Sinalização Celular.pdf

Aula de Bioquímica Avançada
Tema:
Sinalização Celular
Prof. Dr. Júlio César Borges
Depto. de Química e Física Molecular – DQFM
Instituto de Química de São Carlos – IQSC
Universidade de São Paulo – USP
E-mail: borgesjc@iqsc.usp.br

Princípios da Sinalização Celular
ORGANISMOS UNICELULARES
Células respondem a estímulos do meio: disponibilidade de oxigênio, nutrientes, etc
ORGANISMOS MULTICELULARES
Células enviam sinais umas às outras células mediante centenas de tipos de moléculas
extracelulares.
Célula ???
Morrer
Viver
Dividir
Proliferar
Diversos
sinais
simultâneos
Especialização
celular
Interação
celular
Movimento
celular
Proliferação
celular
A partir da
integração dos
sinais, as células
devem decidir o
que fazer

As células-alvo possuem proteínas receptoras.
As proteínas-receptoras reconhecem o 1º Mensageiro e respondem de forma específica.
Alta especificidade e sensibilidade
Célula
sinalizadora
Princípios da Sinalização Celular
TRANSDUÇÃO DE SINAL
CÉLULAS
SINALIZADORAS
MOLÉCULA
SINAL: 1º
MENSAGEIRO
PROTEÍNAS
RECEPTORAS
(CÉLULAS ALVO)
EMITE
SINAL
ALTERAÇÃO DO
COMPORTAMENTO
CELULAR

Princípios da sinalização celular
Transdução de sinal
Maneira pela qual a célula
recebe um determinado
tipo de sinalização e o
transmite para diversas
vias, que poderão ser
novamente transformadas,
até chegar a função
efetora – Dividir,
proliferar, morrer ....
1º mensageiro
- Proteínas
- Peptídeos
- Aminoácidos
- Nucleotídeos
- Ácidos graxos
- Esteroides
- Gases

Transdução de sinal
Uma dada célula responde a um conjunto limitado de sinais
- Depende de seu próprio conjunto de moléculas efetoras
Diferentes moléculas-sinais extracelulares
alteram o comportamento da célula-alvo.
Células diferentes respondem de modo
diferente ao mesmo tipo de sinal.
A informação
transmitida pelo sinal
depende de como a
célula-alvo recebe e
interpreta o sinal.

Integração da sinalização Intracelular
TRANSDUÇÃO INICIAL
TRANSMISSÃO
AMPLIFICAÇÃO
INTEGRAÇÃO
DISTRIBUIÇÃO
RESPOSTA CELULAR
Receptores
celulares específicos
responsáveis em
disparar processos
celulares conforme
a disponibilidade de
moléculas
executoras
- RESPOSTA
DIFERENCIADA
DEPENDENTE DO
TIPO CELULAR

Moléculas-sinal extracelulares: 1º Mensageiro Receptores específicos
Leveduras – unicelulares – sinalização feita por poucos tipos de moléculas
Células de animais superiores – Centenas de diferentes tipos de moléculas
Maioria das moléculas é secretada por exocitose. Outras são liberadas por difusão através
da membrana plasmática e outras ficam expostas ao meio extracelular, mas permanecem
ligadas a superfície da célula sinalizadora (proteínas de membrana)
Emissão do sinal
Independente da natureza do sinal, a célula-alvo responde por meio de uma proteína
específica: RECEPTOR.
Local onde a molécula sinalizadora se liga de forma específica iniciando uma resposta
nas células- alvo.
Alta especificidade
Proteínas modulares
Múltiplas isoformas tecido-específicas
Pontos de convergência/divergência de sinais

Moléculas-sinal extracelulares 1º Mensageiro Características químicas
Influencia as características estruturais do RECEPTOR
Grandes e hidrofílicas Pequenas e hidrofóbicas
Ligante tem que penetrar na célula-
alvo para ativação
Ativa receptores citoplasmáticos
e/ou nucleares
Maior parte dos receptores
Proteínas transmembrana que ao se
ligarem a molécula sinalizadora são ativados
e geram uma cascata de sinais intracelulares
alterando o comportamento da célula.

