (activo)
acampar
La proteína quinasa A
Inhibidor
do
(inactivo)
subunidad catalítica de PKA
P Inhibidor (activo)
El glucógeno synthase- P (inactivo)
La fosforilasa quinasa (inactivo)
Fosforilasa quinasa P (activo)
fosforilasa segundo (inactivo)
fosforilasa un (activo)
El glucógeno
FIGURA 5.7
Fosfatasa (inhibido)
La regulación de la síntesis de glucógeno y el metabolismo en una célula de hígado.
La glucosa-1-fosfato
apítulo 5 R 62C eceptores y transducción de señales
síntesis de cAMP y la activación de PKA por el mecanismo ya discutidos. Th e subunidad catalítica de PKA fosforila ahora tres enzimas dentro de la célula, como sigue:
• una enzima llamada fosforilasa quinasas e fosfo rylated y activado. Th es la enzima a continuación, cataliza la fosforilación de una enzima inactiva llamada phorylase fosfato segundo q ue se convierte en su forma activa, hora cataliza la degradación del fosforilasa un .f osforilasa un A glucógeno escindiendo unidades Phate glucosa-1-fosfato; • la glucógeno sintasa es fosforilado a una forma inactiva, evitando así la síntesis de glucógeno; • una molécula llamada
s fosforilado. Una vez inhibidor de la fosforilasae
que activa un G
roteína. Por ejemplo, yo -p
noradrenalina interactúa con el β-
los receptores adrenérgicos p ara activar un G s -p roteína, mientras acetilcolina
interactúa con el receptor muscarínico para activar un G
roteína. yo -p
Como hay varios tipos Erent diff de receptor para un neurotransmisor particular, es realmente posible para que neurotransmisor para activar cAMP en un tipo de célula pero inhibe en otro. Por ejemplo, noradrenalina interactúa con el β- adrenoceptor para activar la adenilato ade- nylate porque el β- adrenoceptor une el G s - proteína. Sin embargo, la noradrenalina interactúa con el α 2 - adrenoceptor para inhibir la adenilato ciclasa, porque este receptor se une el G yo - proteína. Th es ejemplo ilustra que es el receptor que determina que la proteína G se activa y no el neurotransmisor u hormona, También vale la pena señalar que las enzimas tales como la adenilato
fosforilada, actúa como un inhibidor para la fosfatasal a enzima
responsable de la conversión de fosforilasa un d e nuevo a la fosforilasa segundo ciclasa y las quinasas nunca son completamente activos o inactivos. En un .T h e curso de la vida de la fosforilasa un e s por lo tanto prolongado.
momento dado, una cierta proporción de estas enzimas están activas y el papel de la G s- y G
resultado global e Th de estas fosforilaciones Erent diff es una inhibición de la
yo -
proteínas es para aumentar o disminuir esa proporción. En otras palabras, el control se clasifica en lugar de todo o nada.
síntesis de glucógeno coordinada y mejora del metabolismo del glucógeno para generar glucosa en las células hepáticas. Tenga en cuenta que el eff ect de adrenalina en otros tipos de célula puede ser bastante Erent diff. Por ejemplo, la adrenalina activa β- adrenoceptores en las células de grasa que conduce a la activación de las proteínas quinasas, como antes. Th es el tiempo, sin embargo, la
5.2.4 Generalidades de la cascada de señalización que implica AMP cíclico
fosforilación activa lipasa enzimas que catalizan entonces la descomposición de
Th cascada que implica la G de señalización e
roteínas, s -p
AMPc y PKA
la grasa para actuar como otra fuente de glucosa.
parece muy complejo y puede que se pregunte si un proceso de señalización más simple sería más efi - ciente. Th ERE varios puntos dignos de mención sobre el proceso tal y como está.
5.2.3 el G yo-p roteína
• En primer lugar, la acción de la proteína G y la generación de un
Hemos visto cómo la enzima adenilato ciclasa se activa con el α s - s ubunidad de la G s -p roteína. La adenilato ciclasa también puede ser inhibida por un Erent diff proteína G G yo- p roteína. N d e yo - p roteína interactúa con los receptores Erent diff de aquellos que interactúan con el G s - proteína, pero el mecanismo que conduce a la inhibición es la misma que conduce a la activación. D e rencia única diff es que la
mensajero secundario explica cómo un mensaje entregado a la parte exterior de la superficie de la célula puede ser transmitida a las enzimas dentro de la célula-enzimas que no tienen relación directa con la célula membrana o el receptor. Tal proceso de señalización evita las di fi cias involucradas en una molécula mensajera (que es habitualmente hidrófilo) que tienen que cruzar una membrana celular hidrofóbica.
α yo - l anzado subunidad se une a la adenilato ciclasa y bidores su la
• En segundo lugar, el proceso implica un "relé Run- ner 'molecular (la
enzima en lugar de la activa. Los receptores que se unen G
yo - proteínas
incluyen la mus- carinic M 2 receptor proteína G) y varias enzimas diferentes en la cascada de señalización.
del músculo cardíaco, α 2 - adrenoceptores
En cada una de estas etapas, la acción de una proteína o enzima
en el músculo liso, y receptores opioidese n el sistema nervioso
resultados en la activación de un número mucho mayor de enzimas. Por
central.
lo tanto, el efecto de un neurotransmisor interactuar con una molécula
E l existencia de G yo- y G s - proteínas significa que la generación de la cAMP mensajero secundario está bajo el control dual de un freno y un acelerador, lo que explica el proceso por el cual dos neurotransmisores Erent diff pueden tener opuestos ECTS eff en una célula diana. Un neurotransmisor que estimula la producción de cAMP forma un complejo receptor-ligando que activa un G s -
de receptor resulta en un efecto final de varios factores más grande que
proteínas, mientras que un neurotransmisor que inhibe la producción de cAMP forma un complejo receptor-ligando
uno podría esperar. Por ejemplo, cada molécula de adrenalina se piensa para generar 100 moléculas de AMPc y cada molécula cAMP comienza a buscar un efecto de amplificación de su propia dentro de la célula.
• Th irdly, hay una ventaja en tener el receptor, la proteína G, y la adenilato ciclasa como entidades separadas.
La transducción de señales que implica proteínas G y adenilato ciclasa 63 D e la proteína G puede unirse a varios tipos de diferencias Erent de
de receptor. En realidad, la célula está recibiendo señales de una miríada de
complejos ligando-receptor. Th es un medio que DIFF neurotransmisores y
mensajeros químicos Erent diff a través de varios los receptores y las
hormonas ent ER- que interactúan con los receptores Erent diff puede
interacciones receptor-ligando. señal nal e fi Th depende del número y tipo de
cambiar en la misma proteína G conduce a la activación de la guanilato
proteínas G activadas en cualquier momento, así como las diversas vías de
ciclasa. Th erefore, hay una economía de organización involucrada en la
transducción de señales que estas proteínas inician.
química de la señalización celular, como la vía de señalización de la adenilato ciclasa se puede utilizar en muchas células diff Erent y sin embargo, responden a las señales Erent diff. Por otra parte, diff ER- ent ECTS eff celulares se traducirá en función del tipo de célula implicada (es decir, células
5.2.6 La fosforilación
en los tejidos Erent diff tendrá rentes tipos de receptores y subtipos ferente, y
Como hemos visto anteriormente, la fosforilación es una reacción clave en la
el sistema de señalización se encenderá enzimas diana Erent diff). Por
activación o desactivación de las enzimas. La fosforilación requiere ATP
ejemplo, glucagónG activa , adrenalinaG activa
s -r eceptores
inculado s -v
unidos en el hígado que conduce a gluconeogénesis como fuente para el grupo fosfato y se produce en el grupo fenólico de los
β 2 - a drenoceptores en las células grasas que residuos de tirosina cuando catalizada por tirosina quinasas,y en los
conducen a lipol- analysis , y vasopresinai nteractúa con G
s -v inculada
grupos de alcohol de los r esiduos de serina y treonina cuando catalizada por
vasopresina (V 2 )r eceptores en el riñón a aff ect sodio / reabsorción de agua.
serina-treonina quinasas .T h ESE grupos funcionales son capaces de
La adrenalina actúa sobre G E / S - v inculado α 2 -
participar en ing Bond- hidrógeno, pero si se añade un grupo fosfato voluminoso para el grupo OH, se interrumpe el enlace de hidrógeno. Además, el grupo fosfato es por lo general ionizado a pH fisiológico y por lo tanto la fosforilación introduce dos oxígenos cargados negativamente. Th
adrenoceptores que conducen a la contracción del músculo liso y CLE acetilcolina grupos ESE cargadas ahora pueden formar fuertes enlaces iónicos con un actúa sobre G
E / S - vinculada
grupo cargado positivamente adecuadamente posicionado en la proteína que
M 2 receptores que conduce a la relajación del
músculo del corazón. Todos estos ECTS eff están mediados por la vía de
causan la enzima para cambiar su estructura terciaria. Th es el cambio en
señalización cAMP.
los resultados de forma en la exposición o el cierre del sitio activo (Fig. 5.8).
• Por último, el control dual de "freno / acelerador 'proporcionada por el G s - y G
yo - proteínas
de control permite definir la actividad de la adenilato ylate aden-.
La fosforilación por las enzimas quinasa también es responsable de la desensibili de los receptores de G-proteína ligada. La fosforilación de residuos de
5.2.5 El papel de la βγ- dímero
serina y treonina se produce en el intracelular do - c adena terminal de popa
Si usted ha logrado seguir la complejidad de la vía de señalización de la
er ligando de unión prolongada. A medida que la do - c adena terminal está
proteína G hasta ahora, bien hecho. Por desgracia, hay más! Usted puede
implicado en G-proteína de unión, la fosforilación cambia la conformación
recordar que cuando la proteína G se une a un complejo receptor-ligando, se
de la proteína en esa región y evita que la proteína G de unión. Th
rompe para formar una
nosotros, la compleja receptor-ligando ya no es capaz de activar la proteína
α- subunidad y una βγ- dímero. Hasta hace poco, la βγ- dímero fue visto como un
G.
mero anclap ara la α- subunidad para asegurarse de que se mantuvo unido a la superficie interior de la membrana celular. Sin embargo, ahora se ha encontrado que la βγ- dímeros tanto de la G
yo - y
el G
s -L as
proteínas pueden ellos mismos acti-
var o inhibir la adenilato ciclasa. Th ERE son en realidad seis tipos diff ER-tes (o isoenzimas) de la adenilato ciclasa, y la activación o inhibición depende de la
PUNTOS CLAVE
• G-proteínas se componen de tres subunidades de proteínas, con el α- subunidad unida a GDP. Hay varios tipos de G-proteína.
isoenzima implicada. Por otra parte, la adenilato ciclasa no es la única enzima que puede ser controlada por el βγ- dímero. Los βγ- dímero es más promiscuos que la α- subunidades y puede aff ect varios objetivos diff Erent, dando lugar a una variedad de diff Erent ECTS FEP. Th es que suena como una receta para la anarquía. Sin embargo, hay una cierta ventaja en el dímero que tiene un papel de señalización, ya que añade una sutileza extra para el proceso de señalización. Por ejemplo, se ha encontrado que se requieren concentraciones más altas del dímero para dar lugar a cualquier
• unión al receptor-ligando se abre un sitio de unión para la proteína G. En la unión, el PIB se intercambia por GTP, y los fragmentos de la proteína G en una α- subunidad (GTP cojinete) y una βγ- dímero.
• Las proteínas G se unen y se dividió por el tiempo que el mensajero químico se une al receptor, lo que resulta en una fi cación de la señal amplificada.
eff ect en comparación con el α- subunidad. Th erefore, la regulación por los dímeros se hace más importante cuando se activan un mayor número de receptores.
• Un α s - subunidad se une a la adenilato ciclasa y lo activa de manera que cataliza la formación de AMPc a partir de ATP. La reacción continúa durante tanto tiempo como la α s - subunidad se une, lo que representa otra señal de ampli fi cación. Un α inhibe la adenilato ciclasa.
Por ahora debería estar claro que la activación de un proceso lular bración es más complicada que la interacción de un tipo de neurotransmisor interactuar con un tipo
• los α- subunidades finalmente hidrolizan GTP unido al PIB y salen de la adenilato ciclasa. Se combinan con sus respectivos βγ- dímeros para reformar los originales G-proteínas.
yo -
subunid
apítulo 5 R 64C eceptores y transducción de señales
• cAMP actúa como un mensajero secundario dentro de la célula y activa PKA. PKA cataliza la fosforilación de serina y treonina residuos en otras enzimas
5.3 La transducción de señales que implica
que conducen a un efecto biológico determinado por el tipo de célula en
proteínas G y la fosfolipasa C
cuestión.
• La cascada de señalización iniciada por resultados de unión receptor-ligando en señal sustancial ampli fi cación y no requiere que el mensajero químico
5.3.1 efecto de la proteína G de la fosfolipasa C Ciertos receptores se unen G s - o G
original al entrar en la célula.
yo -p roteínas
e iniciar una vía de
señalización que implica la adenilato ciclasa (sección
• La actividad global de la adenilato ciclasa se determina por las proporciones
5.2). Otros receptores 7-TM se unen a la proteína G diff Erent llama GRAMO
pertinentes de G s y G yo- p roteínas que se dividen, lo que, a su vez, depende de
roteína q -p
los tipos de receptores que se hayan activado.
activación o la desactivación de un enzima llamada fosfolipasa unida a la
, que inicia una vía de señalización Erent diff. Th es vía implica la
membrana • los βγ- dímero de proteínas G tiene un papel moderador en la actividad de la
C. Th e primera parte del mecanismo de señalización es la interacción de la
adenilato ciclasa y otras enzimas cuando está presente en concentración
proteína G con un complejo receptor-ligando como se describe anteriormente
relativamente alta.
en la Fig. 5.1. Th es el tiempo, sin embargo, la proteína G es un G
• Las tirosina quinasas son enzimas que fosforilan el grupo fenol de residuos de
lugar de una G s o G
roteínas, yo -p
y por lo que una α
roteína en q- p
ubunidad se libera. q - s
tirosina en sustratos de enzimas. treonina quinasas serina fosforilan los
Dependiendo de la naturaleza de la lanzado α
ubunidad, la fosfolipasa C se q - s
grupos alcohol de serina y treonina en sustratos de enzimas. En ambos casos,
activa o desactiva. Si está activado, la fosfolipasa C cataliza la hidrólisis de difosfato
los resultados de fosforilación en los cambios conformacionales que afectan a
de fosfatidilinositol ( PEPITA 2 )
la actividad de la enzima sustrato.
