4. transducción de señales

8/19/2019 4. Transducción de Señales

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Transducción de Señales

Dr. Leonardo Guzmán G.Depto. de Fisiología

[email protected]


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Bibliografía

Lodish, H., Berk, A. (2005). Biología Celular y Molecular , 5ª edición, Editorial

Médica Panamericana, Madrid. (Capítulos 13, 14 y 23)

Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2002).

Molecular Biology of the Cell , 4th edition, Garland, New York. (Chapters 15 and

23).


3/103

La palabra comunicación proviene del latín "comunis" que significa “común". Por lo tanto

comunicar, significa transmitir ideas y pensamientos con el objetivo de ponerlos "encomún" con otro. Esto implica la utilización de un código de comunicación compartido.

Un código es un conjunto de signos y símbolos que debe ser compartido por los

participantes del proceso para que se produzca la comunicación.

Escritura

Signos de tránsitoMúsica

Matemática

Señalización hormonal

Una comunicación no solo contiene información, sino que también impone conductas.

Entre células y órganos se da la interacción complementaria y simétrica (ausencia o

presencia de diferencias o “jerarquía”).

Comunicación Celular

Nivel humano

Nivel celular

Los elementos en un

sistema de comunicaciónson:

Emisor

Mensaje

Medio

Receptor


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Tipos de

Comunicación

Hormonal

Célulasefectoras

sangre

b)

C)

D )

Neuronasecretora

(neurosecreción)


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Adaptación de las células blanco

Las células expuestas a un estímulo hormonal se adaptan disminuyendo

su respuesta cuando están expuestas al estímulo por períodos largos detiempo: adaptación o desensibilización.

El mecanismo para lograr esta adaptación se llama retroalimentación

negativa.


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Elementos de los Sistemas de Comunicación Celular

Hormona

Receptor

Sistema de Transducción

Efectores Intracelulares

Segundo Mensajero

Membrana celular

Citoplasma

Citoplasma


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¿Qué son las hormonas? (versión clásica)

Sustancia que se sintetiza y secreta por células especializadas, y se

transporta por la circulación a las células diana (o células blanco), en las

que provoca modificaciones específicas de la conducta metabólica de la

célula al interactuar con un receptor específico para esa hormona.

Elementos de los Sistemas de Transducción de Señal

Hormonas

¿Qué son las hormonas? (versión moderna)

Mensaje químico de una célula (o grupo de células) a otra.

Claude Bernard crea el concepto de “secreción interna”.

La palabra hormona deriva del griego hormon (poner en movimiento), y

fue usada por primera vez por William Bayliss y Ernest Starling en 1905,refiriéndose a la actividad de factores digestivos.

Adrenalina, fue la primera hormona aislada (Jokichi Takamine, 1901).

Oxitocina fue la primera proteína producida sintéticamente.


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Estructura química de algunas hormonas

Derivadas de amioácidos

Adrenalina DopaminaSerotonina

Melatonina TiroxinaGlutamato


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Hormona del crecimiento

(191 aminoácidos)Insulina (51 aa)

Hormonas Peptídicas

Angiotensina II

Glucagón (29 aa)


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Cortisol Aldosterona

Hormonas Esteroidales

Testosterona

Progesterona Estradiol


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Eicosanoides

Prostaglandina

Prostaciclina

Tromboxano

Leucotrieno

GPCR:

prostaglandins PGD2, PGE2 , PGF2α,

PGH2, prostacyclin [PGI2]

and thromboxane A2


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Efectos Generales de las Hormonas

Modificar la actividad de determinadas enzimas: Son muy frecuentes las fosforilaciones o

desfosforilaciones y las interacciones proteína – proteína que modifican la actividad

enzimática.

Modificar la cantidad de una determinada enzima: Muchas hormonas poseen por efecto a

modificación de la actividad transcripcional.

•Modificar la concentración de un determinado sustrato: Muchas hormonas provocan un

cambio en la permeabilidad de la membrana celular.