Tipos de Sinalização Extracelular
Endócrinos: liberados no plasma ação a “longa distância”
Neuronais ação mediada por neurotransmissor
Autócrinos:
liberados no
espaço
extracelular
ação na
mesma célula
que os libera
Parácrinos:
liberados no
espaço
extracelular
ação local
em outras
células

Hormônios: 1º mensageiro
Conjunto de moléculas responsáveis pela manutenção e coordenação das funções em um
organismo complexo.
Mensageiros químicos secretados no plasma ou interstício celular para regular a atividade
de outras células ou tecidos do organismo.
Função Tecido/célula/sistema alvo
Pressão arterial sistema vascular
Volume sanguíneo sistema vascular e rins
Balanço eletrolítico sistema vascular e rins
Embriogênese embriões
Diferenciação sexual órgãos sexuais e organismo
Desenvolvimento e reprodução órgãos sexuais e organismo
Fome cérebro
Comportamento alimentar cérebro e sistema digestivo
Digestão cérebro e sistema digestivo
Distribuição de combustíveis fígado

Sinalização de longa distância
Liberação do 1º mensageiro: Tipos de sinalização a longa distância
Sinalização neuronal Sinalização Endócrina
Distribuição muito rápida – 100 m/seg
Concentração alta do neurotransmissor
Efeito localizado
Maior precisão e rapidez
Distribuição lenta
depende da difusão
no fluxo sanguíneo
Concentração baixa
de hormônios
Efeito disperso

Vias de Sinalização Intracelular
Hormônios
Sistema neuroendócrino

Tipos de Sinalização Extracelular
A transmissão dos sinais em relação a distância
Distâncias
Secreção de sinais
(Ex: Hormônios)
Sinalização
endócrina
Mediadores locais
(Ex: Inflamação)
Sinalização
parácrina
Secreção de neurotransmissores
(Ex: Acetilcolina)
Sinalização
neuronal
Contato direto, sem
liberação de sinais
(Ex: desenvolvimento
embrionário)
Sinalização
dependente de
contato
Curtas
Longas

Transdução de sinais
A resposta celular a um sinal pode ser rápida ou lenta
A Especificidade da ação depende
da interação do 1º mensageiro com
receptores celulares
1) Liberação de 2º mensageiro no
citoplasma modificações
covalente reversíveis de proteínas
alvo
- Ativação/inativação de enzimas
efetoras
2) Abertura de canais
- Efeito direto
3) Modulação da expressão gênica
- Pode ser ação decorrente da
integração conjunta com 2º
mensageiro ou receptores nucleares

Sistemas de amplificação de sinal
As vantagens do uso de 2º mensageiros
Efeito “Cascata de sinalização”
1) Amplificação de sinal
- Um pequeno sinal pode produzir amplas respostas
celulares
2) Difusão do sinal por todos os compartimentos
celulares
- Modulação de toda célula para a nova situação
celular
3) Comunicação cruzada
- Integração com outros sinais

Transdução de sinais: características gerais
Alta conservação dos mecanismos de
transdução de sinais biológicos
Tipos de sinais biológicos milhares
Maquinaria de transdução conta com alguns
tipos básicos de componentes proteínas

Resumindo
Modulação da
Célula-alvo
Célula
sinalizadora
Sinal
(1º mensageiro)
Ex: hormônio
Proteína
receptora
Distância
1. Parácrina
2. Dependente de
contato
3. Endócrina
4. Neuronal
1. Intracelular
1. Canais iônicos
2. Receptores enzimáticos
3. GPCR Proteínas G
4. Guanilil-ciclase
2º mensageiros
cAMP
IP3
DAG
Ca2+
cGMP
Tiroquinases
- Óxido nítrico
- Hormônios esteroides
- Hormônios tireoidianos
2. Superfície
Transdução do sinal

