22 Sinalizacao Biologica
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Sinalização biológica
Mecanismos moleculares pelos quais as células reconhecem um sinal químico ou físico e o traduz
em um processo bioquímico celular
Sinal
Luz (fóton)
Odorante
Hormônio
Antígeno
Informação:
Transdução
de sinal Morte
Divisão
Síntese
Degradação
Câncer
Doença auto-imune
Diabete
Divisão + Falha de Reconhecimento Celular
Falha de Reconhecimento Celular
Falha de Receptor ou do Sinalizador
1. Definições
1. Definições
Efeito
Especificidade
Enzima 1
Enzima 2
Enzima 3
Sinal
Amplificação
Desensibilização/Adaptação Integração
Sinal 1 Sinal 2
Resposta 1 Resposta 2
Soma: Resposta 3
Sinalização biológica
1. Definições
Hormônio
secretado no
sangue
Vaso
sangüíneo
Célula-alvo
Célula
secretora
Meio
extracelular
Célula-alvo
adjacente
Sinalizadores e
receptores na
mesma célula
Endócrina Parácrina Autócrina
Sinalização biológica
1. Definições
Receptores acoplados a proteínas-G Ligante extracelular (S) ativa proteína-G que regula enzimas que geram um segundo mensageiro intracelular
Efetor citoplasmático (2º mensageiro)
Receptores tirosina kinase Ligante induz atividade de tirosina-kinase por auto-fosforilação
Cascata de fosforilação
DNA
mRNA
Proteína
Fator de transcrição
Receptores guanilato-ciclase Ligante extracelular induz formação de cGMP no domínio enzimático intracelular
Canais iônicos Abertura ou fechamento induzido por ligante ou potencial de membrana
Receptores de adesão (integrinas) Ligação com moléculas na matriz extracelular muda sua conformação, alterando interações com citoesqueleto
Receptores nucleares Ativados por moléculas lipofílicas (ex. esteróides) atua como fator de transcrição
Membrana nuclear
Membrana plasmática
Receptores enzimáticos ou ligados à enzimas
Mecanismos de sinalização: altamente conservados na escala evolutiva - milhares de sinais biológicos, diferentes classes de biomoléculas sinalizadoras - mecanismos regulados e interrelação: respostas múltiplas - maquinaria celular de transdução de sinal: cerca de 10 tipos básicos de proteínas
Sinalização biológica
2. Receptores acoplados a proteínas-G (Heptahélices ou Serpentinas)
Domínio de
interação com
ligante
Membrana
Domínios
intermembrana
Domínio de
interação com
proteína-G
Domínio de
interação com
proteína-G
Amino-término
Carboxi-término
Sinalização biológica
Ligante ativa o receptor
Receptor ativado causa a
troca de GDP na proteína-G
heterotrimérica por GTP
Subunidade α ligada ao
GTP transloca pela face
interna da membrana
Subunidade α ativada ativa
adenilato ciclase
Adenilato
ciclase produz
AMP cíclico
(cAMP)
Fosfodiesterase
degrada cAMP
cAMP ativa Proteína
Kinase A (PKA)
AC
Proteína G- α
2. Receptores acoplados a proteínas-G (Heptahélices ou Serpentinas)
Subunidade α da
Proteína G hidrolisa
GTP e re-associa com
subunidades β e γ
(forma inativa)
2.1 cAMP
Sinalização biológica
2. Receptores acoplados a proteínas-G (Heptahélices ou Serpentinas)
PKA inativa
Epinefrina
ATP cAMP
Adenilato
ciclase 20 moléculas
1 molécula
PKA
inativa
PKA
ativa
10 moléculas
Fosforilase b
kinase inativa
Fosforilase a
kinase ativa
100 moléculas
Glicogênio
fosforilase b
inativa
Glicogênio
fosforilase a
ativa
