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APOSTILA DE MAPAS MENTAIS PONTO 2 Membrana plasmática: transporte, receptores e sinalização celular Mapas mentais para revisão de concurso docente Base principal: Alberts et al. - Biologia Molecular da Célula, 6ª ed. MAPA 1 — VISÃO INTEGRADORA DO PONTO 2 MEMBRANA PLASMÁTICA TRANSPORTE RECEPTORES SINALIZAÇÃO→ → → MEMBRANA • bicamada lipídica e barreira seletiva • fluidez, assimetria e domínios • proteínas de membrana e glicocálix TRANSPORTE • difusão e gradiente eletroquímico • transportadores, bombas e canais • potencial de membrana RECEPTORES • intracelulares e de superfície • GPCRs • receptores acoplados a enzimas SINALIZAÇÃO • segundos mensageiros • cascatas de fosforilação • amplificação, integração e término CONEXÃO PARA A BANCA: A membrana não é apenas uma barreira: ela organiza gradientes, recebe sinais e cria plataformas espaciais para a resposta celular. MAPA 2 — BICAMADA LIPÍDICA ORGANIZAÇÃO MOLECULAR DA BICAMADA FOSFOLIPÍDEOS • moléculas anfipáticas • cabeças hidrofílicas + caudas hidrofóbicas • auto-organização em meio aquoso FORÇAS • efeito hidrofóbico • interações de van der Waals • interações das cabeças com água/íons PROPRIEDADES • fluidez bidimensional • autorregeneração • barreira a íons e solutos polares COMPOSIÇÃO • fosfoglicerídeos • esfingolipídeos • colesterol • glicolipídeos CONEXÃO PARA A BANCA: Relacionar composição lipídica com permeabilidade, curvatura, mobilidade lateral e função de proteínas integrais. MAPA 3 — FLUIDEZ, COLESTEROL E ASSIMETRIA MEMBRANA COMO ESTRUTURA DINÂMICA FLUIDEZ • cadeias curtas fluidez↑ • insaturações cis fluidez↑ • temperatura altera mobilidade COLESTEROL • modula empacotamento • reduz permeabilidade a pequenas moléculas • amortece variações de fluidez ASSIMETRIA • folhetos têm composições distintas • orientação é mantida após síntese • lipídios podem atuar como sinais DOMÍNIOS • confinamento de lipídios/proteínas • interação com citoesqueleto cortical • especialização funcional local CONEXÃO PARA A BANCA: Explique por que a assimetria é funcional e como a organização lateral da membrana favorece sinalização específica. MAPA 4 — PROTEÍNAS DE MEMBRANA PROTEÍNAS ESTRUTURA, TRANSPORTE, ADESÃO E SINALIZAÇÃO→ INTEGRAIS • segmentos transmembrana • α-hélices são predominantes • alguns barris β formam canais ASSOCIAÇÃO • periféricas • ancoradas a lipídeos • associadas a outras proteínas FUNÇÕES • transportadores e canais • receptores e enzimas • adesão e ancoragem ao citoesqueleto ORGANIZAÇÃO • complexos multiproteicos • difusão lateral • confinamento em domínios • glicosilação na face não citosólica CONEXÃO PARA A BANCA: A topologia de uma proteína de membrana determina quais domínios interagem com ligantes, citosol e componentes extracelulares. MAPA 5 — PRINCÍPIOS DO TRANSPORTE PERMEABILIDADE + GRADIENTE ELETROQUÍMICO BICAMADA • gases e moléculas apolares atravessam melhor • pequenas moléculas polares: passagem limitada • íons: dependem de proteínas PASSIVO • a favor do gradiente • não exige energia metabólica direta • canais ou transportadores ATIVO • contra gradiente eletroquímico • acoplado a fonte de energia • primário ou secundário GRADIENTE • componente químico • componente elétrico • armazena energia potencial CONEXÃO PARA A