Hormona

Modificación del

Metabolismo

Cambio en laExpresión de

Proteínas

Cambio en la Actividad de un

Transportador de Membrana

Cambio en la

Concentración de un

Sustrato

Modificación de la Actividad Transcripcional

Efector(es)

Intracelular(es)


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Efectos Generales de las Hormonas

La amplificación de la señal hormonal


14/103

Los sistemas de transducción de señales se ordenan en niveles


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En 1877 Balthasar Luchsinger explicó ciertos efectos producidos por alcaloides

debido a que se unen químicamente a “proteínas vivientes” (living proteins)

(protoplasma).

Thomas R. Elliot postuló la hipótesis de que la adrenalina no actuaba ni sobre el

terminal nervioso, ni sobre el tejido muscular, sino que en la “unión mioneural”(myoneural junction), el punto en que se unen el nervio y el músculo.

John N. Langley indicó que ni las toxinas ni el impulso nervioso actuaban

directamente en la “sustancia contractil”, más bien sobre una sustancia accesoria,

una “sustancia receptiva” (receptive substance) en el músculo.

Sin embargo su existencia solo se sostuvo como hipótesis hasta inicios de los años

60.

El aislamiento de estas proteínas se inició en los años 70.

El Concepto de Receptor


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Tipos de Receptores


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ReceptoresTransformadores de la Señal Hormonal

De una u otra forma, la unión de la hormona al receptor provoca uncambio en la estructura de la parte citoplasmática de este.


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ReceptoresInteracción Hormona - Receptor

Los receptores presentan:

Especificidad: Capacidad del receptor de unirse a un solo tipo de

hormona. Un receptor se puede unir a su respectiva hormona, o a un

análogo estructural. Existen hormonas que pueden interaccionar con más

de un tipo de receptor.


19/103

Los receptores presentan:

Afinidad: “fuerza” con la que se une una hormona a su receptor. Los

receptores presentan una alta afindad por su hormona respectiva.

H + R H R][

ReceptoresInteracción Hormona - Receptor

KD =[H] * [R]

[HR] KD= 10-6 - 10-12


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ReceptoresInteracción Receptor – Efector Celular

• Los receptores activan sistemas efectores determinados. No activan a

todos los efectores intracelulares.

• Pero, la activación de un receptor puede activar a más de un sistema

efector.

• Por lo tanto los receptores, tienen especificidad hacia la hormona que los

activa y hacia los efectores intracelulares que son activados por él.


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Segundos mensajeros

Sustancias producidas intracelularmente en respuesta a la interacción de una

hormona con su receptor, para actuar en la regulación de distintos efectores

citoplasmáticos o nucleares:

• Bajo peso molecular.

• Difusibles en el citoplasma o en la membrana.

• Sustratos de enzimas catalíticas o transportadores específicos.

• Actúan en un momento y área subcelular restringida.

Ca2+

N O

C O

AMPc

GMPc


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Segundos mensajeros

Regulación de la actividad de

quinasas

Regulación de actividad decanales iónicos

Regulación de la

neurotransmisiónC O

DAG Activación de proteínas

quinasas

Liberación de Ca2+ desde

retículo endoplásmico

IP3

N O Relajación de endotelio vascular Regulación de neurotransmisión

Regulación de respuesta inmune celular

Ca2+ Contracción muscular

Proliferación

Secreción

Motilidad celular Metabolismo general

GMPc

AMPc Regulación de canales iónicos Activación de proteínas quinasas

Activación de reguladores de

proteínas G


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Elementos de los Sistemas de Transducción de Señal

Proteínas Quinasas

Las fosforilaciones en las proteínas vanacompañadas de una cambio estructural

y un cambio en la actividad de la

proteína fosforilada.

CH2

OHCH2

O

P O-

O-

O

QUINASA

ATP ADP

FOSFATASA

Pi

Las proteínas sustrato de las quinasas pueden desarrollar su actividad al estar

fosforiladas o al estar desfosforiladas.

QUINASA

FOSFATASA

P

P

QUINASA

FOSFATASA

ON

ON

OFF

OFF


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Clases de Quinasas


25/103

Efecto de las Quinasas en sus Proteínas Sustratos


26/103

Efecto de las Quinasas en sus Proteínas Sustratos


27/103

Mecanismos activación de

proteínas quinasa


28/103

Señalización a Través de

Receptores Acoplados a Proteínas G (GPCR)

Características:

Se han identificado cerca de 800, cerca de la mitad para funciones

sensoriales: luz, olor, sabores.