(Una parte integral de la estructura de la membrana celular) para ge- eRate los •
dos mensajeros secundarios diacilglicerol ( D G) y trifosfato de inositol ( IP Las quinasas están involucradas en la desensibilización de los receptores.
iguras ) (F
NUEVA HAMPSHIRE 3
5.9 y 5.10).
NUEVA HAMPSHIRE 3
NUEVA HAMPSHIRE 3
O O
PAG
OO
O O
O
MARIDO
correos O
O O
O
sitio activo
sitio activo
(cerrado)
(abierto)
FIGURA 5.8
cambios conformacionales en una proteína, inducida por la fosforilación.
= GTP
1
= GTP
Membrana celular
2
= PIB
Membrana celular
3
Membrana celular
DG
α
SOCIEDAD ANÓNIMA
α
2 SOCIEDADPEPITA ANÓNIMA
α
sitio activo
sitio activo (cerrado)
FIGURA 5.9
SOCIEDAD ANÓNIMA
IP 3
Activación de la fosfolipasa C por una α q - s ubunidad.
(cerrado)
3
La transducción de señales que implica proteínas G y la fosfolipasa C sesenta y cinco
OCOR ROCO O PAG
OH
HO
O
SOCIEDAD ANÓNIMA PAG
HO OH
OH
OHO
OCOR
OHO
+
HO
OCOR
HHHP HO
OH
O PAG
HHHP
DG
IP 3
O PAG
PEPITA 2
FIGURA 5.10
La hidrólisis de PIP 2e n inositol trifosfato (IP
5.3.2 Acción del segundo mensajero:
y diacilglicerol (DG) (
3)
P =f osfato).
cataliza la fosforilación de serina y treonina idues resinas de enzimas dentro de la célula. Una vez fosforilada, estas enzimas se activan y catalizan
diacilglicerol
específi c reacciones dentro de la célula. Th ESE inducen ECTS eff como la
Diacilglicerol es una molécula hidrófoba y permanece en la membrana de la
propagación del tumor, infl respuestas inflamatorias, contracción o relajación
célula una vez que se forma (Fig. 5.11). Th ERE, se activa una enzima
del músculo liso, el aumento o disminución de la liberación de
llamada proteína quinasa C ( P KC) que se mueve desde el citoplasma a la
neurotransmisores, el aumento o disminución de la excitabilidad neuronal, y
membrana celular y luego
los receptores de desensitizations.
5.3.3 Acción del segundo mensajero: inositol trifosfato DG
Membrana celular
Inositol trifosfato es una molécula hidrofílica y se mueve en el citoplasma (Fig. 5.12). Th es obra de mensajería mediante la movilización de los iones de calcio
(cerrado) PKC
desde los depósitos de calcio en el retículo endoplásmico. Lo hace mediante la
Citoplasma
unión a un receptor y la apertura de un canal iónico de calcio. Una vez que el
sitio activo
canal iónico está abierto, los iones de calcio fl ood la célula y activar las proteínas quinasas dependientes de calcio que, a su vez, fosforilan y activan las enzimas de células específi c. e iones de calcio liberado Th también se unen a una proteína de unión de calcio llamada calmodulina ,q ue a continuación activa las proteínas quinasas dependientes de Dulin calmo- que fosforilan y activan otras enzimas celulares. El calcio tiene ECTS eff sobre las proteínas contráctiles y canales iónicos, pero no se puede cubrir estas ECTS eff en detalle en este texto. ce Suffi con decir que la liberación de calcio es crucial para una gran variedad de funciones celulares incluyendo el músculo liso y car- contracción muscular diac, la secreción de las glándulas exocrinas, la liberación del transmisor de los nervios, y la liberación de hormonas.
DG
Membrana celular
PKC
Citoplasma Enzyme
Enzyme
(inactivo)
(activo)
Reacción química FIGURA 5.11
La activación de la proteína quinasa C (PKC) por
diacilglicerol (DG).
5.3.4 Re-síntesis de difosfato de fosfatidilinositol
Una vez IP 3y la DG de haber completado sus tareas, que se recombinan para formar el difosfato de fosfatidilinositol (PIP
or 2 ).P
extraño que parezca, que no
pueden ser vinculados directamente y ambas moléculas tienen que someterse a varias metabólica
apítulo 5 R 66C eceptores y transducción de señales
Membrana celular
IP 3 Citoplasma calmodulina las reservas de
calmodulina
California 2+
calcio
California 2+
Activación
Activación La proteína
La proteína
quinasa
quinasa PAG PAG
PÁGINAS
Enzyme
Enzyme
Enzyme
Enzyme
(inactivo)
(activo)
(inactivo)
(activo)
FIGURA 5.12
Reacción
Reacción
química
química
La transducción de señales iniciada por el trifosfato de inositol (IP
pasos antes de volver a la síntesis pueden ocurrir. Por ejemplo, IP 3 se
3) . (P =
f osfato)
5.4 La transducción de señales que implica los
desfosforila en tres pasos a inositol que luego se utiliza como uno de los
receptores de quinasa vinculada
bloques de construcción para la re-síntesis de PIP 2 (H igo. 5,13). Se piensa que sales de litioc ontrolar los síntomas de la enfermedad maníaco depresiva, interfiriendo con la síntesis de este complejo. Th ey lo hacen
5.4.1 La activación de proteínas y enzimas de
mediante la inhibición de la enzima responsable de la desfosforilación final
señalización
que conduce a la inositol monofosfatasa.
Hemos visto en la sección 4.8 que la unión de un mensajero químico a un receptor quinasa ligada activa quinasa activi- dad tal que una reacción de fosforilación se lleva a cabo en el propio receptor. En el caso de una
PUNTOS CLAVE
• GRAMO q -l as proteínas se separaron en una manera similar a G s y G
tirosina quinasa, esto implica la fosforilación de residuos de tirosina. yo -p roteínas.
Continuamos ahora esa historia.
los α q - s ubunidad afecta a la actividad de la fosfolipasa C que cataliza la hidrólisis de PIP 2p ara formar los mensajeros secundarios IP 3y la DG.
Una vez que ha tenido lugar la fosforilación, los grupos de tirosina fosfolípidos y las regiones alrededor de ell os actúan como sitios de unión para diversas
• DG permanece en la membrana celular y activa la PKC, que es una
proteínas o enzimas de señalización. Cada región de la tirosina fosforilada se
serina-treonina quinasa.
puede unir un específi co proteína o enzima de señalización. Algunas de estas
• IP 3e s una molécula polar que se mueve en el citoplasma y moviliza los iones de calcio.
proteínas de señalización o enzimas convierten fosforilada a sí mismos una vez
Este último activan las proteínas quinasas, tanto directamente como a través de la
que se unen y actúan como sitios de unión para las proteínas más aún mas de
unión de calcio calmodulina proteína.
señalización (Fig. 5.14).
• IP 3y la DG se combinan en una serie de medidas para reformar PIP
2.
No toda la puede ser ocupado por las proteínas de señalización de una sola vez de
Las sales de litio se considera que interfieren con este proceso.
modo que el tipo de regiones de unión a fosfotirosina
PhosphataseIP 2 IP 3
fosfatasa
fosfatasa synthasePI CDP-DG PI
Las sales de litio Inhibición FIGURA 5.13
PI-4-P 5-quinasa
PI-4-quinasa
inositol
IP
Re-síntesis de PIP 2 de la propiedad intelectual
C DP-DG = citidina difosfato-diacilglicerol).
3(
PEPITA
PEPITA 2
La transducción de señales que implica los receptores de quinasa vinculada 67
ligando
ligando
ahora se activa y activa una serina-treonina quinasa llamada Raf , iniciando una cascada de quinasa de serina-treonina que fi acabados con la activación de proteína activada por mitógenos (MAP) quinasa . Th es fosforila proteínas y Vates dades
PAG PAG
PAG
PAG
PAG
PAG
PAG PAG
PAG
PAG
PAG
PÁGINAS
PAG
PÁGINAS
llamada factores de transcripción el que entra en el núcleo e iniciar la expresión de genes que resulta en variabilidad respuestas rios, como la división celular. Muchos cánceres pueden surgir de un mal funcionamiento de esta cascada de
PÁGINAS
PÁGINAS
señalización si las quinasas implicadas se activan de forma permanente, a pesar de la ausencia de la señal inicial del receptor. Alternativamente, algunas células
FIGURA 5.14
La unión de proteínas (indicados por círculos oscuros) a los receptores de
cancerosas sobre-expresan quinasas y, como resultado, la célula se convierte en super-sensible a las señales que estimulan el crecimiento y la división. En
quinasa vinculada activados señalización. ( P = f osfato)
consecuencia, la inhibición de los receptores quinasa o la orientación de la vía de señalización está demostrando ser un método importante para el diseño de nuevos fármacos para el tratamiento del cáncer (sección 21.6). 1-TM receptores
Activación Las tirosina quinasa inherente o
guanilato ciclasa
asociado
5.4.2 Las proteínas G pequeñas
Activación Señalización de proteínas
GMPc
Th e proteína señal Ras se describe en la sección 5.4.1 es un ejemplo de una clase de proteínas de señal de llamada pequeñas proteínas G ,a sí llamados
IP3 γ SOCIEDADANÓNIMA
BRECHA
Grb2 demás
quinasa
porque son alrededor de dos tercios del tamaño de las proteínas G que se describen en las secciones 5.1-5.3. Th ERE varias subfamilias de las pequeñas proteínas G (Ras, Rho, Arf, Rab, y Ran) y que puedan ser vistos como algo similar a la α- subunidad de las grandes proteínas G. Como el
DG
IP3
PIP 3
α- subunidades, que son capaces de unirse ya sea PIB en el estado ING resto- o Ca 2+
PKC
FIGURA 5.15
GTP en el estado activado. A diferencia de sus primos más grandes, las pequeñas
Vías de señalización de los receptores 1-TM.
proteínas G no se activan mediante la interacción directa con un receptor, pero se activan aguas abajo de la activación del receptor a través de proteínas intermediarias, que se clasifican como de intercambio de nucleótidos guanina
(factoresG de la señalización que resulta depende de que las proteínas de señalización hacer a dministrar EF). Por ejemplo, la activación de Ras (como se muestra en la Fig.
al unirse a los receptores quinasa disponibles. Th ERE hay espacio en un texto
5.16) requiere la previa intervención de la proteína Grb2 después de la activación
introductorio a considerar lo que hace cada proteína de señalización, pero la
del receptor. Como el α- subunidades, pequeñas proteínas G pueden autocatalyse
mayoría son el punto de partida para la fosforilación (quinasa) CAS- décadas a lo
la hidrólisis del GTP unido para dar GDP unido, lo que resulta en un retorno al
largo de los mismos principios que las cascadas iniciadas por proteínas G (Fig. 5.15)
estado de reposo. Sin embargo, este proceso puede ser acelerado por proteínas
. Algunos factores de crecimiento activan un subtipo C del específi fosfolipasa C ( S OCIEDAD de ayuda conocido como proteínas GTPasa activación ANÓNIMA γ), el cual catal- yses descomposición de fosfolípidos que conduce a la generación de IP 3y la posterior liberación de calcio por el mismo mecanismo como se describe en la sección 5.3.3. Otras proteínas de señalización son '' adaptadores
(Brechas). Th es significa que el nivel de actividad de las pequeñas proteínas G
químicos, que sirven para transferir una de señal desde el receptor a una amplia
se encuentra bajo el control de freno y el acelerador simultánea implica GAP y
variedad de otras proteínas, incluyendo muchos que participan en la división celular
GEF, respectivamente.
y la erentia- diff. Por ejemplo, la acción principal de factores de crecimiento
D e las pequeñas proteínas G son responsables de estimular el crecimiento celular y erentiation diff a través de vías de transducción de señales Erent diff. Muchos cánceres están asociados con defectos en las pequeñas proteínas G, tales como la proteína Ras.
es para estimular la transcripción de genes particulares a través de una
Ras e s el gen que codifica para la proteína Ras y es uno de los genes más
señalización de la quinasa en cascada (Fig. 5.16). Una proteína de señalización
comúnmente mutado en tumores humanos. Th ERE son tres proteínas Ras en
llamada Grb2s e une a un sitio fosforilado c específi del complejo receptor-ligando
células de mamífero: H-, K-, y N-Ras. Las mutaciones que dan como resultado la
y se convierte en sí mismo phosphoryl- ciado. Una proteína de membrana
incapacidad de estas proteínas para autocatalyse puede producirse la hidrólisis del
llamada Ras (c on una molécula unida de PIB )i nteractúa con el complejo
GTP unido. Como resultado, ellos permanecen activados de forma permanente, lo
receptor-ligando señal de proteínas y funciones de una manera similar a una
que lleva, a su vez, con el crecimiento celular y la división permanente (véase
proteína G (es decir, el PIB se pierde y se gana GTP). Ras
también la sección 21.6.1).
apítulo 5 R 68C eceptores y transducción de señales sitio de unión Factor de
al receptor
crecimiento
(1) La unión de PAGhhosphoryla PAG osphoryla ción ción
Dimerizatio norte
el crecimiento de facto r
(2) Conformación cambio
La tirosina quinasa sitio
OH HOOH HO
OH HOOH HO
activo
OH HOOH HO
OH HOOH HO
(inactivo)
OH Grb2
Unión Ras
Ras OP
OP
La unión y la fosforilación de Grb2
Grb2
correos
OPOP
Grb2
correos
OP
OPOP
correos
OP
correos
OPPOPO
PIB
OPPOPO
GTP PIB intercambiado por GTP Ras
Raf (inactivo)
Raf (activo)
(inactivo)
(activo)
MAP quinasa (inactivo) Mek
FIGURA 5.16
Mapa quinasa (activo) Mek
Factor de transcripción
factor de transcripción
(inactivo)
(activo)
La transcripción de genes
Desde el factor de crecimiento para la transcripción de genes. ( P = f osfato)
5.4.3 La activación de la guanilato ciclasa por los receptores quinasa
PUNTOS CLAVE
• Los residuos de tirosina fosforilados en los receptores quinasa activada actúan como sitios de unión para diversas proteínas de señalización y enzimas que se
Algunos receptores quinasa tienen la capacidad de catalizar la formación de GMP cíclico de GTP .T h erefore, ambos son receptores y enzimas (guanilato ciclasa). unida a la membrana del receptor d e / enzima se extiende por la membrana celular y tiene un solo segmento transmembrana. Tiene un sitio de unión al receptor extracelular y un
activan a su vez.