Hormônios
1os Mensageiros
Tipos de hormônios

Hormônios
Tipos de hormônios

Hormônios
Tipos de hormônios: continuação

Hormônios
Hormônios peptídicos
Ação dependente de receptores de membranas e segundos mensageiros
Ex: Insulina e glucagon: metabolismo de carboidratos
Angiotensina II e bradicinina: pressão e volume sanguíneo

Hormônios
Hormônios catecolamínicos
Produzidos na medula adrenal
Papel importante na neurotransmissão e metabolismo energético
Noradrenalina/norepinefrina
Adrenalina/epinefrina

Hormônios
Os efeitos da Epinefrina e Glucagon no metabolismo do Glicogênio
- Cascatas de sinalização
- Amplificação de sinal

Hormônios
Hormônios eicosanoides
- mediadores celulares locais inflamação, febre, dor e agregação plaquetária

Hormônios
Hormônios esteróides
Ação dependente de receptores nucleares modulação da expressão gênica
cortisol Testosterona
Aldosterona Estradiol

Hormônios
Hormônios vitamina D

Hormônios
Hormônios Retinoides

Hormônios
Hormônios Tireoides
Produzido na tireoide
Estimulam o metabolismo energético

Hormônios
Óxido nítrico
Radical livre estável
Síntese dependente da NO-sintase
Ação local por intermédio da guanilato-ciclase
segundo mensageiro GMPc

Transdução de sinais
Os 6 mecanismos básicos
A redundância mecanística permite fazer generalizações

1) Receptores acoplados a Proteínas G
GPCR: G protein-coupled recpetors
~1/2 dos fármacos atuam sobre GPCR
Sistema de transdução de sinal formado por 3 componentes:
1) Receptor de membrana plasmática com 7 segmentos transmembrana
- Receptor hepta-helicoidais
2) Proteína G que alterna entre forma ativa (GTP) e inativa (GDP)
3) Proteína G-GTP ativa uma enzima que libera 2º mensageiros
Protótipo de
funcionamento GPCR
Receptor β-adrenérgico
Receptor adrenalina
4 tipos básicos:
α1, α2, β1, β2
Adrenalina = epinefrina
Dispara sinais de alarme
- Mobiliza energia metabólica
- Aumenta capacidade
cardiovascular
“lutar ou fugir”
Agonista: simula ligante natural
Antagonista: bloqueia efeito do
ligante natural = Fármaco

GPCR: G protein-coupled receptors
~1/2 dos fármacos atuam sobre GPCR
~1000 genes em humanos ~150 órfãos (sem ligantes descritos)
~350 para hormônios e outras moléculas endógenas
~ 500 para receptores olfativos e gustativos moléculas exógenas
Alta conservação estrutural e funcional
- Aminas de baixa massa molecular adrenalina
- Peptídeos opióides
- Proteínas
- Peptídeos
- Eicosanoides
- Receptores de luz

Proteína G Ancorada a
membrana via palmitoil
Gs- estimulatória Forma
inativa
Heterotrímero αβγ
Gsαβγ(GDP) Ativação do
receptor
- dissociação da Gsα(GDP)
- Dissociação do GDP
- Ligação do GTP
Ativação da Adenilil-
ciclase
Receptor β-adrenérgico
Protótipo do grupo
Presente no músculo
esquelético, fígado e
adipócitos
- Degradação de glicogênio e
triacilgliceróis
Adenilil-ciclase proteína
de membrana forma
cAMP na face citoplasmática

1) cAMP ativa a PKA induzindo a dissociação da
cadeia catalítica ativa da cadeia regulatória
inibitória
2) Fosforilação indiscriminada de proteínas
diversas como Glicogênio Fosforilase Kinase
(degradação de glicogênio) e Glicogênio Sintase
kinase (inibição da síntese de glicogênio)
Susceptível a cascata de amplificação de sinal