Clasificación:

1) Class A (rhodopsin-like), Class B (secretin receptor family), Class

C (metabotropic glutamate), Class D (fungal mating pheromone

receptors), Class E (cyclic AMP receptors) and Class

F (frizzled/smoothened)

2) GRAFS


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Family Class AClass B

(Secretin)

Class C

(Glutamate)Adhesion Frizzled

Receptors with

known ligands197 15 12 0 11

Orphans 87 - 8 26 0

Sensory

(olfaction)390 - - - -

Sensory

(vision)10 opsins - - - -

Sensory (taste) 30 taste - 3 taste - -

Sensory

(pheromone)5 vomeronasal - - - -

Total 719 15 22 33 11

Clasificación GRAFS


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Receptores Acoplados a Proteínas G

Esquema de la topología estructural de un receptor acoplado a proteína G


31/103

Modelo tridimencional de un receptor acoplado a proteína G

Estructura:

Rodopsina bacteriana:

criomicroscopia electronica y

cristales crecidos en fase

lipidica.


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Activación de las proteínas G


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αGDP

γ β Pi

GTP

α

γ β

R

αGDP

γ β

R

αGDP

γ β

αGDP

γ β

Toxina

del cólera

RGS

Toxina

Pertussis

Efectores

Efectores

GTP

GDP

αGDP

αGDP

γ βγ β Pi

GTP

αGTP

α

γ βγ β

R

αGDP

γ β

R

αGDP

αGDP

γ βγ β

R

αGDP

γ β

R

αGDP

αGDP

γ βγ β

αGDP

αGDP

γ βγ β

Toxina

del cólera

RGS

Toxina

Pertussis

Efectores

Efectores

GTP

GDP

Ciclo de activación de las proteínas G


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Elementos de los Sistemas de Comunicación Celular

Proteínas que unen GTP

Proteínas cuya función es regulada por la unión de nucleótidos de guanina:

GDP

GTP

Pi

GEF (guanine exchange

factor)

+

GTP

GDP

GTP

(activa)

GDP

GDI (GDP dissociation

inhibitor)

+

GAP (GTPase-activating protein)

(Inactiva)

intercambio

hidrólisis


35/103

Ciclo de activación de las proteínas G

g

g

Intercambia GDP por GTP

Hidroliza el GTP a GDP

Activa a efectores por interacción

Activa a efectores por interacción


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37/103

Los Distintos Tipos de Proteínas G


38/103

Los Distintos Tipos de Proteínas G


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Sistemas Efectores Acoplados a Proteínas G

Adenilil Ciclasa

PPi

Adenilil

ciclasa

AMP cíclico:Segundo mensajero


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Fosfodiesterasa (PDE) de AMPc

Fosfodiestera

AMPc AMP


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Topología de la Adenilil Ciclasa

Gαs

+

Gαi

_


42/103

Estructura Cristalográfica de Dominios

Citoplasmáticos de la Adenilil Ciclasa


43/103

Acoplamiento de la Adenilil Ciclasa en la

Transducción de Señal

“Primer

mensajero”

Segundo

mensajero


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Proteína quinasa dependiente de

AMP cíclico (PKA)


45/103

Resumen Vía de Activación de Proteína G s


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47/103

Efectores para las Proteínas G

Fosfolipasa C

Segundo mensajeroDAG: Diacilglicerol

Segundo mensajero

IP3: Inositol Trifosfato


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Activación de Efectores por

Segundos Mensajeros – DAG e IP3

Funciones de PKC:

• Desensibilización de receptores

• Remodelación de membrana plasmática

• Regulación de transcripción

• Mediación de respuesta inmune

• Regulación de proliferación celular

• Procesos de memoria y aprendizaje


49/103

Activación de Efectores por

Segundos Mensajeros – DAG e IP3


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Ca2+ como segundo mensajero

(ICRAC: calcium release-activated calcium current channels)


51/103

Activación de Efectores por Segundos

Mensajeros – Ca2+ /Calmodulina

Al unirse a Ca2+ la proteína Calmodulina cambia drásticamente su

conformación, de esta forma puede actuar sobre otras distintas


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Tipo de

Receptor

Acción del

agonistaExpresión Mecanismo

α1:

A, B, D

Contracción de

músculo liso

Vasos sanguíneos, iris, esfínteres, etc

Gq: phospholipase C (PLC) activated, ↑IP3and ↑Ca2+.