BANCA: Diferencie concentração de gradiente eletroquímico: para íons, o potencial elétrico da membrana também determina a direção do fluxo. MAPA 6 — TRANSPORTADORES ACESSO ALTERNANTE E TRANSPORTE ACOPLADO MECANISMO • sítio de ligação específico • mudança conformacional • acesso alternante entre as faces MODOS • uniporte • simporte • antiporte SECUNDÁRIO • energia de gradiente pré-existente • frequentemente gradiente de Na+ ou H+ • acopla fluxo favorável a desfavorável APLICAÇÕES • regulação do pH citosólico • transporte transcelular epitelial • captação de nutrientes CONEXÃO PARA A BANCA: Transportadores são saturáveis e funcionam por ciclos conformacionais; canais formam poros e apresentam fluxos muito mais rápidos. MAPA 7 — BOMBAS DIRIGIDAS POR ATP TRANSPORTE ATIVO PRIMÁRIO ATPases TIPO P • intermediário fosforilado • Na+/K+-ATPase • Ca2+-ATPases Na+/K+-ATPase • expulsa Na+ e importa K+ • mantém gradientes de Na+ e K+ • sustenta transporte secundário e excitabilidade Ca2+-ATPases • mantêm Ca2+ citosólico baixo • SERCA transporta Ca2+ ao RE/RS • essenciais ao término do sinal de Ca2+ ABC • grande família de transportadores • ATP-binding cassette • transportam diversos substratos CONEXÃO PARA A BANCA: A Na+/K+-ATPase não cria instantaneamente o potencial de repouso; ela mantém os gradientes que permitem aos canais de escape sustentá-lo. MAPA 8 — AQUAPORINAS E CANAIS IÔNICOS POROS SELETIVOS E COM PORTAS AQUAPORINAS • alta permeabilidade à água • excluem íons • fluxo osmótico rápido SELETIVIDADE • filtro de seletividade • interação íon-canal • K+ e Na+ podem ser discriminados GATING • dependente de voltagem • dependente de ligante • mecanosensível FUNÇÃO • potencial de membrana • excitabilidade • secreção e contração • sinalização por Ca2+ CONEXÃO PARA A BANCA: A seletividade e a abertura/fechamento são propriedades distintas: um canal pode ser altamente seletivo e, ao mesmo tempo, regulado por diferentes mecanismos de gating. MAPA 9 — POTENCIAL DE MEMBRANA GRADIENTES IÔNICOS + PERMEABILIDADE SELETIVA REPOUSO • predomínio da permeabilidade ao K+ • canais de escape de K+ • interior celular relativamente negativo GRADIENTES • Na+ alto fora • K+ alto dentro • Ca2+ citosólico muito baixo BOMBA Na+/K+ • mantém gradientes • efeito eletrogênico pequeno • interrupção causa queda lenta do potencial EXCITABILIDADE • canais dependentes de voltagem • alterações rápidas de permeabilidade • base para sinais elétricos CONEXÃO PARA A BANCA: Integre transporte e sinalização: mudanças na permeabilidade iônica convertem estímulos em alterações elétricas e bioquímicas. MAPA 10 — PRINCÍPIOS DA SINALIZAÇÃO CELULAR SINAL RECEPTOR TRANSDUÇÃO RESPOSTA→ → → COMUNICAÇÃO • endócrina • parácrina/autócrina • sináptica • dependente de contato RECEPÇÃO • ligante reconhecido seletivamente • receptor muda de conformação/atividade • localização depende da natureza do sinal TRANSDUÇÃO • comutadores moleculares • fosforilação/desfosforilação • GTPases • segundos mensageiros RESPOSTA • rápida: proteínas preexistentes • lenta: expressão gênica • proliferação, diferenciação, metabolismo, movimento CONEXÃO PARA A BANCA: Uma mesma molécula sinalizadora pode produzir respostas diferentes porque células distintas expressam receptores, efetores e proteínas-alvo diferentes. MAPA 