1000 moléculas
Glicogênio Glicose-1-fosfato
10 000
moléculas
Glicose
Diversos passos
10 000 moléculas de glicose no sangue
Subunidade
catalítica
dissociada
(ativa) Subunidade
catalítica
dissociada
(ativa)
2.1 cAMP
Sinalização biológica
2. Receptores acoplados a proteínas-G (Heptahélices ou Serpentinas)
2.1 cAMP
Adenilato ciclase: pode ser modulada de diferentes maneiras por proteínas-G
Adenilato
Ciclase Gsα Giα
cAMP
Ativa Inibe
Proteína Gs (estimulatória): estimula a síntese de cAMP (ativa a Adenilato Ciclase)
Proteína Gi (inibitória): inibe a síntese de cAMP (inibe a Adenilato Ciclase)
O mesmo receptor (cadeia polipeptídica que reconhece o ligante) pode interagir com diferentes tipos de
proteínas-G
ou
O mesmo agonista ativa diferentes subtipos de receptores associados a diferentes tipos de proteínas-G
Sinalização biológica
2. Receptores acoplados a proteínas-G (Heptahélices ou Serpentinas)
H
H
Sinal liga
ao receptor
Gq
GDP
GTP
GDP
Receptor
ativado
induz troca
GDP-GTP
Subunidade
α da
proteína Gq
ativada
ativa PLC
GTP
Fosfolipase C
(PLC)
Membrana
celular
PLC ativa
cliva PI-4,5 BP
em IP3 e
diacilglicerol
IP3
Diacilglicerol
Reticulo
endoplasmático
IP3 liga em
receptor na
membrana do
RE, liberando
Ca2+
Canal de Ca2+
Ca2+
Ca2+
Ca2+ ativa PKC e
outras proteínas
Diacilglicerol atua na ativação da
PKC na membrana
PKC
PKC ativa fosforila
diversas proteínas
Espaço
extracelular
Citosol
2.2 Fosfolipase C (PLC)
Sinalização biológica
2. Receptores acoplados a proteínas-G (Heptahélices ou Serpentinas)
2.3 Desensibilização (Desensitização)
1. Receptor ativado causa dissociação da
subunidade α das subunidades βγ da
proteína G
1
2. Livres da subunidade α, as subunidades
βγ da proteína G associam-se com
proteína βARK, a qual fosforila serinas na
extremidade carboxi-terminal do receptor
2
3
3. Proteína β-arrestina reconhece e liga-se
nas serinas fosforiladas do receptor
4
4. Complexo receptor-β-arrestina é
internalizado por endocitose
5
5. No interior da vesícula endocítica a β-
arrestina dissocia, o receptor é
defosforilado e em seguida ambas
proteínas retornam aos seus
compartimentos celulares
Sinalização biológica
3. Receptores enzimáticos ou receptores-enzima
3.1 Receptores tirosina-kinase
Domínio rico
em cisteína
Domínio
IgG-like
Domínio
Ligante
Domínio
Tirosina-
kinase
Domínio rico
em leucina
Exterior
Interior
Fosforilação: introduz grupamento com carga negativa por ligação covalente
Mudança conformacional (inativa → ativa) reversível: fosfatases
Sinalização biológica
3. Receptores enzimáticos ou receptores-enzima
3.1 Receptores tirosina-kinase
α
β
Insulina 1. Insulina (ligante) liga na
subunidade α do receptor e induz
fosforilação de uma subunidade β
pela outra, ativando domínio
tirosina kinase
2. Domínio tirosina kinase do receptor fosforila
proteína IRS-1
3. Proteínas contendo domínios SH2 são ativadas por
proteínas contendo tirosinas fosforiladas
P Tyr SH2 SH3 Recruta e
ativa outras
proteínas
4. Ativação seqüencial de proteínas contendo domínios
SH2-SH3 dispara cascata de ativação por fosforilação
(Raf-1→ MEK → ERK)
5. Proteína efetora migra para o núcleo e ativa fatores de
transcrição moduladores da ativação ou repressão de genes Síntese protéica
