23/11/2014Biossinalização Prof. Dr. Edson dos Anjos Biossinalização A biossinalização é muito importante para todos os organismos vivos (unicelulares e pluricelulares): Unicelulares: Monitoramento de pH externo (bactérias); Força osmótica; Disponibilidade de alimento; Detecção de oxigênio e luz; Presença de substâncias químicas nocivas; Formação de esporos em um ambiente com escassez de nutrientes; Pluricelulares (células diferentes trocam sinais entre si): Concentração de íons e glicose nos fluidos extracelulares; Atividades metabólicas; Localização correta das células durante o desenvolvimento (embrião). 1 23/11/2014 Transdução de Sinal O sinais biológicos representam informações que são detectadas por receptores específicos e convertidos em resposta celular (processo químico). A especificidade é alcançada por uma complementaridade molecular precisa entre as moléculas sinalizadoras. Transdutores de sinal são extremamente específicos e sensíveis. Em organismos multicelulares o grau de especificidade é ainda maior (células diferentes possuem receptores ainda mais específicos) Transdução de Sinal 3 fatores são responsáveis pela alta sensibilidade da transdução de sinal: 1) A alta afinidade dos receptores para as moléculas sinalizadoras. 2) A cooperatividade da interação ligante-receptor. A conversão de informação em alteração química é chamada de transdução de sinal. 2 . 3) A ampliação do sinal por cascatas enzimáticas. As forças intermoleculares estão envolvidas. estado T (baixa afinidade) e estado R (alta afinidade). concentrações de picomolares são detectadas pelos receptores. comumente 10-10 M ou menos. Exemplo de cooperatividade: Mudanças de conformação próximas ao heme pela ligação do O2 à desoxiemoglobina.23/11/2014 Transdução de Sinal A afinidade entre o sinal (ligante) e o receptor pode ser expressa na forma de constante de dissociação (Kd). Transdução de Sinal A cooperatividade nas interações receptor-ligante causa grandes alterações na ativação do receptor em resposta a pequenas alterações na concentração do ligante. 3 . Permite que a célula e combine um conjunto de moléculas sinalizadoras para a criação de complexos com diferentes funções ou localizações celulares.23/11/2014 Transdução de Sinal A amplificação ocorre quando uma enzima associada a um receptor de sinal é ativada. Um exemplo comum é a ligação de uma proteína de sinalização modular a resíduos fosforilados em outra proteína. essa interação pode ser regulada pela fosforilação ou desfosforilação. 4 . Essas cascatas produzem amplificações de várias ordens de magnitude em milissegundos. Essa enzima ativada catalisa a ativação de muitas moléculas de uma segunda enzima. Transdução de Sinal Outra característica importante é a modularidade das proteínas de sinalização. E depois essas ativam muitas moléculas de uma terceira enzima. ocorrendo entÀo a chamada Cascata Enzimática. existe muitas proteínas de ancoragem como a Anquirina: funciona como a maior ponte para o citoesqueleto espectrina–actina Trocador de íons Transdução de Sinal A sensibilidade dos sistemas receptores está sujeita a modificações. fazendo com que essas enzimas se aproximem. Das diferentes proteínas da membrana eritrocitária.23/11/2014 Transdução de Sinal Nas membranas existem ainda as Proteínas de ancoragem: São proteínas que não tem atividade enzimática. ocorre a dessensibilização do sistema receptor. Quando o estimulo diminui o sistema torna-se sensível novamente (luz e ecuridão). Garante as interações enzimáticas em locais celulares e momentos específicos. Muita luz solar Quarto escuro 5 . Possuem afinidade por diversas enzimas que interagem em cascatas. Quando um sinal está presente continuamente. Essas diferentes rotas de sinalização se comunicam umas com as outras em diferentes níveis. Quando 2 sinais apresentam efeitos opostos. a regulação é consequência da ativação integrada de ambos receptores.23/11/2014 Transdução de Sinal Uma última característica notável dos sistemas de transdução de sinal é a integração: É a capacidade de um sistema receber múltiplos sinais e produzir uma resposta unificada. como a concentração de um segundo mensageiro (X) ou o potencial de membrana (Vm). Sendo que a maquinaria de transdução de todos esses sinais tem como base 10 tipos básicos de componentes proteicos. Transdução de Sinal Existem vários tipos de sinais biológicos (ordem de milhares). 6 . gerando uma complexa “conversão cruzada” que mantém a homeostase da célula ou do organismo. 2) Fator de crescimento da epiderme (EGFR). 