α2:

A, B, C

Contracción de

músculo lisoGi: adenylate cyclase inactivated, ↓cAMP.

β1Contracción de

músculo cardiacoCorazón Gs: adenylate cyclase activated, ↑ cAMP

β2Relajación de

músculo liso

Vasos sanguíneos, intestinos, útero,

vejiga.Gs: adenylate cyclase activated, ↑ cAMP

β3 Aumento de

lipolisisTejido Adiposo Gs: adenylate cyclase activated, ↑ cAMP

El Receptor Adrenérgico


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P

PCa2+

α1-AR

IP3R

β γ αq PLCβ

IP3

Ca2+/Calmodulina

MLCK

Contracción

GTP

El Receptor Adrenérgico Efectos Fisiológicos


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Receptores Colinérgicos

Tipo de receptor Estructura Tipo Transducción

Muscarínico Metabotrópico

(acoplado aproteína G).

Monómericos M1

M2

M3

M4

M5

Proteína Gq/11

Proteína Gi/o

Proteína Gq/11

Proteína Gi/o

Proteína Gq/11

Nicotínico Ionotrópico

(canal iónicoactivado por

ligando)

Pentaméricos α 1 – 1 0

1 – 4

δ

ε

γ

Dependiendo de la

composición puedenconducir Na+ o Ca2+.


55/103

Fosfolipasa C en un

contexto fisiológico


56/103

Desensibilización y Término de la Señal

Los receptores activados son sustrato para proteínas quinasas GRK (G

protein-coupled Receptor Kinase)

Arrestina

Clatrina

Endocitosis

Los receptores ajustan su sensibilidad de acuerdo a la concentración de

agonista a la que están expuestos.


57/103

Polimerización de Clatrina


58/103

Evidencia Directa de Polímeros de Clatrina


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60/103

Señalización a través de Receptores con

Actividad Enzimática

Receptores con actividad enzimática:

1) Guanilil ciclasa

2) Tirosina quinasa intrínseca

3) Tirosina quinasa extrínseca

4) Serina/treonina quinasa

5) Tirosina fosfatasa


61/103

Los distintos tipos de Receptores con

Actividad Tirosina Quinasa


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Receptores con Actividad Tirosina Quinasa


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Receptores con Actividad Tirosina Quinasa


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Activación de Cascadas de Señalización por

Activación de RTK – Vía Ras - MAPK

Ras: rats sarcoma, fue descubierta como oncogen en sarcomas de ratas.

MAPK

MAPKK

MAPKKKRasSOSGRB2


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Activación de Cascadas de Señalización por

Activación de RTK – Via de las MAPK

TCF (ternary complex

factor): factor delcomplejo ternario.

SRF (Serum response

factor). Factor de

respuesta al suero.

SRE (serum response

element): elemento de

respuesta al suero.


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Transducción de Señal Activada por Insulina


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Características:

Ligandos: hormonas lipofílicas: esteroidales, derivadas de

ácidos grasos.

Receptores: ubicados en el citosol o dentro del núcleo.

Transducción: activación de su capacidad de actuar como

reguladores de la transcripción.

• Los efectos de estas hormonas aparecen dentro de horas de iniciada la

estimulación.


Receptores Intracelulares


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Receptores Intracelulares

LBD (L igand

B inding D omain):

dominio de unión

a ligando.

DBD (D NAB inding D omain):

dominio de unión

al DNA.

AD (Activating

D omain): dominio

de activación de

la transcripción.


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ERE: estrogen receptor regulatory element

GRE: glucocorticoid receptor element

TRE: Thyroid hormone receptor element

VD3RE: vitamin D3 regulatory element

RARE retinoic acid receptor regulatory element


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Estructura Común de Receptores Esteroidales

Receptor de

glucocorticoides

Receptor de

progesterona

Receptor de

estrógenos

Receptor e andrógenos

Estructura consenso


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Características:

Ligandos: Acetilcolina, acido aminobutírico, glicina, glutamato, etc

Receptores: ubicados en la membrana plasmática (y en la

membrana del RE).