Citoplasma
Núcleo
Sinalização biológica
3. Receptores enzimáticos ou receptores-enzima
3.2 Receptores tirosina-kinase: Domínios SH2 e PTB
82 proteínas SH2-SH3 no
genoma humano
Domínio SH2
Grupamento
Fosfato ligado a
uma Tyr
AAs da
proteína
P-Tyr
Interação SH2/P-Tyr muda conformação de
proteínas: exposição de domínios SH3
(interação com outras proteínas)
24 proteínas domínios PTB
(Phospho-Tyr-Binding):
Reconhecem P-Tyr
Sinalização biológica
PDK-1
Ativa
3. Receptores enzimáticos ou receptores-enzima
3.3 Receptores tirosina-kinase: PI-3K e PKB (Akt)
Fosforilação de
outras proteínas
Sinalização biológica
Multivalência: proteínas envolvidas em processos de sinalização podem interagir de
variadas formas com diversas proteínas diferentes
Proteínas fosforiladas possibilitam sítios de ancoragem (ex. domínios SH2, PTB)
Combinações de domínios fosforilados numa mesma proteína e diferenças sutis entre
domínios homólogos em diferentes proteínas permitem a especificidade de interações
Associações físicas entre proteínas de uma mesma rota de sinalização: especificidade e
velocidade de resposta
Múltiplos domínios de ligação: permitem
associações entre grupos específicos de
proteínas por combinações de domínios
Proteínas associadas fosforilam umas às
outras (ex: Ras-MEK-ERK)
Rafts e caveólas: segregação espacial de
complexos de sinalização
Sinalização biológica
4. Canais iônicos
4.1 Canais operados por ligantes: receptor de acetilcolina Ca2+, Na+
K+
Sítios de
ligação da
acetilcolina
Acetilcolina
4.2 Canais operados por voltagem: canais de sódio
Exterior
Interior
Membrana
polarizada,
canal fechado
Sensor de voltagem
+-+-
+-+-
Despolarização
da membrana
+-+-
+-+-
Membrana
despolarizada,
canal aberto
Sinalização biológica
Hormônio esteróide ligado em
proteína plasmática
Membrana
Plasmática
Núcleo
Receptor esteróide
(Rec) ativado migra
para o núcleo
Síntese protéica
Função celular
alterada
Novas
proteínas
5. Receptores esteróides
Superfamília de receptores
esteróides/tireóide/vitamina
D: Ativadores de natureza
lipídica
Hormônios carregados na
circulação por proteínas
carreadoras
Ativam receptores
específicos dentro da célula
Receptores ativam ou atuam
como fatores de transcrição
no núcleo
Produção de novas proteínas
Hormônios sexuais
Vitamina A (ácido retinóico)
T1, T3, T4
Sinalização biológica
Bactérias
Quimioatrativo
(glicose, aminoácido)
Receptor Histidina
Kinase
(Componente 1)
Componente 2 fosforilado
reverte a direção do motor
do flagelo
Motor de rotação (controle
do flagelo)
Regulador de resposta
(Componente 2)
Membrana
-Sistema de dois componentes - receptor para um quimioatrativo e proteína reguladora do
movimento do flagelo
-Moléculas de interesse (hexoses, aminoácidos) aumentam a rotação do flagelo, enquanto
que moléculas potencialmente danosas causam a inversão do movimento de rotação
-Oxigênio, extremos de temperatura
Sinalização biológica
Cross-talking: integração entre diferentes rotas
EPO
Receptor
Rota JAK-
STAT
Rota Ras-
Raf-MAPK
Sinalização biológica
Cross-talking: integração entre diferentes rotas
β-adrenérgico
Internalização do
receptor β-
adrenérgico
Expressão
gênica
Reforço da
sinalização de
outros
receptores
heptahélicos
Sinalização biológica