7 .23/11/2014 Receptores Os sistemas de transdução de sinal são classificados de acordo com o tipos de receptor (6 principais): 1) β-adrenérgico (adrenalina). regulada pela proteína G ativada. Uma proteína G. 4) Receptor de acetilcolina. 6) Hormônios esteróides Receptores (Proteína G) 1) Receptores associados a proteínas G e segundos mensageiros Esses receptores são chamados de GPCR (G proteincoupled receptors). ativada (ligada GTP) e desativada (ligada a GDP). 3) cGMP (ativa cinases). 5) Integrinas. produzindo um 2º mensageiro. atuam também como receptores olfativos e gustativos. fatores de crescimento. Uma enzima efetora (ou canal iônico). Os ligantes mais comuns são: hormônios. São receptores associados a um membro da família de proteínas de ligação a nucleotídeos de guanosina (proteínas G). Existem 3 transdução: componentes essenciais para esta Um receptor de membrana plasmática (helicoidal). α2. A PKA (proteínas-cinase A) quando fosforilada (ativa) iniciação o processo de mobilização de glicogênio (músculo e fígado) Proteínas RGS (reguladores de sinalização por proteínas G) 8 . β1 e β2. São definidos pelas afinidades e respostas a um grupo de agonistas e antagonistas. Os receptores adrenérgicos são de 4 tipos básicos: α1. fígado e tecido adiposo. Agonistas: são análogos estruturais que se ligam a um receptor e mimetizam o efeito normal do ligante Antagonistas: são análogos que se ligam ao receptor sem disparar o efeito normal (bloqueam o efeito do ligante biológico) Receptores (Proteína G) Os receptores β-adrenérgicos mais comuns são encontrados no músculo. onde os receptores β1 e β2 atuam pelo mesmo tipo de mecanismo: A adenilil-ciclase é regulada por uma proteína G estimulatória (Gs ). A adrenalina é o ligante dos receptores do sistema βadrenérgico que atua por meio do segundo mensageiro cAMP.23/11/2014 Receptores (Proteína G) Sistema β-adrenérgico O sistema β-adrenérgico é um tipo de receptor associado a proteínas G e segundos mensageiros. Uma proteína G inibitória (Gi) também pode se ligar. As numerações mostradas são meramente ilustrativas. 2 cAMP ativam 1 PKA 9 .23/11/2014 Receptores (Proteína G) Como funciona a PKA? A AKAP é uma proteína de ancoragem para a cinase A (PKA). mas acredita-se a adrenalina ative cerca centenas de proteínas G. Assim ocorre a fosforilação de outras por AP Receptores (Proteína G) A transdução de sinal pela adenilil-ciclase envolve várias etapas que amplificam o sinal hormonal original. A subunidade catalítica da PKA só fica disponível depois que se ligam as moléculas de cAMP. Histamina: substância vasodilatadora (imunológica). impedindo a ligação da proteínas G e provoca o “sequestro” do receptor por endocitose. Hormônio Paratireoide: ↑ [Ca2+]. Receptores (Proteína G) O cAMP age como segundo mensageiro para muitas moléculas reguladoras: O cAMP age como segundo mensageiro para muitas moléculas reguladoras: Cortropina: secreção do cortisol. 10 .23/11/2014 Receptores (Proteína G) Para ser funcional. um sistema de transdução de sinal deve ser desligado após o término do estimulo hormonal. Hormônio luteinizante: secreção de progesterona e testosterona. Dopamina: neurotransmissor. Somastatina: modula a secreção de insuluna e glucagon. E a arrestina (βarr): se liga ao domínio fosforilado do receptor. O receptor adrenergico é dessensibilizado pela fosforilação e pela associação com arrestina: Existem duas proteínas que realizam a mediação desse sistema : Cinase do receptor β-adrenérgico (βARK): fosforila alguns resíduos de Ser do receptor no domínio intracelular. A PLC produz diacilglicerol e IP3 (inositol trifosfato) a parir de PIP2 . Fosfolipase C (PLC) é específica para o fosfolipídeo de membrana fosfatidilinositol-4.23/11/2014 Receptores (Proteína G) O diacilglicerol. Receptores (Proteína G) Alguns sinais (hormônios) que agem através da PKC. IP3 e Ca2+ 11 . IP3 A [Ca2+] aumenta no citosol ativando preoteína-cinase C (PKC) juntamente com o diacilglicerol. inositol-trifosfato e Ca2+ têm funções relacionadas com segundos mensageiros. O IP3 se liga a canais de Ca2+ no RE. abrindo-os.5-bifosfato (PIP2). 23/11/2014 Receptores (Tirosina-Cinase) 2) Receptores Tirosina-Cinases Os receptores tirosina-cinases (RTK. Possuem um domínio externo de interação com o ligante e um domínio interno (proteína-cinase) resíduos de Tyr que em fosforila proteínas-alvo específicas. Essa autofosforilação expõe o sítio ativo que pode fosforilar outras proteínas (Tyr). 