• Las pequeñas proteínas G son de naturaleza similar a las proteínas G, la ligación de GDP en el estado de reposo, y GTP en el estado activado. Son proteínas individuales activadas por factores de intercambio de nucleótidos de guanina.
guanilato ciclasa sitio activo intracelular. Sus ligandos son α -P éptido Natriurético Atrial y péptido natriurético cerebral .
• Algunos receptores de quinasas tienen un sitio activo intracelular capaz de catalizar la formación de GMP cíclico de GTP.
El GMP cíclico aparece para abrir los canales de iones de sodio en el riñón, la promoción de la excreción de sodio.
Otras lecturas 69
PREGUNTAS
HN
O
bolsillo vacío
HN
O
Thr766 MARIDO 2 NOC HN
Gln767
OH
O
NH HN
O MARIDO 3 do
yo
norte
Leu768
MARIDO MARIDO 3 do
MARIDO
O norte
SH
S.S
norte
3 do
1
Met769
6
OPO
NNN
norte
OO
O
POO
correosO
O
O
O S.S MARIDO
OH OH H
interacción enlace de H
bolsillo 'ribosa'
1. Un modelo para el sitio de unión de ATP fue creado para endotelial
6. Una enzima fue producido por ingeniería genética, donde
factor de crecimiento (EGF) quinasa receptor, que muestra cómo se une ATP (véase
varios de los residuos de serina se reemplazaron por residuos de glutamato. La
más arriba). Estructura I es conocida para inhibir la unión de ATP. Sugiero cómo la
enzima mutada era permanentemente activa, mientras que la enzima natural era sólo
estructura que podría unirse.
se activa en presencia de una proteína quinasa de serina-treonina. Dar una explicación.
2. Las pequeñas proteínas G como Ras tienen una propiedad autocatalítico.
¿Qué significa esto y qué consecuencias podría haber (si los hay) se debe perder esa propiedad?
7. Sugerir por qué las tirosina quinasas fosforilan tirosina
residuos en sustratos de proteína, pero no residuos de serina o treonina.
3. farnesil transferasa es una enzima que cataliza la
unión de una cadena hidrófoba larga que la proteína Ras. ¿Qué le parece el propósito de esta cadena es y cuál sería el efecto si la enzima se inhibió?
8. Los anticuerpos se han generado para reconocer el
regiones extracelulares de los receptores de factor de crecimiento. La unión del anticuerpo al receptor debería bloquear el factor de crecimiento de alcanzar su sitio de unión y bloquear su señal. Sin embargo, se ha observado que los anticuerpos a veces
4. Tenga en cuenta las vías de transducción de señales que se muestran en
Higo. 5.16 e identificar dónde señal ampli fi cación se lleva a cabo.
pueden desencadenar la misma señal que el factor de crecimiento. ¿Por qué ocurre esto? Consulte la sección 10.7.2 para ver la estructura de un anticuerpo.
5. La fosfodiesterasa cAMP enzima hidroliza cAMP a
AMPERIO. ¿Qué efecto tendría un inhibidor de esta enzima tener en la producción de glucosa-1-fosfato (Fig. 5.7)?
OTRAS LECTURAS Alexander, S, Mead, A., y Peters, J. (eds) (1998) receptor de consejos y nomenclatura de los canales iónicos. Trends in Pharmacological Sciences 19 ( S uppl. 1), 1-98. Bikker, JA, Trumpp-Kallmeyer, S., y
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Flor, D. (2000) Tratando de aclarar los GPCR. Química en Gran Bretaña N oviembre 25. Foreman, JC y Johansen, T. (eds) (1996) Libro de texto de
RC Press, Boca Raton, FL. George, SR, O'Dowd, BF, y Farmacología del receptor . C Lee, SP (2002) oligomerización del receptor de G-Proteincoupled y su potencial
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el veinticinco del siglo primero? Nature Reviews Drug Discovery 1, 309-315.
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apítulo 5 R 70C eceptores y transducción de señales Neubig, RR y Siderovski, DP (2002) Los reguladores de la señalización de la proteína
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Reviews 81, 1 53-208. Vlahos, CJ, McDowell, SA, y el Secretario, A. (2003) Las
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productos terapéuticos que modulan las redes de quimioquinas. Nature Reviews
Drug Discovery 2, 9 9-113.
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Títulos para la lectura más general, se enumeran en p.763.
Tai, HJ, Grossmann, M., y Ji, I. (1998) receptores acoplados a la pr oteína G. Revista de Química Biológica 273 , 1 7299-
17302, 17979-17982.
Los ácidos nucleicos: estructura y
6
función
En este capítulo se discute la estructura y función de los ácidos nucleicos. La acción
Erent diff. D e cuatro bases posibles son dos purinas (bicíclicos adenina y guanina
del fármaco en los ácidos nucleicos se discute en el capítulo 9 y en otros capítulos
)y dos estructuras de pirimidina más pequeños ( citosina y timina ) (H igo.
en todo el texto. Aunque la mayoría de los fármacos actúan en las estructuras de
6.2).
proteínas, existen varios ejemplos de medicamentos importantes que actúan directamente sobre los ácidos nucleicos. Th ERE dos tipos de ácido nucleico
D e bloques de construcción de nucleósidos se unen entre sí a través de grupos fosfato que unen el 5 '- grupo hidroxilo de una unidad de nucleósido a la 3 'grupo hidroxilo de la siguiente (Fig. 6.3). Con sólo cuatro tipos de bloque de
cido desoxirribonucleico) y RNA (á cido ribonucleico). Primero se DNA (á
construcción disponibles, la estructura primaria del ADN es mucho menos
considera la estructura del ADN.
variada que la estructura primaria de las proteínas. Como resultado, fue pensado durante mucho tiempo que el ADN tenía sólo un papel menor que desempeñar en la bioquímica celular, ya que era difícil ver cómo una molécula tan
6.1 Estructura del DNA
aparentemente simple podría tener algo que ver con los misterios del código genético. solución de e Th a este misterio radica en la estructura secundaria del
Al igual que las proteínas, el ADN tiene una primaria, y ter- estructura terciaria
ADN.
secundaria.
6.1.1 La estructura primaria de DNA
6.1.2 La estructura secundaria de ADN
Th estructura e primaria del ADN es la forma en la que los bloques de
Watson y Crick resolvieron la estructura secundaria del ADN mediante la
construcción de ADN están unidas entre sí. Mientras que las proteínas tienen
construcción de un modelo que fi TTED todos los resultados experimentales
más de 20 bloques de construcción para elegir, el ADN tiene solamente cuatro
conocidos. estructura e Th consiste en dos cadenas de ADN dispuestos juntos
de la nucleósidos desoxiadenosina , desoxiguanosina , desoxicitidina , y desoxitimidina en una doble hélice de diámetro constante (Fig. 6.4). Th e doble hélice tiene un surco mayor y un surco menor, que son de cierta importancia para la acción de varios agentes contra el cáncer que actúan como intercaladores (sección 9.1). (Fig. 6.1). Cada nucleósido se construye a partir de dos com- ponentes-a desoxirribosa
azúcar y una base. e azúcar Th es la misma en todos los cuatro nucleósidos y sólo la base es
O
NUEVA HAMPSHIRE 2
CH 3 NH 2
norte
NN
norte
HO
HN
HN
MARIDO 2 n orte
O
NNO
norte
HO
O HO
HH
HH
OH HH MARIDO
OH HH MARIDO
desoxiadenosina
desoxiguanosina FIGURA 6.1
O
N
O
HO HH
MARIDO OH HH
desoxitimidina
-Nucleósidos los componentes básicos del ADN.
O
NN
O
HH MARIDO OH HH
desoxicitidina
72 Capítulo 6 L os ácidos nucleicos: estructura y función NUEVA HAMPSHIRE 2
7
4
norte
4
NO
HN
56
2
7
1
norte
1 norte
O
NUEVA HAMPSHIRE 2
8
8
56
NUEVA 9 HAMPSHIRE 2 MARIDO 2 n orte
23
NH 9
4
norte
3
3
adenina
guanina
CH 3 HN
5
norte
NH
6
O
5
234
O
1
citosina
6
NUEVA HAMPSHIRE
1
timina
pirimidinas
Las purinas
FIGURA 6.2
e bases de ácido nucleico Th para el ADN.
NUEVA HAMPSHIRE 2
5 'Fin norte
adenina (A) 5
O 1
NUEVA 2 HAMPSHIRE
HHO
3
OHH
Base O
NNN
OO norte
MARIDO
Citosina (C)
O
O
Base
O
norte
O
O O S.S OHH
NH
MARIDO
O guanina (G) Base
OPOO
NNN
O
NUEVA HAMPSHIRE 2
OPOO
O
O HHO Yo
OO
NH
OHH MARIDO
Timina (T) OPO OPO
norte
OPO
O
OPO
O
3
Base O
S.S
O
OHH MARIDO
3 Fin FIGURA 6.3
La unión de los nucleósidos a través de grupos fosfato.
E l estructura se basa fundamentalmente en el emparejamiento de bases de ácidos nucleicos entre las dos cadenas. pares de adenina con timina mediante dos enlaces de hidrógeno, mientras que los pares de guanina con la citosina
fuera de la estructura y puede formar interacciones polares favorables con agua. Th e hecho de que la adenina siempre se une a la timina y la citosina
mediante tres puentes de hidrógeno. Th nosotros, una base de purina bicíclico
siempre se une a la guanina significa que las cadenas son
siempre está vinculada con una base de pirimidina monocíclico más pequeño
complementarias entre sí. Ahora es posible ver cómo replicación ( la
para permitir que el diámetro constante de la doble hélice. Th e doble hélice se
copia de la información genética) es factible. Si la doble hélice se
estabiliza aún más por el hecho de que los pares de bases se apilan una
desenreda, una nueva cadena se puede construir en cada una de las
encima de la otra, lo que permite interacciones hidrófobas entre las caras de los
cadenas originales (Fig. 6.5). En otras palabras, cada una de las cadenas
anillos heterocíclicos. D e polar esqueleto de azúcar-fosfato se coloca a la
originales actúa como una plantilla para la construcción de una nueva e idéntica doble hélice. e Th mecanismo por el cual esto
Estructura del DNA 73
o
10 A GCT UN
C GA TA T
GRAMOdo
surco
CG
mayor
T
O me
ejército de reserva
menor
POO
H2N
ejército de reserva
Surco
UN
TA
correos
NH
OO
deejército reserva
TA GC en C
o
OO
5
34 A
5
norte
norte
3
NN
norte
O
O
O
OP O
3 TA
O
TAG
correos
N NH 2
OO
O O
3
OO
norte NH
norte
5
NNO
HN
O
5
2N
do
O
GRAMO
OPOO
3 Emparejamiento de bases
GGCCG TC TC AA
O
correos
OO
G
ejército de reserva ejército de reserva
ADN de doble hélice FIGURA 6.4
e estructura secundaria Th de ADN.
Modelo Modelo
replicación
ADN de
ADN de doble hélice
hélices de ADN hija
Nueva cadenas de
FIGURA 6.5
La replicación de las cadenas de ADN.
se lleva a cabo se muestra en las figuras 6.6 y 6.7. cadena de plantilla de correo
de nucleótidos se empalma a la creciente cadena complementaria con la
Th tiene bases expuestas que pueden pares de bases por hidro unión con Gen
pérdida de un grupo-difosfato actuando este último como un buen grupo
individuo nucleótidose n forma de trifosfatos. Una vez que un nucleótido tiene
saliente. Tenga en cuenta que el proceso implica cada nuevo nucleótido
bases apareadas, una reacción catalizada por enzimas se lleva a cabo donde el
reaccionar con la 3 ' final de la cadena en crecimiento.
nuevo
74 Capítulo 6 L os ácidos nucleicos: estructura y función
cadena de
5
cadena de plantilla
5
x
plantilla
cadena de plantilla
5
UN
ACTCG
ACTCG
ACTCG
x -
x Trinucleótidas
GC
3
UN
3
GC
3
3
5
GCA
3
3
5
La creciente cadena de
5 cadena en crecimiento
cadena en crecimiento
Enfoque de trinucleótidos FIGURA 6.6
Catalizada por enzimas 'splicing'
Emparejamiento de bases
apareamiento de bases de un trinucleótido y la extensión de la creciente cadena de ADN.