Todo sistema de transdução de sinal tem um mecanismo de término de resposta
Mecanismos de desligamento da ativação dos receptores β-adrenérgicos
1) Depende da dissociação do Gsα–GTP da adenilil ciclase
2) Atividade GTPase intrínseca da Gsα sobre o próprio GTP
- Existem proteínas ativadores da atividade GTPase (GAP) intrínseca da Gsα
Comutador binário autolimitante
Estímulo da Gsα(GTP) sobre a
Adenilil-ciclase é autolimitada
pela sua atividade GTPase
intrínseca
A Gsα(GDP) se reassocia ao Gsβγ e
ao receptor de membrana
3) Hidrólise do cAMP fosfodiesterase de
nucleotídeo cíclico
4) Fosfoproteínas-fosfatases atuam sobre as
proteínas fosforiladas pela PKA

Dessensibilizarão de receptores β-adrenérgicos
Processo que sequestra os receptores em
vesículas no citoplasma.
Depende da fosforilação da face
citoplasmática do receptor pela β-ARK (β-
adrenergic receptor kinase)
- Família GRK (G-protein coupled kinases)
Bloqueio da interação com a Proteína G
Recrutamento da β-arrestina e Clatrina
Sequestro em vesículas citoplasmáticas

cAMP é um 2º mensageiro multifuncional
Vários sistemas de transdução usam o cAMP
cAMP ativa a CREB (cAMP response element binding protein) ativa transcrição gênica
Reúnem Balsas lipídicas
- Receptor-proteína Gsαβγ
- Adenilil ciclase
- PKA
- cAMP fosfodiesterase
- Fosfoproteína fosfatase
- Outras
Proteína G-inibitória inibição da adenilil ciclase
- Estruturalmente similar a Gsαβγ
- GIαβγ(GDP) interage com receptores específicos
[cAMP] reflete a integração de ambos os sistemas
Resposta ao cAMP pode
ser breve e localizada
- Efeito dos complexos
envolvendo proteínas de
ancoragem da PKA
(AKAP5)

GPCR podem estar acoplados a Fosfolipase C (PLC)
Respondem a ativação de hormônios diversos
Ação conjunta de 2º mensageiros
Diacilglicerol (DAG) Ativa isoenzima da PKC
Inositol-1,4,5-trifosfato (IP3) libera Ca2+
Ca2+ Ativa isoenzima PKC

Acoplados resposta via Fosfolipase C (PLC)
Efeito do Ca2+ dependente da Calmodulina (CaM) sensor ubíquo de Ca2+
Ativa a CaM-kinase
Efeito do Ca2+ interconexão com cAMP
- Estimula a adenilil ciclase
- Estimula a cAMP-fosfodiesterase
Efeitos locais/temporais

2) Receptores Tirosina-kinases (RTK)
Domínio extracelular de interação com o ligante
Domínio citoplasmático com atividade kinase
- Conectados por um único segmento transmembrana
- Atividade Tyr-kinase intrínseca fosforilação cruzada
Receptor da Insulina: INSR Protótipo da classe
- Dímero
- Regulação de metabolismo e expressão gênica
- Interação com a Insulina fosforilação cruzada
- Saída da sequência auto-inibitória do sítio ativo
- Sítio ativo livre para interagir com proteínas
citoplasmáticas
O INSR ativo fosforila e ativa o IRS-1 (Insulin
receptor substrate-1)
O IRS-1 (Pi-Tyr) funciona como ponto de
nucleação para complexo de proteínas

Possuem atividade kinase intrínseca: Receptor da Insulina: INSR
Montagem do complexo envolve proteínas contendo o
domínio SH2 liga Pi-Tyr
Gbr2
- Reconhece Pi-Tyr da IRS-1
- Proteína conectora
- Contém domínio SH3
- Liga proteínas ricas em Pro
Sos
- É fator de troca de nucleotídeos (GEF)
- Induz troca de GDP/GTP na Ras
Ras
- Protótipo das pequenas proteína G
- Ligada a GTP ativa a proteína kinase Raf1 uma MAPK
(mitogen-activated protein kinase)
- Raf1 fosforila e ativa a MEK (uma MAPK kinase - MAPKK)
- MEK fosforila e ativa a ERK (uma MAPKK kinase -
MAPKKK)
Cascatas das MAPK