Transducción: Cambios en la concentración de iones cambios

en el voltaje de a membrana.

• Los efectos de estas hormonas aparecen dentro de microsegundos de

iniciada la estimulación.

Canales Iónicos Activados por Ligando


75/103

Los Neurotransmisores:


76/103

Esquema de la topología estructural de los canales iónicos


77/103


78/103

La Sinapsis como una Forma Especializada

de Comunicación Intercelular

La llegada del potencial de acción al terminal presináptico promueve la

liberación del contenido de las vesículas que contiene los neurotransmisores.


79/103

Modelo de la apertura de un canal iónico

Básicamente un canal iónico está compuesto por un poro y

una compuerta


80/103

Conductividad de canales iónicos a distintos iónes


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Canales Iónicos Activados por LigandoModelo estructural


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Tipo Funcional Ligando Canal Iónico

Receptores

excitatorios

Acetilcolina (nicotínico) Na+ / K+

Glutamato (NMDA, AMPA,

Kainato)

Na+ / K+ y Ca2+

Serotonina (tipo 5-HT3

) Na+ / K+

Receptores

Inhibitorios

γ -aminobutiric acid, GABA (tipo A y C)

Cl-

Glicina Cl-

(AMPA: α-amino-3-hydroxy-5-methylisoxazole-4- propionic acid)


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Canales Iónicos Activados por LigandoCombinación de 5 subunidades forman el receptor activo

El Receptor Nicotínico


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El Receptor Nicotínico

α2β γ δ

Control voluntario del movimiento, memoria y atención,

sueño y alerta, dolor y ansiedad


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Sinápsis glutamatérgica


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Receptor de Glicina

El receptor de glicina es el principal receptor-

canal iónico inhibitorio de la médula espinal.

Importante en coordinación motora,

transmisión del dolor, etc.

Investigaciones recientes han dado luces

acerca de la regulación intracelular que

posee.


87/103

Receptor de Glicina:

Sitios de unión de ligando

Betz and Laube, 2006


88/103

Agonista Receptor ionotrópico Receptor

metabotrópico

Acetilcolina Nicotínico Muscarínico: M1, M2, M3,

M4, M5

Glutamato NMDA, AMPA, kainato mGluR1… mGluR8

Serotonina 5-HT3

5-HT(1A, 1B, 1D, 1e, 1F, 2A, 2B,

2C, 4, 5a, 6 y 7)

γ -aminobutiric acid,GABA

Tipo A, tipo C Tipo B


89/103

Esquema Comparativo de Receptores Ionotrópicos y

Metabotrópicos

Acetilcolina Posee Efectos Asociados a la Activación de


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Acetilcolina Posee Efectos Asociados a la Activación de

Receptores Acoplados a Proteína G

Receptor colinérgico

muscarínico.

Tipos: M1, M2, M3, M4, M5


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El Receptor de Glutamato y sus Mecanismos de Acción

El neurotransmisor glutamato puede activar varios tipos distintos de

receptores de membrana

Grupo I: mGluR1 y 5

Grupo II: mGluR2 y 3

Grupo III: mGluR4, 6 y 7


92/103

Algunos canales iónicos pueden ser modulados

por proteína G


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94/103


95/103

Acción de la toxina del cólera


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Acciones de la toxina del cólera: modifica covalentemente a la subunidad

de la proteína Gs. Aumentan los niveles de cAMP y la actividad de PKA.

Esta quinasa fosforila canales de Cl-

y activa a trasnportadores Na+

/ H+

.Como resultado se pierde mucho NaCl y con ello grandes cantidades de

agua.

Cholera

toxinGTPGTP

NAD+

ADPαs αs AC

ATP

cAMP

PKA

CFTRTransp.

Na+

H+Cl-H2O

Estructura y Función de Prot G


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Estructura y Función de Prot G.

CREB Como Factor de Transcripción Común para


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CREB Como Factor de Transcripción Común para

Distintas Vías de Transducción


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Dominios SH2 y SH3


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Dominios SH2 y SH3


101/103

Mecanismo de Acción Transcripcional de


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Mecanismo de Acción Transcripcional de

Hormonas Esteroidales


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4. transducción de señales

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