11 — ORGANIZAÇÃO DAS VIAS DE SINALIZAÇÃO ESPECIFICIDADE, AMPLIFICAÇÃO E CONTROLE AMPLIFICAÇÃO • um receptor ativa múltiplos efetores • enzimas geram muitos segundos mensageiros • cascatas multiplicam o sinal INTEGRAÇÃO • vias convergem em alvos comuns • crosstalk entre receptores • resposta depende do contexto celular ESPACIALIDADE • complexos de sinalização • proteínas de suporte/scaffold • domínios de interação CONTROLE • feedback negativo • feedback positivo • adaptação/dessensibilização • remoção do sinal CONEXÃO PARA A BANCA: A intensidade da resposta não depende apenas da concentração do ligante, mas também da duração, frequência, localização e arquitetura da rede. MAPA 12 — GPCR E PROTEÍNAS G RECEPTOR DE 7 PASSAGENS PROTEÍNA G HETEROTRIMÉRICA→ GPCR • sete hélices transmembrana • ligante estabiliza conformação ativa • atua como GEF para proteína G PROTEÍNA G • subunidades α, β e γ • Gα-GDP: estado inativo • troca GDP GTP: ativação→ EFETORES • Gs: adenililciclase • Gi: inibição de adenililciclase • Gq: PLCβ • Gβγ também regula efetores TÉRMINO • Gα hidrolisa GTP • reassociação αβγ • fosfodiesterases removem cAMP • fosfatases revertem fosforilações CONEXÃO PARA A BANCA: GPCRs convertem ligação extracelular em mudanças na atividade de proteínas G, que regulam enzimas e canais na membrana. MAPA 13 — VIA Gs–cAMP–PKA GPCR Gs ADENILILCICLASE cAMP PKA→ → → → GERAÇÃO •Gsα-GTP ativa adenililciclase • ATP é convertido em cAMP • cAMP atua como segundo mensageiro PKA • cAMP liga subunidades regulatórias • libera subunidades catalíticas • fosforila múltiplos alvos NÚCLEO • PKA pode alcançar núcleo • fosforila CREB • CREB recruta CBP e altera transcrição DESLIGAMENTO • GTPase de Gαs • fosfodiesterase degrada cAMP • fosfatases removem fosfatos CONEXÃO PARA A BANCA: É uma via clássica para demonstrar amplificação: poucos receptores ativados podem alterar grande número de proteínas-alvo. MAPA 14 — VIA Gq–PLCβ–IP3/DAG–Ca2+ GPCR Gq PLCβ PIP2 IP3 + DAG→ → → → PLCβ • ativada por Gq • cliva PI(4,5)P2 • gera dois segundos mensageiros IP3 • hidrossolúvel • difunde-se no citosol • abre receptores de IP3 no RE • eleva Ca2+ citosólico DAG • permanece na membrana • coopera com Ca2+ • ativa formas de PKC Ca2+ • liga calmodulina • ativa CaM-cinases • ondas e oscilações codificam informação • bombas restauram níveis baixos CONEXÃO PARA A BANCA: A bifurcação IP3/DAG mostra como um único evento na membrana gera sinais espacialmente distintos: um difusível no citosol e outro retido na membrana. MAPA 15 — Ca2+, CALMODULINA E CaM-CINASES Ca2+ COMO SEGUNDO MENSAGEIRO UBÍQUO HOMEOSTASE • Ca2+ citosólico basal muito baixo • estoques no RE • entrada extracelular e liberação interna CALMODULINA • sensor de Ca2+ • mudança conformacional ao ligar Ca2+ • regula proteínas-alvo CaM-CINASES • fosforilam alvos específicos • CaMKII pode integrar pulsos • respostas dependem do padrão de Ca2+ DINÂMICA • picos • ondas • oscilações • frequência/duração influenciam resposta CONEXÃO PARA A BANCA: O Ca2+ é informacional porque sua concentração citosólica é rigidamente controlada; pequenas elevações relativas tornam-se sinais detectáveis. MAPA 16 — DESSENSIBILIZAÇÃO DE GPCR LIMITAÇÃO DA RESPOSTA A ESTÍMULO PERSISTENTE GRK • reconhece receptor ativado • fosforila múltiplos sítios