Possuem atividade kinase intrínseca: Receptor da Insulina: INSR
Ativação de enzimas contendo o
domínio SH2
Fosfoinositídeo-3-kinase – PI3K
- Reconhece Pi-Tyr da IRS-1
- Atua sobre fosfatidilinositol-4,5-
fosfato (PIP2)
- Formação do fosfatidilinositol-
3,4,5-fosfato (PIP3)
- O PIP3 ativa a PDK1 fosforila a
Akt (PKB)
Insulina inibe a enzima que inibe a Glicogênio Sintase
- Síntese de glicogênio
PKB
- Disponibiliza o Glut4
- Fosforila Ser e Thr de proteínas
alvo inativa GSK3
Glicogênio sintase kinase 3
- GSK3 não fosforilada Fosforila
a Glicogênio Sintase
- Redução da síntese de glicogênio

Possuem atividade kinase intrínseca: Outros exemplos
Envolvem dimerização dependente do
1º mensageiro
- Usam proteínas que interagem com Pi-
Tyr via domínios SH2
- Permite ampla integração de sinal
Envolvem dimerização dependente do
1º mensageiro
- Citocina Eritropoitina
- Modulação da expressão gênica direta e
indireta via cascata das MAPK

Integração de vias
Insulina versus Adrenalina
Metabolismo é entrelaçado e estratificado
Integração do sinal da insulina
Insulina induz sequestro de
receptores β-adrenérgicos
devido a fosforilação do C-
terminal do receptor via IRS-1 e
PKB
Fosforilação receptores α2-
adrenérgicos permite nucleação
do complexo via SH2 e ativação
da cascata das MAPK
modulação da expressão gênica

3) Receptores Guanilil-ciclases
Ação via cGMP e Proteínas Kinases G (PKG)
cGMP transmite diferentes
mensagens para diferentes tecidos
- Rins e intestino retenção de água
- Relaxamento do músculo cardíaco
Fator natriurético atrial (ANF)
- Secretado pelos átrios cardíacos
- Excreção renal de sódio
- Excreção de água
- Vasodilatação
Efeito do cGMP é revertido pela cGMP-
fosfodiesterase (cGMP-PDE)
- O Sildenafil (Viagra) inibe a isoforma peniana
vasodilatação ereção prolongada
Guanilil ciclase citosólica ativada
por óxido nítrico (NO)
- cGMP reduz tônus cardíaco
- Via da ação da nitroglicerina
- Tratamento da angina pectoris

Proteínas adaptadoras Tema recorrente
Fosforilação criam sítios de ancoragem em proteínas multivalentes
Proteínas multi-domínios que participam de circuitos proteicos
Interação específica de Pi-Tyr
- Interação específica mediada pela
sequencia adjacente da Pi-Tyr
Exemplos:
- domínio SH2
- PTB (Phosphotyrosin-Binding protein)
Auto-inibição via fosforilação interna

Proteínas multi-domínios que participam de circuitos proteicos
Módulos de interação
recorrentes
- Múltiplos domínios de
interação comuns em
diferentes proteínas
Em humanos
- 87 proteínas contendo o
domínio SH2
- 24 proteínas contém o
domínio PTB
Muitas contém o domínio
SH3
- liga PIP3 na face interna da
membrana formado em
resposta a PIK3 e IRS-1
- Proteínas multivalentes

Circuitos proteicos, proteínas de ancoragem e balsas lipídicas
EX: A cascata das Raf (MAPK), MEK (MAPKK) e Erk (MAPKKK) depende da proteína de
ancoragem KSR
Possibilita resposta
combinatória
Regulação da intensidade de
resposta via fosforilação no
sítio de ancoragem
Ex: Raf
Proteínas Tyr-fosfatases
também contém domínios de
interação comuns aos
envolvidos nos circuitos de
ativação
- Ex: domínio SH2

