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

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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

Page 2: 22 Sinalizacao Biologica

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

Page 3: 22 Sinalizacao Biologica

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

Page 4: 22 Sinalizacao Biologica

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

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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

Page 6: 22 Sinalizacao Biologica

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

Page 7: 22 Sinalizacao Biologica

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

Page 8: 22 Sinalizacao Biologica

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

Page 9: 22 Sinalizacao Biologica

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

Page 10: 22 Sinalizacao Biologica

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

Page 11: 22 Sinalizacao Biologica

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

Page 12: 22 Sinalizacao Biologica

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

Page 13: 22 Sinalizacao Biologica

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

Page 14: 22 Sinalizacao Biologica

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

Page 15: 22 Sinalizacao Biologica

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

Page 16: 22 Sinalizacao Biologica

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

Page 17: 22 Sinalizacao Biologica

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

Page 18: 22 Sinalizacao Biologica

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

Page 19: 22 Sinalizacao Biologica

Cross-talking: integração entre diferentes rotas

EPO

Receptor

Rota JAK-

STAT

Rota Ras-

Raf-MAPK

Sinalização biológica

Page 20: 22 Sinalizacao Biologica

Cross-talking: integração entre diferentes rotas

β-adrenérgico

Internalização do

receptor β-

adrenérgico

Expressão

gênica

Reforço da

sinalização de

outros

receptores

heptahélicos

Sinalização biológica