12 . de receptor tyrosine kinases) transduzem os sinais extracelulares por um mecanismo diferente dos GPCR. que quando ativado (insulina) se autofosforila (Tyr) utilizando ATP. Receptores (Tirosina-Cinase) A cascata de reações de fosforilação desencadeada pela estimulação do receptor de insulina é um exemplo do mecanismo dos receptores RTK. O INSR é o receptor proteico da insulina. 5-trifosfato (não confundir com IP3) age em uma ramificação da sinalização da insulina.23/11/2014 Receptores (Tirosina-Cinase) Quando o INSR é autofosforilado um de seus alvos é o substrato de receptor de insulina-1 (IRS-1. cuja função é aproximar 2 proteínas (IRS-1 e a Sos). Sos é uma proteína que se liga a Ras (da família de proteínas G pequenas). PIP3 (3.4.4. modula a transcrição de 100 genes. Ras ativa uma proteína-cinase (Raf-1) que fosforila a proteína-cinase MEK e depois essa fosofrila a ERK. Grb2 (proteína adaptadora sem atividade enzimática). Por fim a ERK ativada entra no núcleo e fosforila fatores de transcrição (Elk1. fosfatidilinositol-3.4.5) IP3 (1. de insulin receptor substrate-1). ativada por GTP.5) IP3 13 . fator de crescimento e divisão celular) Receptores (Tirosina-Cinase) O fosfolipídeo de membrana PIP3. ANF é liberado pelas células do átrio cardíaco (coração está estirado pelo aumento volume sanguíneo). 14 . Muitas das ações do cGMP em animais são mediadas pela proteína-cinase dependente de cGMP. cGMP). 2) O outro receptor é uma enzima que contém heme e é ativado por óxido nítrico (NO) intracelular. convertem GTP no segundo mensageiro: monofosfato cíclico de 3’. Receptores (Guanilil-Ciclases) Existem 2 tipos de guanilil-ciclases que participam da transdução de sinal: 1) A guanilil-ciclase renal (homodímero) que é ativada pelo hormônio peptídico fator natriurético atrial (ANF). [cGMP] causa um aumento na excreção de renal Na+ e água. quando ativadas. chamada de proteína-cinase G (PKG). reduz o volume sanguíneo.5’-guanosina (GMP cíclico.23/11/2014 Receptores (Guanilil-Ciclases) 3) Receptores Guanilil-Ciclases As guanilil-ciclases são enzimas receptoras que. ela fosforila resíduos de Ser e Thr em proteínas-alvo. presente no músculo liso do coração e nos vasos sanguíneos. Inversamente. pois provocam uma alteração no potencial da membrana. Sildenafil (Viagra®) Ereção Receptores (Canais Iônicos) 4) Canais Iônicos Controlados por Portões Os canais iônicos são a base da sinalização elétrica nas células excitáveis. 15 . A Na+K+-ATPase é eletrogênica: cria um desequilíbrio de cargas por transportar 3Na+ para cada 2K+ que entram (membrana polarizada). a saída de K+ hiperpolariza a membrana (Vm torna-se mais negativo). K+. A entrada de um cátion (Na+) ou de um ânion (Cl-) despolariza a membrana (Vm~ 0).23/11/2014 Receptores (Guanilil-Ciclases) O NO é produzido a partir da arginina pela enzima NO-sintase dependente de Ca+ O Sildenafil age inibindo uma das 3 diferentes isoformas da cGMP-PDE (fosfodiesterase). A excitabilidade de células sensoriais de neuronais e miócitos são dependentes de canais iônicos (controlam o movimento de íons como Na+. Ca2+ e Cl-). despolarizando a célula. diferenciação celular. fibrinogênio e fibronectina. Receptores (Adesão) 5) Receptores de Adesão A integrinas são proteínas da membrana plasmática que controlam a adesão de células umas às outras e à matriz celular. O resultante aumento na [Ca2+] interno provoca a liberação por exocitose do neurotransmissor acetilcolina para dentro da fenda sináptica. voltagem Existem 3 canais iônicos controlados por voltagem nos neurônios: canais de Na+. funcionamento das células imunológicas. Inicialmente a membrana do neurônio pré-sináptico esta polarizada e depois ocorre a entrada de Na+ que inicia a despolarização. K+ é liberado e repolariza a membrana.23/11/2014 Receptores (Canais Iônicos) Os canais iônicos controlados por produzem os potenciais de ação neuronais. A acetilcolina ativa canais que de Na+ e Ca+ no neurônio pós-sináptico. coagulação sanguínea. crescimento e metástase tumoral Os ligantes extracelulares que interagem são colágeno. desencadeando a entrada de Ca+ também. Transmitem sinais em ambas direções e todas possuem uma subunidade α e β. 16 . canais de K+ e canais de Ca2+. Atuam no desenvolvimento embrionário. Tamoxifeno 17 . O ligante se liga a um receptor proteico que interage com sequências reguladoras específicas no DNA (HRE). compete pelo receptor de estrogênio.23/11/2014 Receptores (Nuclear) 6) Receptores Nucleares Os hormônios esteroides. antagonista de estrogênio. o ácido retinoico (retinoide) e os hormônios da tireoide atuam no núcleo e alteram a expressão gênica. A especificidade da interação esteroide-receptor é explorada pelo fármaco tamoxifeno (combate o câncer de mama).