OO
OO
OH
O NH
NND
norte
N
NH
NND
norte
N
O
O
OO O
norte
O
O correos
OH
NUEVA HAMPSHIRE 2
OOPOO
NNO O
OPO
O
MARIDO 2 n orte
O
NUEVA HAMPSHIRE 2O
OOPOO norte
O me
correos
norte
HN
O me
NNO
O
norte
OO
POO
MARIDO 2 n orte
ONN POO
OPOOOPOO
cadena en crecimiento
Modelo
O
HN
ONO
OPOOOPOO
correos OPO
2n orte
OO O
norte
OH
OPO
2n orte
cadena en crecimiento
Modelo
Figura 6.7
Mecanismo por el que un nucleótido está vinculada a la creciente cadena de ADN.
Ahora podemos ver cómo la información genética se transmite de una
agentes antibacterianos (sección 9.2) y a varios agentes cer antican-
generación a otra, pero es menos evidente cómo los códigos de ADN para las
(secciones 9.1 y 9.2). El ADN es una molécula extremadamente larga: tanto
proteínas. ¿Cómo puede sólo cuatro nucleósidos código de tabla de ácidos más de
tiempo, de hecho, que no encajar en el núcleo de la célula si es que existía
20 aminoácidos? e Th respuesta radica en el código de tripletes .E n otras
como una molécula lineal. Tiene que ser enrollado en una forma
palabras, un aminoácido se codifica no por un nucleótido, sino por un conjunto de
tridimensional más compacto que poder f i t en el núcleo, un proceso conocido
tres. Th ERE son 64 (4 3 ) formas en las que cuatro nucleótidos se pueden organizar
como
en grupos de tres, más que suficiente para la tarea requerida. Apéndice 2 muestra
superenrollamiento . Th es proceso requiere la acción de un ily fa- de enzimas
el código genético estándar para los trillizos sos variable. Veremos cómo se
llamadas topoisomerasas , que puede tejer relaciones acto aparentemente
interpreta el código para producir una proteína en la sección 6.2.
imposible de pasar un tramo de la hélice del ADN a través de otro tramo. Th ey hacer esto mediante temporariamente escindir uno, o ambos, hebras de la hélice de ADN para crear un vacío temporal, a continuación, volver a sellar la hebra (s) una vez que el cruce ha tenido lugar. Superenrollamiento permite el
6.1.3 La estructura terciaria de la DNA
almacenamiento efi ciente de ADN, pero el ADN tiene que ser desenrollado de nuevo si la replicación y transcripción (sección
Th e estructura terciaria de ADN es a menudo en descuidado o ignorado, pero es importante para la acción del grupo de las quinolonas de
6.2.2) van a tener lugar. Si desenrollar no tuvo lugar, el
Estructura del DNA 75 proceso de devanado (catalizada por helicasa enzimas) que tiene lugar
resultado en un enlace covalente temporal entre la enzima y el 5 resultante ' final
durante la replicación y la transcripción daría lugar a aumento de la tensión
de cada hebra, estabilizando así el ADN. e hilos Th están tirados en
debido al aumento de superenrollamiento del ADN de doble hélice restante.
direcciones opuestas para formar un hueco a través del cual se puede
Se puede demostrar el principio de esta tirando de los extremos de la cuerda
pasar la región de ADN intacto. E l enzima entonces se vuelve a sellar las
o de sisal. D e mismas enzimas topoisomerasas son responsa- bles para
hebras y se va.
catalizar el proceso de desenrollado, por lo que la inhibición de estas La topoisomerasa Ie s similar a la topoisomerasa II en que alivia la
enzimas podría ef caz bloquear la transcripción y replicación.
tensión torsional del ADN superenrollado du- rante la replicación, transcripción, y la reparación del ADN. Th e rencia diff es que escinde sólo una hebra de ADN, mientras que la topoisomerasa II escinde ambas
topoisomerasa II es una enzima de mamífero que es crucial para la
replicación reflexivo eff de ADN. enzima e Th se une a las partes de ADN en el
cadenas. enzima e Th cataliza un catión transesterifi reversible reacción
que dos regiones de la doble hélice se encuentran en proximidad cercana (Fig.
ción similar a la mostrada en la Fig. 6,9, pero en el que el residuo de
6.8). enzima e Th se une a una de estas dobles hélices de ADN y los residuos
tirosina de la enzima está ligada a la 3 ' final de fosfato de la cadena de
de tirosina se utilizan para nick ambas hebras del ADN (Fig. 6.9). Esta
ADN en lugar de los 5 ' fin. Esta
2
1
Topo II
Tyr
Topo II
ADN
5
Tyr 3 5
3
Tyr Topo II
re N / A
3
4
Topo II
Topo II
Tyr
Tyr 5
3
5
3
3
5
3
5
Tyr Topo II
FIGURA 6.8
Método por el cual la topoisomerasa II cataliza la de cruce de las cadenas de ADN. Tenga en cuenta que los mismos enlaces de enzimas covalentemente a cada hebra de ADN.
Base O
MARIDO
Base MARIDO
HHH
HO
Topo II
Tyr
O Base S.S HOPO
O Base S.S
O5
MARIDO
HO
3
FIGURA 6.9
Tyr
O
O
O5
MARIDO
HHH
OH
Topo II MARIDO
O
HOPO
3 Mecanismo por el que la topoisomerasa II divide una cadena de ADN.
MARIDO
HO
76 Capítulo 6 L os ácidos nucleicos: estructura y función crea un "complejo escindible 'con una pausa de una sola hebra. La relajación de la
tales que los pares de adenina con timina y guanina con citosina pares. El
tensión torsional se lleva a cabo ya sea por permitiendo ing la cadena intacta para
enlace de hidrógeno es responsable de la basepairing y hay interacciones de
pasar a través de la muesca o por la rotación libre de la DNA alrededor de la
van der Waals entre las pilas de bases. polares se producen interacciones
hebra no escindido. Una vez que la tensión torsional se ha aliviado, la enzima se
entre el esqueleto de fosfato de azúcar y el agua circundante.
reincorpora a la hebra de ADN escindido y se va.
• La doble hélice de ADN está enroscada en una estructura terciaria. El bobinado La topoisomerasa IVe s una enzima bacteriana que lleva a cabo el
y desbobinado de la doble hélice requiere enzimas topoisomerasa.
mismo proceso que la enzima de mamífero topo- isomerasa II y es un objetivo importante para los agentes fl uoroqui- nolone antibacterianos (sección 9.2).
• La copia de ADN de una generación a la siguiente es conocido como replicación. Cada hebra de una molécula de ADN matriz actúa como plantilla para una nueva molécula de ADN hija.
6.1.4 cromatinas Hasta ahora, nos hemos centrado en la estructura del ADN. Sin embargo, el ADN no es una macromolécula aislado dentro del núcleo de la célula. Se asocia con una variedad de proteínas, tales como histonas, en una estructura
• El código genético se compone de bases de ácidos nucleicos, que se leen en grupos de tres durante la síntesis de una proteína. Cada triplete de bases códigos para un aminoácido específico.
• Conocer el genoma de un paciente abre la posibilidad de predicción de la enfermedad y
llamada cromatina (Fig. 21.5). e histonas Th y el ADN asociado forman una
la identificación de las mejores terapias para ese individuo. Esto se conoce como la
estructura llamada nucleosoma ,q ue se produce regularmente a lo largo de
medicina personalizada.
la longitud de la cromatina y juega un papel crucial en la regulación de la transcripción del ADN (sección 21.7.3).
6.2 El ácido ribonucleico y la síntesis de proteínas
6.1.5 polimorfismo genético y la medicina personalizada
6.2.1 Estructura del RNA
Th proceso de correo de la replicación no es 100% perfecto y, a ve- ces, se
Th estructura e primario de RNA es la misma que la de ADN, con dos
puede producir una mutación. Si la mutación no ser fatal, que se llevará de
excepciones: ribosa (H igo. 6,10) es el componente de azúcar en lugar
generación en generación. Th es conduce a los individuos Erent diff que
de desoxirribosa , y uracilo
tienen secuencias de genes Erent sutilmente diff. En promedio, hay una
(Fig. 6.10) sustituye a la timina como una de las bases.
refe- diff de un par de bases en cada mil pares de bases entre los individuos. Th se es c onocido como genético polimorfismo.
Apareamiento de bases entre bases de ácido nucleico puede ocurrir en RNA, con emparejamiento adenina en uracilo y citosina en parejas ing a la guanina. Sin embargo, la vinculación se realiza entre las bases dentro de la misma cadena y que
A medida que las bases de ácidos nucleicos actúan como el código de aminoácidos
no se produce en toda la longitud de la molécula (por ejemplo, la Fig. 6.11). Th
de las proteínas, un refe- diff de este nivel da lugar a un ácido amino diff Erent que
erefore, el ARN no es una doble hélice, pero tiene regiones de estructura
se introduce en una proteína, que puede o no puede tener un eff ect sobre la
secundaria helicoidal.
actividad de esa proteína o función ción (secciones 3.5.6 y 4.11). polimorfismo genético tiene consecuencias importantes con respecto a la la susceptibilidad de los
Debido a que la estructura secundaria no es uniforme a lo largo de la longitud
individuos a la enfermedad y también a los tipos de terapias con fármacos que son
de la cadena de ARN, más variedad está permitido en la estructura terciaria del
más adecuados para las personas. Un conocimiento detallado del genoma de un
ARN. Th ERE son tres tipos principales de moléculas de ARN con funciones
paciente abre la posibilidad de predecir y la prevención de enfermedades, así como
celulares diff Erent: men- ARN Senger (m RNA), ARN de transferencia ( tRNA), y
la elección de la terapia de droga ideal para que debe ocurrir una enfermedad del
ARN Somal ribosoma (r RNA). Th ESE tres moléculas son cruciales para el
paciente. Th se es conocido como Medicina personalizada ( v er también secciones
proceso por el cual la síntesis de proteínas se lleva a cabo. Aunque el ADN
15.1.4.4 y 21.1.11).
contiene el código genético para las proteínas, no puede producir estas proteínas directamente. En lugar de ello, el ARN
NH PUNTOS CLAVE
• La estructura primaria del ADN consiste en una cadena principal de fosfato de
O OH HO
azúcar con bases de ácidos nucleicos unidos a cada resto de azúcar. El azúcar es desoxirribosa y las bases son adenina, timina, citosina y guanina.
HN
S.S S.S
O
ribosa
uracilo
• La estructura secundaria de ADN es una doble hélice, donde las bases de los ácidos nucleicos se apilan en el centro y emparejados
O
OH OH
FIGURA 6.10
La ribosa y uracilo.
El ácido ribonucleico y la síntesis de proteínas 77 3 fin Aminoácidos
California
do
5 final
GGUGG
T UH 2
do
GRAMO do
T
UCC
GRAMO
CGC
U do
GRAMO MGU
Georgia
CGG
T GRAMO do
Georgia UH 2 UH
AG
Aminoácidos
California CG
GG GC
GRAMO do
m 2 G RAMO
TU ps
UH 2 ACCA GGAGGCCUC
do
CIG
representación simplificada
GRAMO
CU
T
ps
mi CIG
anticodón FIGURA 6.11
Levadura alanina ARN de transferencia. líneas onduladas Th e indican el apareamiento de bases (IF = methylinosine, UH 2 = d ihidrouridina, T
= ribotimidina, Sal = pseudouridine, Mg = methylguanosine, m 2G = dimethylguanosine).
asume ese papel, que actúa como el "hombre medio" crucial entre el
la síntesis de una proteína-proceso conocido como traducción. Th e ribosoma se
ADN y las proteínas. Th se ha denominado
une a un extremo de la molécula de ARNm, entonces se desplaza a lo largo de ella
e la biología molecular. dogma centrald
hasta el otro extremo, permitiendo que el código triplete para ser leído, y catalizar la
Th e bases adenina, citosina, guanina, uracilo y se encuentran en el
construcción de la molécula de proteína un aminoácido a la vez (Fig. 6.13). Th ERE
ARNm y son predominantes en rRNA y tRNA. Sin embargo, tRNA también
son dos segmentos a los ribosomas de mamíferos, conocido como las subunidades
contiene un número de nucleicos menos comunes ácidos véase, por
60S y 40S. ESE Th se combinan para formar un ribosoma 80S. En las células
ejemplo, Fig. 6.11.
bacterianas, los ribosomas son más pequeños y se componen de subunidades 50S y 30S se combinan para formar un ribosoma 70S. Th términos e 50S, etc se refieren a
6.2.2 Transcripción y traducción Una molécula de ARNm representa una copia de la información genética
las propiedades de sedimentación de las diferentes estructuras. ESE Th se relacionan cualitativamente al tamaño y masa, pero no cuantitativamente, es por eso que una subunidad 60S y 40S una pueden combinar para formar un ribosoma 80S.
requerida para sintetizar una única proteína. Su función es llevar el código requerido fuera del núcleo de un orgánulo celular llamado retículo endoplásmico .
Th es donde está la producción de proteínas tiene lugar en los cuerpos
rRNA es el componente principal de cada subunidad, Making hasta dos
llamados ribosomas .E l segmento de ADN que es cobre IED se llama un
terceras partes de la masa del ribosoma. e 40S Th subu- nit contiene una gran
gen y el proceso en cuestión se llama
molécula de ARNr junto con varias proteínas, mientras que la subunidad 60S
DNA T h dobles desenreda hélice y el tramo que está transcripción . e
contiene tres diff ER- ent ARNr de tamaño; de nuevo, con las proteínas que
expuesta actúa como una plantilla en la que el ARNm puede ser construido
acompañan. D e la estructura secundaria del rRNA incluye amplias extensiones de
(Fig. 6.12). Una vez completado, el ARNm sale del núcleo que buscar a un
apareamiento de bases ( dúplex regiones ), lo que resulta en una estructura
ribosoma, mientras que el ADN vuelve a su forma de doble hélice.
terciaria Ned defi bien. Se pensó en un momento que ARNr sólo jugó un papel estructural y que las proteínas estaban actuando como enzimas para catalizar la
Ribosomal RNA es el más abundante de los tres tipos de RNA y es el componente principal de los ribosomas. Th ESE puede ser visto como los lugares de producción de
traducción. moléculas de ARNr e Th tienen ciertamente un papel estructural fundamental, pero
78 Capítulo 6 L os ácidos nucleicos: estructura y función
ARNm
ARNm
ADN de doble hélice
ADN descifrado para
Transcripción
revelar gen FIGURA 6.12
Formación de mRNA.