4) Receptores acoplados a canais iônicos
Convertem sinais QUÍMICOS em sinais ELÉTRICOS
- Funcionam de maneira simples e direta
- Responsáveis pela transmissão rápida de sinais (sinapses do sistema nervoso)
- Contração muscular, secreção hormonal, processos sensoriais, memória, etc.
Potencial de membrana
Polarização da membrana decorrente a
diferente concentração de íons
Gradiente de concentração de íons e
potencial elétrico são mantidos a custas de
ATP
- Na+K+-ATPase
Gradiente/potencial elétrico rompido pela
abertura de Canais iônicos passivos
específicos induzida por ligantes ou variação
de potencial elétrico transmembrana
Fluxo de íons continua até consumir a força
propulsora provida pelo gradiente de íons e
potencial de membrana.
- É especifico para cada íon
- É influenciado pelo tempo de abertura e
fechamento de um dado canal iônico

Canal de membrana controlados por voltagem
Sinalização no sistema nervoso central
- Potencial de ação em extremidades do neurônio
- Liberação de neurotransmissores na fenda sináptica
- Potencial elétrico passado adiante
Ação conjunta de 3 canais iônicos controlados por
voltagem
1) Onda de despolarização abre canais de Na+ entrada de
Na+
2) Despolarização atrasada de canais de K+ saída de K+
- Participa da repolarização
3) Despolarização final abre canais de Ca+ entrada de Ca+
- Ca+ age como 2º mensageiro
4) Exocitose de vesículas de acetilcolina neurotransmissor
na fenda sináptica
- Ativação de receptores na membrana pós-sináptica
- Abertura de canais iônicos

Funcionamento do canal iônico de Na+ sensível a voltagem
1840 resíduos
4 domínios contendo 6 α-
hélices transmembrana
formando um canal central
em funil específico para Na+
- Filtro de seletividade loop
entre hélice 5 e 6
α-hélice 4 é carregada +++
e funciona como sensor de
abertura
Inativação depende de
mecanismo de “bola de
corrente” que bloqueia o
canal
- Comprimento da
“corrente” determina o
tempo de abertura do canal

Funcionamento do canal iônico de Na+, K+ e Ca+ ativado por acetilcolina
Receptor nicotínico de acetilcolina
- Sensível a nicotina
- Sinapses e junções neuromuscular
Receptor formado por 5 subunidades
α2βγδ
- Cada subunidade tem 4 segmentos α-
hélices transmembrana (M1-M4)
- A hélice M2 é anfipáticas com Leu voltadas
para o centro do poro
A isoformas α contém o sítio de
interação para acetilcolina
Acetilcolina induz uma rotação
no segmento M2 de cada
subunidade levando as Leu
para o lado, abrindo o poro.
Outros neurotransmissores com receptores similares:
Serotonina, glutamato e glicina
A despolarização da membrana neuronal depende da integração dos diversos sinais que o
neurônio recebe

Transdução sensorial na visão, olfato e paladar
Envolvem integração de GPCR e canais de membranas
2º mensageiros intracelulares regulam canais iônicos acoplados a receptores específicos
Disparam despolarização/polarização da membrana de neurônios acoplados
Guardam semelhanças estruturais e funcionais com GPCR hormonais
- Ativação dependente da percepção de luz ou composto exógeno
- Modulação da concentração de um 2º mensageiro
- Supressão do sinal devido a ação autolimitante da Proteína Gα

5) Integrinas: Receptores Bidirecionais
Dímeros αβ Genoma indica 8 genes e 18 genes β
24 integrinas identificadas
Interações macromoleculares seletivas
- Desenvolvimento embrionário, coagulação, angiogênese, sistema imune, diferenciação
celular, crescimento e metástase tumoral
Sinalização “de fora para dentro” e “de dentro para fora”
liga citoesqueleto a matriz extracelular integra intra- e extracelular
- Influencia diretamente a adesividade celular
Ligantes extracelulares
- Colágeno
- Fibrinogênio
- Fibronectina
- Outras
Ligantes intracelulares
- Proteínas do citoesqueleto
- Talina
- α-actinina
- Vinculina
- Paxilina
- outras

6) Receptores nucleares
Ação hormônios esteroides, tireoidianos e retinóide
- Livre trânsito pela membrana plasmática pequenos e hidrofóbicos
- Ativação da transcrição de genes específicos
Presença de sequências HRE: elementos de resposta hormonal específicos

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