Su proteína en crecimiento
Su
GUA
OH
ribosoma
Su
transferencia de péptidos
60S Un sitio
GCU ARNm CGACAUGUC
GCUGUA
GCUGUA
ARNm CGACAUGUC
ARNm CGACAUGUC
40S OH
val
ARNt Su
Su
CAG translocación Un sitio
P-sitio
GUA
GUA ARNm CGACAUGUC GCU
FIGURA 6.13
ARNm CGACAUGUC
La síntesis en la traducción de proteínas.
enfermedades genéticas 79
Ahora se sabe que, en lugar de las proteínas ribosomales, tienen la
leer. Th nueva proteína E se libera entonces del ribosoma, que ya está
importante función catalizadora. De hecho, los sitios clave en el ribosoma,
disponible para iniciar el proceso de nuevo. proceso general e Th de la
donde tiene lugar la traducción se componen casi en su totalidad de ARNr.
transcripción y la traducción se resume en la Fig. 6.15.
e Th proteínas son estructuras alargadas, que serpentean a través tura del ribosoma estructura y se cree que tienen un fi ne-tuning ef ect en el proceso de traducción.
6.2.3 ARN nuclear pequeño
ARN de transferencia es la unidad fundamental adaptador que une el código
Popa er transcripción, moléculas de ARNm son con frecuencia ed modifi
de tripletes de ARNm de un ácido amino c específi. Th se significa que tiene
antes de la traducción se lleva a cabo. Th se trata de una operación de
que ser un tRNA diff Erent para cada aminoácido. Todos los tRNAs son de hoja
empalme, donde la sección media del mRNA (el intrón )S e extraen y los
de trébol en forma, con dos regiones de unión diferentes en los extremos
extremos de la molécula de ARNm (el exones ) se empalman juntos (Fig.
opuestos de la molécula (ver Fig. 6.11). Una región de unión es para el
6.16).
aminoácido, en donde un ácido c amino específi está unido covalentemente a
Splicing requiere la ayuda de un complejo de ARN-proteína llamada spliceosoma
un residuo adenosil terminal. E l otro es un conjunto de tres bases de los ácidos
.L as moléculas de ARN e Th participan en este complejo se denominan
nucleicos ( anticodón ) que aparearse con un triplete complementario en la
ARN nucleares (s nARNs). Como su nombre indica, estos son pequeñas moléculas
molécula de ARNm. A tRNA que tiene un anticodón particular, siempre tendrá el
de ARN con menos de 300 nucleótidos que se producen en el núcleo de la célula. Th
mismo aminoácido unido a él.
función de correo de los snARNs en el spliceosome es aparearse con segmentos
pequeños
particulares de ARNm de tal manera que el ARNm puede ser manipulado y se alinea correctamente para el proceso de empalme. Los sitios de empalme son reconocidos
Veamos ahora la forma en que la traducción tiene lugar en más detalle.
por sus secuencias de nucleótidos, pero, en ocasiones, una mutación en el ADN
Como rRNA viaja a lo largo de ARNm, que revela los códigos de triplete en
puede introducir un nuevo sitio de empalme en otro lugar de ARNm. Th es resultados
mRNA uno por uno. Por ejemplo, en la Fig. 6.13 el código CAU triplete se
en el empalme defectuoso, un ARNm alterado y una proteína defectuosa. Alrededor
revela junto con un sitio de unión asociado llamado un sitio. Th e A representa
del 15% de las enfermedades genéticas se piensa que es debido a mutaciones que
aminoacilo y se refiere al aminoácido unido en el tRNA entrante. Cualquier
resultan en el empalme defectuoso.
molécula de ARNt puede entrar en este sitio, pero se acepta sólo si tiene el anticodón necesaria capaz de apareamiento de bases con el triplete expuesta en el ARNm. En este caso, tRNA que tiene el anticodón GUA es aceptada y trae consigo el aminoácido histidina. cadena de correo péptido Th que se ha creado hasta ahora se une a una molécula de ARNt que se une al sitio de
6.3 enfermedades genéticas
unión P (que abarcan la peptidil). Un proceso de ING injerto tiene lugar entonces, catálogos lisadas por ARNr, donde la cadena peptídica se transfiere a histidina (Fig. 6.14). e ARNt Th que ocupan el sitio de unión P
Un número de enfermedades genéticas se deben a anormalidades
ahora se aparta y el desplazamiento a lo largo de ARNm al ribosoma s para
genéticas que dan lugar a la no expresión de las proteínas particular o la
revelar la siguiente triplete (un proceso llamado translocación ),
expresión de proteínas defectuosas. Por ejemplo, albinismoe s una condición en la piel, cabello y ojos carecen de pigmento; se asocia con una defi ciencia de una enzima llamada tirosinasa .T h es una enzima que contiene cobre que cataliza las dos primeras etapas en la síntesis
y por lo que el proceso continúa hasta que toda la hebra se
proteína NH O
R 2N
HORA
proteína HN
HO MARIDO
La
HO
HO
MARIDO
OO
HN
HORA
OH
OH HO MARIDO H
HO
OO
adenina
O ARNt FIGURA 6.14
adenina
adenina correos
O ARNt
MARIDO
+
OO
adenina correos
HO
correos
O ARNt
Mecanismo por el cual una proteína de crecimiento, se transfiere a la siguiente aminoácido.
HROH
O
HO
OO correos
O ARNt
80 Capítulo 6 L os ácidos nucleicos: estructura y función ARNm
ribosoma
Aminoácidos ADN
ARNt
Traducción ARNm
Transcripción
Núcleo
Proteína
FIGURA 6.15
La transcripción y la traducción.
segmento extirpado exón
Intrón
exón
+ empalme
ARNm
ARNm procesado
Traducción
Transcripción FIGURA 6.16
Empalme de ARN mensajero (ARNm).
del pigmento melanina .M ás de 90 mutaciones del gen de la tirosinasa se han
hemofiliass e heredan las enfermedades genéticas en las que uno de l os
identifi cado que conducen a la expresión de la enzima inactiva. Las
factores de coagulación de la sangre es defi ciente. Th es resultado en una
mutaciones en el resultado código de tripletes en uno o más aminoácidos
hemorragia incontrolada er popa lesión. En el pasado, las personas con esta
están alterados en la proteína resultante, y si estos aminoácidos son
enfermedad eran propensos a morir en su juventud. Hoy en día, con el
importantes para la actividad de la enzima, se pierden actividad. Las
tratamiento adecuado, aff eja los individuos deben tener una expectativa de vida
mutaciones que alteran los aminoácidos en el sitio activo son los más
Tancy normal. El tratamiento en casos severos implica la infusión intravenosa
propensos a resultar en la pérdida de actividad.
regular con el factor de coagulación relevante. En l os casos menos graves, las transfusiones se pueden utilizar cuando una lesión ha tenido lugar. los factores de
s una enfermedad genética causada por la ausencia o defi fenilcetonuriae
coagulación e Th solían ser típicamente derivan de plasma de la sangre, pero
ciencia de una enzima llamada fenilalanina hidroxilasa . T h es la enzima que
esto significa que las personas con hemofilia eran susceptibles a l a infección a
normalmente convierte la fenilalanina en tirosina. En su ausencia los niveles
partir de muestras de sangre infectadas. Por ejemplo, durante el período
en sangre de alanina fenil- elevan sustancialmente, junto con los productos
1979-1985 más de 1200 personas en el Reino Unido se infectaron con el VIH
metabólicos alternativos, tales como fenilpiruvato. Si no se trata, esta
como resultado de recibir sangre infectada
enfermedad da lugar a un retraso mental grave.
La biología molecular y la ingeniería genética 81 productos. Por la misma razón, también eran propensos a las infecciones virales
a partir de sus células madre debido a las pequeñas cantidades pre- sentes.
causadas por la hepatitis B y C. Durante la década de 1990, la tecnología de
Incluso si se ha realizado correctamente, los bajos rendimientos inherentes en el
ADN recombinante (sección 6.4) éxito los factores de coagulación de la sangre
proceso hicieron un análisis de tura y el mecanismo de acción de culto muy difí
producidas cessfully y estos ahora son los agentes de elección, ya que eliminan
estructura de la proteína. Los avances en biología molecular y técnicas de ADN
el riesgo de la infección. Desafortunadamente, algunos pacientes producen una
recombinante han cambiado todo eso.
respuesta inmune al factor de infusión, que puede pre- cluir su uso. En la tecnología de ADN recombinantep ermite a los científicos manipular
actualidad, los ensayos clínicos en marcha para probar si la terapia génica puede utilizarse como un tratamiento. Th se supone la introducción de un gen
secuencias de ADN para producir ADN modifi carse o completamente nuevo
que codifique para el factor de coagulación normal, de modo que puede ser
ADN. tecnología e Th hace uso de enzimas naturales llamados enzimas de
producido naturalmente en el cuerpo (sección 6.4).
restricción y ligasas
(Fig. 6.17). enzimas de restricción e Th reconocer una secuencia particular de bases en cada molécula de ADN y se separaron un enlace fosfato c azúcar s otra enfermedad genética que aff eja 1 de cada 3500 Distrofia muscular e
específi en cada hebra de la doble hélice. Con algunas enzimas de restricción,
varones y que se caracteriza por la ausencia de una proteína llamada distrofina . la ruptura no es una limpia; hay una superposición entre las dos cadenas Th se tiene un importante papel estructural en las células y sus resultados de
resultantes en una cola de bases no apareadas en cada lado de la ruptura. e Th
ausencia en el deterioro muscular. La terapia génica también se está con-
bases de cada cola son complementarios y todavía pueden reconocerse entre
considerarse para esta enfermedad.
sí, por lo que se describen como "pegajoso" termina. proceso e mismo Th se lleva a cabo sobre una molécula diferente de ADN y las moléculas de ambos
Muchos cánceres están asociados con defectos genéticos que dan lugar a
procesos se mezclan juntos. A medida que estas moléculas Erent diff tienen los
defectos de señalización moleculares en la célula. Th se está cubierto con más
mismos extremos pegajosos, que se reconocen entre sí de tal manera que el
detalle en el capítulo 21.
apareamiento de bases se lleva a cabo en un proceso llamado recocido . se forma el tratamiento con la enzima ligasa entonces repara el esqueleto de fosfato de azúcar y una nueva molécula de ADN.
6.4 La biología molecular y la ingeniería genética Si la molécula de ADN de interés no tiene la secuencia requerida
En los últimos años, los rápidos avances en biología molecular e ingeniería
reconocido por la enzima de restricción, un ADN sintético enlazador e se hace
genética han tenido repercusiones importantes para la química médica.
contener la secuencia se puede añadir a cualquiera de los extremos de la
Ahora se que sea posible clonar genes específi cos e incluir estos genes
molécula usando una enzima ligasa. Th se se trata luego con la enzima de
en el ADN de las células de crecimiento rápido tales que las proteínas
restricción como antes (Fig. 6.18).
codificadas por estos genes se expresan en la célula modifi cado. Como las células son de crecimiento rápido esto conduce a una cantidad no
Th ERE muchas aplicaciones para esta tecnología, una de las cuales es la
puede NIFI señal de la proteína deseada, lo que permite su aislamiento,
capacidad de amplificar y expresar el gen para una proteína de humano en
purifi cación, y de determinación estructural. Antes de disponer de estas
particular en células bacterianas. Con el fin de hacer esto, es necesario
técnicas, que era muy culto cultad para aislar y purificar muchas proteínas
introducir el gen de la célula bacteriana. Th se se realiza mediante el uso de un adecuado vector q ue llevará el gen en la célula. Th ERE son dos adecuados
'Extremos pegajosos
Enzima CAATAC T TAAGG
restrictiva
GRAMO do T TAA
AATAC
AATAC T TAA G
GRAMO
Recocido
ADN CAATAC T TAAGG
+
Enzima restrictiva
GRAMO do T TAA
AATAC GRAMO
AATAC G CG T TAA GC enzima ADN ligasa
ADN
AATAC T TAA G
+ AATAC G CG T TAA GC
FIGURA 6.17
la tecnología del ADN recombinante.
82 Capítulo 6 L os ácidos nucleicos: estructura y función ligasa
fragmento de ADN
fragmento de ADN
CCGAAT TCGGC
o vector
CCGAAT TCGGC
CGAATTCCG o vector
CGAATTCCG
CCGAAT TCGGC Enzima
CGAATTCCG
restrictiva
enlazador sintético AAT TCGGC
fragmento de ADN
CG
FIGURA 6.18
CCG AATTCCG
o vector
Colocación de secuencias reconocidas por enzimas de restricción.
proteínas podrían utilizarse con fines medicinales, como se describe en las
Humano ligasa
Enzima restrictiva
siguientes secciones. modifi cada genes también pueden ser introducidos y expresados para producir proteínas modifi carse para ver qué ef ect una
ADN
mutación tendría sobre la estructura y la función de una proteína. El ADN del vector
e Th siguientes son algunas de las aplicaciones de la ingeniería genética FIGURA 6.19
La inserción de un gen humano en un plásmido por
en el campo médico.
la tecnología del ADN recombinante.
La recolección de las proteínas importantes e genes Th para hormonas
importantes o factores de crecimiento, tales como insulina y
e han incluido en los organismos unicelulares factor de crecimiento humano , s
vectors- plásmidos y bacteriófagos . Los plásmidos son segmentos de ADN
Ing-rápidas creciente. Th se permite la recolección de estas proteínas en
circular que se transfieren de forma natural entre las células bacterianas y
cantidades sufi ciente de que puedan ser comercializados y se administran a los
permitir el intercambio de información genética. Debido a que el ADN es
pacientes que son defi ciente en estas hormonas importantes. La ingeniería
circular, el ADN repre- resentir un gen humano puede ser insertado en el ADN
genética también ha sido crucial en la producción de anticuerpos monoclonales
del vector por los mismos métodos descritos anteriormente (Fig. 6.19). Los
(sección 14.8.3).
bacteriófagos (fagos para abreviar) son virus que infectan a las células bacterianas. Th ere una variedad de estos, pero las mismas técnicas de ADN recombinante se pueden utilizar para insertar ADN humano en el ADN viral.
La genómica y la identificación de dianas terapéuticas nuevas proteínasH oy en día, es relativamente fácil de aislar e identificar una gama
de proteínas, enzimas, y los receptores de señalización por clonaciónt écnicas. Esto ha llevado a la identificación de un número creciente de isoenzimas y Sea cual sea el vector se utiliza, el ADN se modifi cada introdu- cido en la célula bacteriana en el que se clonó y amplificación fi cado (Fig. 6.20). Por
subtipos de receptores que ofrecen posibles dianas de medicamentos para el futuro. los Proyecto Genoma Humano
ejemplo, una vez que un fago que contiene modifi ácido nucleico ed infecta una célula bacteriana, el fago se hace cargo de la maquinaria bioquímica de la célula
involucrado el mapeo de ADN humano (terminado en
para producir múltiples copias de sí mismo y su ácido nucleico.
2000) y ha llevado al descubrimiento de nuevas proteínas previamente unsusesperadas. Estos también pueden ofrecer los posibles objetivos farmacológicos.
Los genes humanos se pueden introducir en células bacterianas tales
El estudio de la estructura y función de nuevas proteínas descubiertas a partir de
que el gen se incorpora en el ADN bacteriano y se expresó como si fuera
la genómica se llama
propia las bacterias 's. Th se permite la producción de proteínas humanas
(proteómica la sección 2.6).
en mucho mayor canti- dad de lo que sería posible por cualquier otro
Estudio del mecanismo molecular de proteínas diana La
ingeniería genética permite que el controlado
medio. Tal
fago
E coli
E coli
FIGURA 6.20
infectar Escherichia coli c on un fago.
E coli
preguntas 83 mutación de las proteínas tales que específi c aminoácidos son alteradas. Th se
PUNTOS CLAVE
permite a los investigadores a identificar los aminoácidos que son importantes para
• La estructura primaria de ARN es similar a la de ADN, pero que contiene ribosa en
la actividad enzimática o al r eceptor de ING vinculante. A su vez, esto conduce a
vez de desoxirribosa. El uracilo se utiliza como una base en lugar de timina, y otras
una mayor comprensión de cómo las enzimas y receptores funcionan a nivel
bases puede estar presente en cantidades más pequeñas.
molecular. terapia génica somáticai mplica el uso de un virus portador para el
•
contrabando de un gen sano en las células en el cuerpo en el que el gen correspondiente está defectuoso. Una vez que el virus ha infectado a la célula, el gen sano es insertado en el ADN del huésped donde se somete a transcripción y traducción. Th es el enfoque tiene un gran potencial terapéutico para el cáncer, el
el apareamiento de bases y las secciones de estructura secundaria helicoidal son posibles dentro de la estructura del ARN.
• Hay tres tipos principales de ARN ARN mensajero, ARN de transferencia y ARN ribosomal.
• La transcripción es el proceso por el cual un segmento de ADN se copia
SIDA y las anomalías genéticas, como la fibrosis quística. Sin embargo, el enfoque todavía está confi nida a los laboratorios de investigación y todavía hay
como mRNA. mRNA lleva la información genética requerida para la síntesis
un largo camino por recorrer antes de que se utiliza clínicamente. Th ERE son
de una proteína del núcleo al retículo endoplásmico.
varios los problemas que aún deben abordarse, como la forma de dirigirse a los virus específi camente a las células defectuosas, cómo insertar el gen en el ADN
• rRNA es el principal constituyente de los ribosomas, donde la síntesis de proteínas se lleva
de una manera controlada, la forma de regular la expresión de genes una vez que
a cabo. Un ribosoma se mueve a lo largo de mRNA revelando cada triplete del código
está en el ADN, y la forma de evitar la respuesta inmune contra el virus portador.
genético a su vez.
Los avances en este campo se retrasó signifi cativamente en 1999 como resultado de la muerte de un voluntario adolescente durante un ensayo clínico en los EE.UU.. Th se fue atribuido a una respuesta inmune más reactivo al virus portador utilizado en el ensayo. En consecuencia, en la actualidad hay estudios que investigaban el uso de artifi cial virus que sería menos probable que cause
• ARNt interpreta el mensaje codificado en el ARNm. Contiene un anticodón de tres bases de ácido nucleico que se une a un triplete complementario sobre mRNA. Cada tRNA lleva un ácido amino fi específico, la naturaleza de la que se determina por el anticodón.
• El proceso de la síntesis de proteína se llama la traducción. La cadena de
una respuesta inmune. sistemas de liberación no virales también se están estudiando involv- ing moléculas enjaulados llamada ciclodextrinas .A demás,
proteína en crecimiento es transferido de un ARNt con el aminoácido en la
lípidos, polyaminoesters, polímeros de glicina, y los fullerenos de carbono están
siguiente tRNA y sólo se libera una vez que la molécula de la proteína completa
siendo investigados como portadores.
se ha sintetizado.
• La ingeniería genética ha sido utilizado en la producción de hormonas importantes para fines medicinales, la identificación de nuevas dianas farmacológicas, el estudio de la estructura y función de proteínas, y la terapia génica.
PREGUNTAS 3. La adenina es un componente importante de varias
1. Pro avine fl es un agente antibacteriano tópico que se intercala
ADN bacteriano y se utiliza para tratar a los soldados heridos en el Lejano Oriente
bioquímicos importantes. Se ha propuesto que la adenina se sintetizó desde el
durante la Segunda Guerra Mundial. ¿Qué papel (si lo hay) es interpretado por el anillo
principio en la evolución de la vida cuando la atmósfera de la Tierra consistía en
tricíclico y los grupos amino primarios? El fár maco no se puede utilizar sistémicamente.
gases, tales como cianuro de hidrógeno y metano. También ha sido posible
Sugerir por qué este es el caso.
sintetizar adenina de cianuro de hidrógeno. Tenga en cuenta la estructura de la adenina e identificar cómo las moléculas de cianuro podrían actuar como los bloques de construcción para esta molécula. proflavina
MARIDO 2 norte
norte
NUEVA HAMPSHIRE 2
4. El código genético implica tres bases de ácido nucleico que codifican
2. Los siguientes compuestos son fármacos antivirales que imitan
por un único aminoácido (el código triplete). Por lo tanto, una mutación de un triplete
nucleósidos naturales. Lo que no nucleósidos que imitan?
particular, debe resultar en un aminoácido diferente. Sin embargo, este no es siempre el caso. Para cualquier triplete representado por XYZ, que la mutación es menos
NUEVA HAMPSHIRE 2
NO MARIDO 2 n orte
NN
norte
HO O
O
CH 3
HN
NO
HN
O HO
probable que resulte en un cambio en amino ácido-X, Y, o Z?
NO 5. El aminoácidos serina, glutamato, y fenilalanina
O
HO
se encontró que eran grupos de unión importantes de un sitio de unión al receptor (véase el Apéndice 1 para estructuras). Los códigos de triplete para
norte 3
estos aminoácidos en la
84 Capítulo 6 L os ácidos nucleicos: estructura y función
AGU a ACU; AGU a GGU; AGU a AGC GAAto GAU; GAA a AAA; GAA a GUA UUU a UUC; UUU a UAU; UUU a AUU
mRNA para este receptor eran AGU, GAA, y UUU respectivamente. Explicar qué efecto tienen las siguientes mutaciones podrían tener, en su caso:
OTRAS LECTURAS Aldridge, S. La historia de ADN (2003). Química en Gran Bretaña A bril 28-30.
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PARTE
Farmacodinámica y
segundo farmacocinética
El papel de la química médica es diseñar y sintetizar nuevos fármacos. Con el fin de
involucrado no puede alcanzar su objetivo en el cuerpo una vez que se han
llevar a cabo esta función, es importante identificar el objetivo particular de un
administrado. Hay varias formas en que se pueden administrar medicamentos,
medicamento específico y para establecer cómo la droga interactúa con ese objetivo de
pero, en general, el objetivo es obtener el medicamento en el torrente sanguíneo
producir un efecto biológico. En los capítulos 2-6 de la Parte A nos fijamos en la
de tal manera que se puede llevar a su diana particular. Después de la
estructura y función de los diversos objetivos de medicamentos que están presentes en
administración de un fármaco, hay una amplia variedad de obstáculos y problemas
los sistemas vivos. En la parte B vamos a examinar los mecanismos generales por los
que tienen que ser superados. Estos incluyen la e fi ciencia con la que un fármaco
que los fármacos pueden producir un efecto farmacológico o biológico. Esta es un área
se absorbe en el torrente sanguíneo, la rapidez con que se metaboliza y excreta, y
de estudio conocido como farmacodinámica.
en qué medida se distribuye alrededor del cuerpo. Esta es un área de estudio conocido como farmacocinética y vamos a considerar esto en el capítulo 11.
Las drogas son normalmente pequeñas moléculas con un peso molecular de menos de 500 unidades de masa atómica, y lo que son mucho más pequeños que sus objetivos macromoleculares. Como resultado, que interactúan directamente con
Como se trata de un libro de texto de química médica, la atención se centra
sólo una pequeña parte de la macromolécula. Esto se llama un sitio de unión. El sitio
en gran medida en el diseño de fármacos para optimizar su propiedades
de unión por lo general tiene una forma de fi nido en el que un fármaco debe encajar
farmacocinéticas y farmacodinámicas. Sin embargo, es importante apreciar que
si que es tener un efecto; Por lo tanto, es importante que el fármaco tiene el tamaño
la formulación y la administración de fármacos es un área extremadamente
y la forma correcta. Sin embargo, hay más a la acción de los fármacos que una
importante de la investigación en el desarrollo de nuevos y mejores
buena 'fi'. Una vez que un fármaco activo entra en un sitio de unión, una variedad de
medicamentos (una breve descripción se da en las secciones 11.7.1, 11.9 y
interacciones de enlaces intermoleculares que se ocupen, mantenerlo allí y dar lugar
11.10). En efecto, la acción del fármaco se ha clasificado en tres fases, que se
a nuevos efectos, que culminó, con el tiempo, en un efecto biológico. Para que esto
presentan en el siguiente orden: farmacéutica, farmacocinética,
ocurra, el fármaco debe tener los grupos funcionales correctos y el esqueleto
farmacodinámica y. La fase farmacéutica incluye la desintegración de una
molecular capaces de participar en estas interacciones.
píldora o cápsula en el tracto gastrointestinal, la liberación del fármaco contenido dentro de, y su disolución. Esto es seguido por las fases farmacocinéticas y farmacodinámicas como se describe anteriormente.
La optimización de las interacciones que tiene con una estructura su objetivo es claramente importante si vamos a diseñar un fármaco eficaz. Una vez dicho
Parte B incluye Estudio de caso 1, que es un estudio sobre las estatinas clínicamente
esto, hay ejemplos de compuestos que interaccionan muy bien con su objetivo,
importantes que se utilizan a niveles más bajos de colesterol. Se ilustra algunos de los
pero no sirven para nada en un sentido clínico. Esto se debe a los compuestos
principios de inhibidores de la enzima mencionados en el Capítulo 7.
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7 Enzimas como dianas de medicamentos
Muchos fármacos importantes actúan como inhibidores de la enzima. En otras
producto a la enzima debe hacerse de manera armoniosa. ey Th debe ser de
palabras, que dificultan o impiden que las enzimas que actúan como catalizadores para
manera suficiente fuerte como para mantener el sustrato en el sitio activo el
una reacción particular. Hemos cubierto la estructura y función de las enzimas en el
tiempo suficiente para que ocurra la reacción, pero lo suficientemente débil como
capítulo 3. En este capítulo, nos concentramos en cómo las drogas se dirigen a las
para permitir que el producto que se vaya. Th es Bond- acto de equilibrio ing se
enzimas e inhiben su acción.
puede dar vuelta a la gran ventaja si el químico farmacéutico desea para inhibir una enzima particular o desactivarla completamente. Una molécula puede diseñarse que es similar al sustrato natural o producto, y puede encajar el sitio activo, pero que se une con más fuerza. Puede que no experimentan ninguna reacción cuando está en el sitio activo, pero siempre y cuando se mantenga allí
7.1 Inhibidores que actúan en el sitio activo de
se bloquea el acceso al sustrato natural y previene la reacción enzimática (Fig 7.2). Th se es conocido como inhibición competitiva ,c omo el medicamento está
una enzima
compitiendo con el sustrato natural por el sitio activo. Th e más largo es el inhibidor está presente en el sitio activo, mayor es l a inhibición. Th erefore, si un
7.1.1 inhibidores reversibles
medicamento no está en Chem conoce la posición y la naturaleza de Erent diff
En el capítulo 3 hemos subrayado la importancia de las interacciones de unión
regiones de unión dentro de un sitio activo, es posible diseñar moléculas que
entre una enzima y su sustrato. Si no hay interacciones que sostienen un
quepan ese sitio activo, se unen fuertemente y actúan como inhibidores.
sustrato al sitio activo, entonces el sustrato se deriva de y volver de nuevo antes de que haya una oportunidad para que reaccione. Th erefore, las interacciones ING más aglutinantes hay, más fuerte será el sustrato se unen, y mayor será la probabilidad de reacción. Sin embargo, hay una trampa! ¿Qué ocurre si un sustrato fuertemente ligado da un producto que también se une
Los inhibidores competitivos se unen al sitio activo a través de enlaces intermoleculares y por lo que la unión es reversibles de, lo que permite un
fuertemente al sitio activo (Fig. 7.1)?
equilibrio que se produzca entre el fármaco unido y sin unir un fármaco tipo de
e respuesta Th es que la enzima se obstruye y es incapaz de aceptar cualquier sustrato más. Th erefore, las interacciones de unión que sostiene el sustrato o la
'yoyo' ef ect donde la droga se une al sitio activo, se libera , a continuación, se une de nuevo. Th se significa que la inhibición causada por el fármaco
Obstruido
sustrato sustrato
sustrato Unión Enzima
FIGURA 7.1
Producto
Producto
Enzima
Enzima
Reacción Enzima
Ejemplo de una enzima que se 'atascado' si el producto permanece unida.
nzimas como dianas de medicamentos 88 Capítulo 7 E
les permite unen con más fuerza y ser inhibidores más eff CE- tiv a. estatinas
sustrato
e Th descritas en el Estudio de caso 1 son un buen ejemplo de esto. Sin reacción
Droga
Aunque los inhibidores competitivos oft baño tienen cierta semejanza con el sustrato, esto no siempre es el caso. Mientras el medicamento tiene la forma adecuada para encajar el sitio activo y tiene grupos funcionales que pueden Droga
interactuar con las regiones de unión disponible, todavía puede unirse al sitio activo e inhibir la enzima. Th erefore, es posible que los fármacos con un
Enzima ENZIMA
esqueleto Erent totalmente diff al sustrato para actuar como inhibidores
Enzima FIGURA 7.2
competitivos. Dichos fármacos se pueden unir a una combinación de regiones de unión dentro del sitio activo, algunos de los cuales son utilizados por el
Inhibición competitiva.
sustrato y algunos de los cuales no lo son.
es reversible. Si la concentración de sustrato aumenta, compite más ef caz con el medicamento para el sitio activo, y por lo tanto la inhibición por el
También hay que recordar que el producto de una reacción catalizada por enzimas se une al sitio activo antes de que sea finalmente liberado, y por
fármaco será menos reflexivo eff (recuadro 7.1).
lo que es posible tener inhibidores de la enzima que se asemejan a la Th ERE muchos ejemplos de fármacos útiles que actúan como
estructura del producto más estrechamente que el sustrato. Otros fármacos
or ejemplo, el amidas sulphon inhibidores competitivos .P
están diseñados para imitar el estado de transición de la reacción catalizada
actuar como agentes antibacterianos mediante la inhibición de una enzima bacteriana de
por enzimas (sección 7.4).
esta manera (sección 19.4.1.5). Muchos diuréticos utilizados para controlar la presión
Por último, algunos inhibidores competitivos se unen al sitio activo, pero
arterial son inhibidores competitivos, al igual que algunos antidepresivos (sección 23.12.5). Otros ejemplos incluyen las estatinas (Estudio de caso 1), la angiotensina
no compiten con el sustrato. ¿Cómo puede ocurrir esto? e respuesta Th
convertidores ing inhibidores de la enzima (ACE) (Estudio de caso 2), y inhibidores de la
radica en el hecho de que los sitios activos de varias enzimas se unen un
proteasa (sección 20.7.4). De hecho, la mayoría de los inhibidores de la enzima útiles
sustrato y una enzima tor cofactor.T h erefore, es posible tener los
clínicamente son de esta naturaleza.
inhibidores competitivos que ocupan la región de unión normalmente ocupado por el cofactor, y así la competición es con el cofactor en lugar de
Como se indicó anteriormente, los inhibidores competitivos con frecuencia
sustrato. e inhibidores de la quinasa Th descritas en el apartado 21.6.2 son
tienen cierta semejanza con el sustrato natural, lo que les permite ser
un buen ejemplo de esto. Muchos de estos agentes compiten con el ATP
reconocidos por el sitio activo. Algunos de estos inhibidores pueden tener
cofactor para el sitio activo de las enzimas quinasa, y no el sustrato de
características adicionales que les permiten formar interacciones de unión
proteína. D e la naturaleza competitiva de la inhibición se ilustra en el
adicional a las regiones del sitio activo que no están ocupadas por el substrato.
resistentes
Esta
CAJA 7.1 Una cura para el envenenamiento del anticongelante
Los inhibidores competitivos generalmente pueden ser desplazados por el aumento del
glicol está actuando aquí como sustrato, pero podemos verlo como un
nivel de sustrato natural. Esta característica ha sido útil en el tratamiento de la
inhibidor competitivo, ya que está compitiendo con el sustrato natural de la
intoxicación accidental por parte de anticongelante. El componente principal de
enzima. Si se incrementan los niveles de sustrato natural, que competirá
anticongelante es etilenglicol , que se oxida en una serie de reacciones enzimáticas
mucho mejor con etilenglicol y evitar que reaccionar. ya no se forma ácido
para ácido oxálico ,
oxálico tóxico y el glicol de etileno que no ha reaccionado finalmente se
que es tóxico. El bloqueo de la síntesis de ácido oxálico conduce a la recuperación.
excreta del cuerpo. La cura, entonces, es la administración de dosis elevadas de sustrato de alcohol natural!
El primer paso en este proceso enzimático es la oxidación de etilenglicol por alcohol deshidrogenasa (ADH) . E tileno
HO
HO ADH OH Etilenglicol
Las enzimas
OH
COOH COOH Ácido oxálico
Los inhibidores que actúan en sitios de unión alostéricos 89
las células tumorales, donde una enzima mutada muestra una mayor afi nidad para el ATP
inhibir una enzima con un inhibidor reversible en lugar de un inhibidor
durante los inhibidores (Recuadro 21.11).
irreversible. Como inhibidores irreversibles tienen grupos funcionales reactivos, hay un riesgo de que puedan reaccionar con otras proteínas o ácidos nucleicos y causar ECTS eff secundarios tóxicos.
7.1.2 Los inhibidores irreversibles
inhibidores de la enzima irreversibles no s on inhibidores competitivos. El
inhibidores de la enzima irreversibles pueden formar un enlace covalente a un aminoácido clave en el sitio activo y bloquear permanentemente la enzima
aumento de la concentración de sustrato no revierta su inhibición como los
reflejada aff (Fig. 7.3). El mas efectivo
inhibidores no se pueden desplazar del sitio activo. Th se puede causar
on aquellos que contienen un grupo funcional inhibidores irreversibless
problemas si la acumulación de un sustrato particular conduce a ECTS eff
trophilic elec- (X) capaz de reaccionar con un grupo nucleófilo presente en
secundarios tóxicos. Por ejemplo, el inhibidores de la monoaminooxidasa
una cadena lateral de aminoácido. Invariablemente, el aminoácido aff eja es
(resM oais) bloquean el metabolismo de
o bien serina o
antidepresiva (sección 23.12.5). Desafortunadamente, también se inhibe el
cisteína ,d ebido a que estos aminoácidos son a menudo en presente en los
metabolismo de sustratos distintos de noradrenalina, lo que lleva a una
sitios activos y contienen grupos nucleófilos (OH y SH respectivamente) que
acumulación de estos compuestos y ECTS graves eff lado. Más IMAO
están involucrados en el mecanismo de muchas reacciones catalizadas por
modernos han sido diseñados para ser inhibidores reversibles con el fin de
enzimas (sección 3.5.3). grupos funcionales electrófilos utilizados en inhibidores
evitar este problema.
noradrenalinay tienen actividad
irreversibles incluyen haluros de alquilo, epóxidos, α, β- cetonas insaturados, o lactonas y lactamas tensas (Fig. 7.4). E l altamente tóxico (agentes nerviosos s ección 22.13.2.1) contiene grupos electrofílicos y fl
uorophosphonate son inhibidores irreversibles de las enzimas de mamíferos.
7.2 Los inhibidores que actúan en sitios de unión alostéricos
No todos los inhibidores irreversibles son altamente tóxicos, sin embargo, y varios se utilizan clínicamente. Por ejemplo, penicilinas
(Sección 19.5.1) contener una β- lactámicos grupo que irreversiblemente inhibe
Sitios de unión alostérica fueron discutidos en la sección 3.6 y son un medio
una enzima que es crucial para la síntesis de la pared celular bacteriana. ram
por el cual la actividad enzimática puede ser controlada por los inhibidores
Disulfi (A ntabuse) (Recuadro 12.6) es un inhibidor irreversible de la enzima
naturales. Cuando un tor inhibidor alostérico se une a su sitio de unión, la
alcohol deshidrogenasa y se utiliza para tratar el alcoholismo. Los inhibidores de
resultante fi inducida t también deforma la forma del sitio activo de tal manera
la bomba de protones se describe en la sección 25.3 son inhibidores irreversibles
que se hace irreconocible para el sustrato. Los medicamentos pueden ser
diseñados para imitar este control natural de la enzima. Si el fármaco se une a y se utilizan como agentes anti-ulcerosos. D e medicamento contra la obesidad orlistat también es un inhibidor irreversible tor (recuadro 7.2). Una vez dicho esto, es
través de interacciones intermoleculares, la inhibición es reversible. Si el
generalmente mejor
fármaco contiene un grupo reactivo
inhibición irreversible
x
x Droga
x OH Enlace Droga covalente
Droga
sitio activo OH
FIGURA 7.3
Sitio activo
sitio activo O
inhibición irreversible de una enzima con un agente alquilante. (X = halógeno grupo saliente).
O O R-X Los haluros de alquilo
R
O
RN
RR
PF R
epóxidos
R
R
R
RO RO O
α, β- cetonas insaturadas insaturadas Fluorophosphonates
(X = Cl, Br, l)
FIGURA 7.4
Ejemplos de grupos funcionales electrófilos.
β- lactámicos
OO lactonas
nzimas como dianas de medicamentos 90 Capítulo 7 E
CAJA 7.2 inhibición irreversible para el tratamiento de la obesidad La grasa en la dieta se compone principalmente de triglicéridos, que son digeridos
intestino. En consecuencia, menos grasa se sintetiza en el cuerpo.
en el intestino delgado a los ácidos grasos y 2-monoglicéridos. Los productos de
orlistate s un fármaco anti-obesidad que actúa como un inhibidor irreversible de
la digestión son absorbidos y actúan como bloques de construcción para la
la lipasa pancreática, como resultado de la presencia de un grupo lactona
biosíntesis de grasa en el cuerpo. La enzima lipasa pancreática es responsable
electrofílica 4 eslabones. Este acila un residuo de serina en el sitio activo, que es
de catalizar la digestión de las grasas, por lo que la inhibición de esta enzima se
parte de una tríada catalítica de serina, histidina y ácido aspártico (comparar
reduce la absorción de glicéridos y ácidos grasos de la
sección
3.5.3).
orlistat CH 3 ( CH 2) 5 (CH2 ) 10 CH 3 O
(CH2 ) 10 CH 3 OH NHCHO
O
O
O MARIDO
Yo
NHCHO
O +H+
CH 3 ( CH 2) 5
O
OH
Ser
me me
OH
Yo O
Ser
La lipasa pancreática
La lipasa pancreática
complejo. Th erefore, inhibidores no competitivos son menos reflexivo ef a bajas concentraciones de sustrato. Los inhibidores no competitivos no son muy SH
norte
norte
comunes. NN MARIDO
FIGURA 7.5
6-mercaptopurina.
En teoría, un inhibidor no competitivo se une a un sitio de unión alostérico e inhibe la reacción catalizada por enzimas sin aff ión de la fuerza de sustrato vinculante ing. Th es ocurriría si el inducido fi t resultante de la unión del inhibidor alostérico distorsiona la cientemente sitio sufi activo para evitar que el mecanismo catalítico, pero no tiene eff ect en el
lo que le permite formar un enlace covalente al sitio de unión alostérico,
proceso de unión al sustrato. En la práctica, esta situación i deal es
la inhibición es irreversible.
extremadamente raro, si es que se produce en absoluto. Es casi inevitable
La droga 6-mercaptopurina (H igo. 7.5), que se utiliza en el tratamiento
que cualquier distorsión sitio activo aff eja el proceso catalítico también la
de la leucemia, es un ejemplo de un inhibidor alostérico. Inhibe la enzima
unión de sustrato aff ect. Th erefore, aquellos inhibidores que inhiben el
primer implicado en la síntesis de las purinas (sección 6.1.1) y bloques de
proceso catalítico, al tiempo que permite a los sustratos se unen,
purina síntesis. A su vez, esto bloquea la síntesis de ADN.
normalmente causan algo de inhibición de la unión del sustrato. Th se es conocido como inhibición mixtay a que no es ni la inhibición competitiva pura ni la inhibición no competitiva pura.
7.3 Los inhibidores no competitivos y no competitivos inhibidores no competitivos son inhibidores que se unen hacer marcha atrás, ibly a una enzima, cuando el sustrato está ya vinculado al sitio activo.
7.4 análogos del estado de transición: inhibidores de la renina
En otras palabras, el inhibidor se une al complejo enzima-sustrato. En esta situación, el aumento de la concentración de sustrato no va a superar la
La comprensión de un mecanismo enzima puede ayudar a diseñar
inhibición. De hecho, el nivel de inhibición es dependiente de sustrato sufi
medicamentos químicos inhibidores más potentes. Por ejemplo, es posible
ciente estar presente para formar la enzima-sustrato
diseñar inhibidores que se unen tan fuertemente al sitio activo (mediante fuerzas no covalentes)
análogos del estado de transición: inhibidores de la renina 91
que están FEP caz irreversibles inhibidores-un poco como invitar a alguien
una especie de alta energía con el fin de estudiar su estructura; así que ¿cómo
a cenar y hallazgo que se han movido en forma permanente. Una forma de
se puede diseñar un medicamento para imitar ella? e respuesta Th es basar el
hacer esto es el diseño de un fármaco que se parece al estado de
diseño del fármaco sobre la reacción inter- medio. Th e razón de esto es como
transición para la reacción catalizada. un fármaco tal debe unirse más
sigue. A medida que el inter- medio es menos estable que el sustrato, se
fuertemente que ya sea el sustrato o el producto y ser un fuerte inhibidor
presume que es más estrecha en el carácter al estado de transición. Th es, a
como resultado. Tales compuestos se conocen como análogos del
su vez, implica que el estado de transición es más tetraédrica en carácter que
estado de transición o inhibidores .
planar. erefore Th, fármacos basados en la estructura del intermedio tetraédrico son más propensos a imitar el estado de transición.
E l uso de análogos de estado de transición ha sido par- caz ef especial- en el desarrollo de inhibidores de la renina
D e intermedia en sí es reactivo y fácilmente escindido. Th erefore, un
(Fig. 7.6). La renina es una enzima proteasa que es responsa- ble de hidrólisis de un enlace peptídico específi en la proteína
análogo tiene que ser diseñado que se une con la misma fuerza, pero es
angiotensinógenof ormar angiotensina I . La angiotensina I se convierte después
estable a la hidrólisis. Th se puede hacer mediante la introducción de una
en angiotensina II ( véase el estudio de caso 2), que actúa para constreñir los
característica que imita la estructura DraI tetrahe- del intermedio, pero no
vasos sanguíneos y retener líquido en los riñones, los cuales conducen a un
tiene grupo saliente, por la segunda parte del mecanismo de reacción.
aumento de la presión arterial. Th erefore, un inhibidor de la renina debe actuar
Una variedad de imitadores han intentado y un resto lene hydroxyethy- ha
como un agente antihipertensivo (es decir, presión arterial baja) por pre- ventilar la
demostrado caz eff (por ejemplo, aliskiren;H igo. 7.8). Th e grupo hidroxi
primera etapa en este proceso.
de etileno tiene la geometría tetraédrica requerida y uno de los dos grupos hidroxilo necesarios para una buena unión. También es estable a la hidrólisis, porque no hay presente grupo saliente. Aliskiren fue aprobado
La renina contiene dos residuos de aspartilo y una molécula de agua puente en el sitio activo que son cruciales para el mecanismo por el que un
por el Food and Drug Administration
enlace amida en el sustrato es hidrolizado (Fig. 7.7). En la primera etapa de este mecanismo, se forma un intermedio tetraédrico. Para formar este intermedio, el mecanismo de reacción tiene que pro- ceder a través de un
( FDA )e n 2007 para el tratamiento de la hipertensión.
estado de transición de alta energía, y es este estado de transición que se
Estrategias similares se han utilizado con éxito para diseñar agentes
desea imitar con un análogo de estado de Transición. Sin embargo, no es
antivirales que actúan como transición de estado analógica inhibidores para la
posible aislar tales
enzima proteasa del VIH ( s ección 20.7.4). Los estatinast ambién se puede ver como la transición de estado
inhibidor Enzima convertidora de angiotensina (ACE)
La renina
angiotensinógeno FIGURA 7.6
La angiotensina II
La angiotensina I
La inhibición de la renina para bloquear la síntesis de la angiotensina I y angiotensina II.
intermediario tetraédrico HN 1
sustrato
HN
+
R
CO 2 S.S 2 NR 1 O 1
OOHH
R 2
HOH O
Áspid
OH
R 2
R 2
MARIDO
O
O
Áspid
FIGURA 7.7
OO
Áspid
O
O
Áspid
Mecanismo de hidrólisis renina-catalizada.
HO
Áspid
O
O
O
Áspid
nzimas como dianas de medicamentos 92 Capítulo 7 E
MeO CHMe 2 O
MeO
OH
O
NH
hidroxietileno transición de imitador del estado de Intermedio de reacción
HN MARIDO 2 n orte
O
NUEVA HAMPSHIRE 2
me me
OH
CHMe 2
HO OH
Hidroxietileno estado de transición mimético
FIGURA 7.8
Aliskiren.
El ácido clavulánico también fi ts el sitio activo de β- lactamasa, y la β- anillo
análogos (Estudio de caso 1), al igual que algunos inhibidores de la ECA
de lactama es abierto por el residuo de serina de la misma manera. Sin
(Estudio de caso 2).
embargo, la acil-enzima inter- medio reacciona entonces con otro grupo más philic nucleósido enzimática (posiblemente NH 2 ) p ara unir el fármaco de forma
7.5 sustratos suicidas
irreversible a la enzima (Fig. 7.10). mecanismo e Th requiere la pérdida o ganancia de protones en diversas etapas, y un ácido amino, tales como
análogos del estado de transición se pueden ver como De buena fe
histidina, en el sitio activo sería capaz de actuar como un donador de protones
visitantes al sitio activo de una enzima que se convierten en invasores obstinadas
/ receptor (comparar secciones
una vez que han llegado. Otros, aparentemente inofensivos, los visitantes pueden
3.5.2 y 22.12.3.2).
convertirse en asesinos letales una vez que se han unido a la enzima diana. Tales
Los fármacos que actúan de esta manera son a menudo llamados en nismos
agentes están diseñados para someterse a una transformación catalizada por enzimas que los convierte en una especie altamente reactiva que forma un enlace
inhibidores basados en la me- o sustratos suicidasd ebido a que la enzima
covalente con el sitio activo.
está cometiendo suicidio por reacción con ellos (véase también el recuadro 7.3). Th e gran ventaja de este enfoque es que el agente de alquilacións e genera
Un ejemplo de un sustrato suicida es ácido clavulanico ,
en el sitio en el que está destinado a actuar y es, por lo tanto, altamente
que se utiliza clínicamente en medicamentos antibacterianos (por ejemplo, Augmentin selectivos para la enzima diana. Si el grupo de alquilación no se había ) para inhibir la bacteriana β- lactamasa
disfrazado de esta manera, el fármaco tendría alquilada grupo nucleófilo primera
enzima (sección 19.5.4.1). Th es enzima es responsable de la
fi la que se reunió en el cuerpo y se habría mostrado poca, o ninguna, la
resistencia a la penicilina observado en varias cepas bacterianas, ya
selectividad. D e utiliza de agentes alquilantes y los problemas asociados con
que cataliza la hidrólisis de la penicilina
ellos se discuten en las secciones 9.3 y 21.2.3.
β- anillo de lactama. mecanismo e Th implica un residuo de serina en el sitio activo actúa como un nucleófilo para formar un intermedio donde la serina está ligada covalentemente a través de un grupo éster a la penicilina de anillo
uso principal e Th para sustratos suicidas ha estado en enzimas c ling
abierto. grupo éster e Th es luego hidrolizado para liberar la penicilina
especificaciones etiquetadoras. e sustratos Th pueden marcarse con isótopos
inactivado y liberar el sitio activo, de manera que el proceso catalítico se
radiactivos y se hacen reaccionar con su enzima diana con el fin de localizar la
puede repetir (Fig. 7.9).
enzima en las preparaciones de tejido. Sin embargo, algunos agentes clínicamente útiles actúan como
Intermedio
O la penicilina
producto hidrolizado
O norte RC HHHS
me NO
HHHN RC O
RC HHHnorte β- lactamasa
me CO 2 MARIDO
FIGURA 7.9
β- lactamasa
O
+H+
HN O
Ser HO
S Me
S Me
Ser
Yo
O
+ H 2 O
CO 2 MARIDO
Reacción catalizada por bacteriana β- enzimas lactamasa.
OH HN Ser HO
Yo CO 2 MARIDO
usos medicinales de inhibidores de la enzima 93
1
3
2
NH2
NH2 NUEVA HAMPSHIRE
O
CH2OH O
CH2OH
O
CH2OH
norte
O
HN
Base H
HN
O
MARIDO
CO2H OO
OH
O
CO2H
4
CO2H
6
5
O
CH2OH
H2N NUEVA HAMPSHIRE
NUEVA HAMPSHIRE
NUEVA HAMPSHIRE
CO2H
CH
MARIDO
O
CH2OH
HN
O O
MARIDO
HC
O
O O
CO2H
O
irreversiblementebloqueado
FIGURA 7.10
El ácido clavulánico que actúa como un sustrato suicida.
sustratos suicidas, tales como el ácido clavulánico (como se describió
llevar a cabo las mismas reacciones, pero la COX-1 es la isoenzima que
anteriormente). Algunos inhibidores de la monoamino oxidasa también se cree
está activo en condiciones normales y sanos. En la artritis reumatoide, la
que son sustratos suicidas (recuadro 7.4). Otro ejemplo interesante de un
normalmente inactiva de la COX-2 se activa y produce el exceso de infl
sustrato suicida es 5-fl uorodeoxy- monofosfato uracilo (5 -FdUMP). agente
amatoria prostaglandinas. erefore Th, drogas tales como valdecoxib ,
contra el cáncer d e 5-fluorouracilos e utiliza para tratar el cáncer de mama,
rofecoxib ,
el hígado y la piel, y se convierte en 5-FdUMP en el cuerpo. Th es entonces
y celecoxibs e han desarrollado para ser selectivos para la COX-2 de i soenzimas,
actúa como un sustrato suicida para la enzima sintasa thym- idylate (sección
de modo que se reduce sólo la producción de prostaglandinas infl am- infla-. La
21.3.2). En este caso, se forma el enlace prestado cova- entre el sustrato
selectividad es posible, aprovechando el hecho de que un grupo de isoleucina
suicida y el cofactor de la enzima, pero la eff general ect es el mismo.
está presente en el sitio de unión de la COX-1, mientras que el grupo correspondiente en la COX-2 es valina. El rofecoxib fue autorizada en 1999, pero tuvo que ser retirado en 2004, ya que se relaciona con un mayor riesgo de ataque cardíaco y accidente cerebrovascular cuando se toman durante un período de 18 meses o menos.
7.6 Isoenzimas selectividad de los inhibidores identifi cación de las i soenzimas que predominan en algunos teji- dos, pero no a otros, permite la posibilidad de diseñar inhibidores de la enzima selectivos de tejidos (Recuadro 7.4).
7.7 usos medicinales de inhibidores de la
enzima Por ejemplo, el fármaco anti-inflamatorio no esteroideo infl (NSAID) indometacina (H igo. 7.11) se usa para tratar enfermedades infla- infl am, tales como la
artritis reumatoide, y funciona mediante la inhibición de la enzima ciclooxigenasa 7.7.1 Los inhibidores enzimáticos utilizados contra los .T h se enzima está implicada en la biosíntesis de prostaglandinas- agents
microorganismos
que son responsables por el dolor y la infl amación de la artritis reumatoide. La inhibición de la enzima disminuye los niveles de prostaglandina y alivia
Los inhibidores de enzimas han tenido un gran éxito en la guerra contra la
los síntomas de la enfermedad. Sin embargo, el fármaco también inhibe la
infección. Si una enzima es crucial para un microorganismo, a continuación,
síntesis de prostaglandinas benefi ciales en el tracto gastrointestinal y el
apagándolo matará claramente la célula o evitar que crezcan. Idealmente,
riñón. Se ha descubierto que la ciclooxigenasa tiene dos isoenzimas:
la enzima elegido debe ser uno que no está presente en nuestros propios
COX-1 y COX-2. ambas isoenzimas
cuerpos. Afortunadamente, existen tales enzimas debido a los signifi cativas cias diff bioquímicas entre células bacterianas
nzimas como dianas de medicamentos 94 Capítulo 7 E
CAJA 7.3 sustratos suicidas sustratos suicidas son agentes que se convierten en especies altamente reactivas
reacción llevada a cabo por estas enzimas convierten el ácido tienilic a un
cuando se someten a una reacción catalizada por enzimas. Ellos forman enlaces
sulfóxido tiofeno, que resultaron altamente electrofílico. Esto animó a una
covalentes con la enzima y la inhiben de forma irreversible. En algunos casos, esto
reacción de Michael que conduce a la alquilación de un grupo tiol en el sitio
puede causar toxicidad. Por ejemplo, el agente diurético ácido tienilict uvo que ser
activo de la enzima. La pérdida de agua del sulfóxido tiofeno restauró el anillo de
retirado del mercado debido a que se ha encontrado para actuar como un sustrato
tiofeno y dio como resultado la formación de un enlace covalente a la enzima, lo
suicida para las enzimas del citocromo P450 involucradas en el metabolismo de
que inhibe la enzima irreversiblemente.
fármacos (sección 11.5.2). Desafortunadamente, el metabólica
cyt P450
cyt P450 cl cl
O
cl
O
cl
OH
O O
OH
Oxidación S
ASI
O
SH
S
QUE
MARIDO
ácido Tienilic
sustrato suicida
cyt P450
cyt P450
cyt P450
O
NADPH O 2 MARIDO
La alquilación
+H
MARIDO
MARIDO
Arkansas
Arkansas
Arkansas
P450 OSOS
OSOS
OSOS
MARIDO
Cit Cit P450
cyt P450
- H 2 O
Enzima alquilada e inhibido
MARIDO Arkansas
Arkansas
S
S
OS
OS
inhibición irreversible del citocromo P450 por el ácido tienilic.
y la nuestra. Naturaleza, por supuesto, está muy por delante en este juego. Por
enzimas que están presentes tanto en las células de Mali bacterianas y
ejemplo, muchas cepas de hongos producir metabolitos que actúan como
mamíferos, siempre y cuando no son signifi cias no puede diff entre ellos. Tales
inhibidores de enzimas bacterianas, pero no tienen eff ect sobre enzimas
cias diff son perfectamente viables. Aunque las enzimas en ambas especies
fúngicas. Th es hongos da una ventaja sobre sus competidores microbiológicos
pueden haber derivado de una proteína ancestral común, han evolucionado y
cuando compiten por los nutrientes. También ha proporcionado la medicina con
mutado por separado lo largo de varios millones de años. La identificación de
antibióticos importantes tales como penicilina y cefalosporina C .
estos cias diff permite al químico farmacéutico para diseñar fármacos que se unirán y actuar selectivamente contra la enzima bacteriana. Capítulo 19 trata de
Aunque es preferible dirigirse a las enzimas que son únicas para el invasor extranjero, aún es posible orientar
agentes antibacterianos tales