citosólicos • prepara ligação de arrestina ARRESTINA • impede novo acoplamento à proteína G • favorece endocitose • pode participar de sinalização própria DESTINOS • reciclagem à membrana • sequestro temporário • degradação e down-regulation FUNÇÃO • evita hiperestimulação • ajusta sensibilidade • permite adaptação celular CONEXÃO PARA A BANCA: Diferencie término do sinal por remoção do ligante de dessensibilização: a segunda reduz a capacidade de responder mesmo diante de estímulo persistente. MAPA 17 — RECEPTORES ACOPLADOS A ENZIMAS RECEPTORES DE PASSAGEM ÚNICA + ATIVIDADE ENZIMÁTICA CARACTERÍSTICAS • domínio extracelular liga ligante • segmento transmembrana único • domínio citosólico enzimático ou associado a enzima RTKs • dimerização/rearranjo • transautofosforilação • fosfotirosinas viram sítios de ancoragem DOMÍNIOS • SH2 reconhece fosfotirosina em contexto específico • PTB também participa de docking • complexos aumentam especificidade SAÍDAS • Ras-MAPK • PI3K-Akt • PLCγ • Rho/citoesqueleto CONEXÃO PARA A BANCA: A fosforilação do próprio receptor não é apenas ativadora: ela cria uma plataforma física para montagem de complexos de sinalização. MAPA 18 — RTK–RAS–MAPK RTK Grb2/Sos Ras Raf MEK ERK→ → → → → ATIVAÇÃO RTK • ligante aproxima/reorganiza receptores • tirosinas são fosforiladas • proteínas adaptadoras são recrutadas RAS • pequena GTPase • Sos funciona como Ras-GEF • Ras-GTP é o estado ativo • Ras-GAP acelera desligamento MÓDULO MAPK • Raf = MAPKKK • MEK = MAPKK • ERK = MAPK • cascata sequencial de fosforilação RESPOSTA • ERK fosforila alvos citosólicos • ERK regula fatores nucleares • crescimento, diferenciação e proliferação CONEXÃO PARA A BANCA: A arquitetura em cascata permite amplificação, controle e especificidade; proteínas scaffold ajudam a impedir comunicação indevida entre módulos paralelos. MAPA 19 — PI3K–AKT–mTOR SOBREVIVÊNCIA, CRESCIMENTO E METABOLISMO PI3K • ativada a jusante de RTKs • fosforila fosfoinositídeos • gera PI(3,4,5)P3 PIP3 • sítio lipídico de ancoragem • recruta proteínas com domínio PH • organiza ativação de Akt AKT • promove sobrevivência • regula metabolismo e crescimento • inibe componentes pró-apoptóticos mTOR • Akt inibe Tsc2 • Rheb-GTP favorece mTORC1 • estimula crescimento/proliferação • convergência com Ras-MAPK CONEXÃO PARA A BANCA: Compare Ras-MAPK e PI3K-Akt: são vias distintas, mas frequentemente ativadas pelo mesmo RTK e podem convergir sobre crescimento celular. MAPA 20 — RHO E CITOESQUELETO RECEPTORES DE SUPERFÍCIE GTPases Rho ACTINA→ → Rho GTPases • comutadores GDP/GTP • ativadas por GEFs • inativadas por GAPs EFEITOS • reorganização de actina • adesão • polaridade • migração INTEGRAÇÃO • RTKs podem ativar Rho • outros receptores também convergem • sinalização altera mecânica celular CONCEITO • resposta não é apenas transcricional • mudanças citoplasmáticas podem ser rápidas • citoesqueleto é alvo e organizador da sinalização CONEXÃO PARA A BANCA: Em prova, use Rho para demonstrar que receptores de membrana controlam diretamente arquitetura e comportamento celular. MAPA 21 — JAK–STAT RECEPTOR DE CITOCINA JAK STAT NÚCLEO→ → → RECEPTOR • não possui tirosina-cinase intrínseca • associa-se a JAKs citoplasmáticas • ligante promove aproximação/rearranjo JAK • fosforila receptor • cria sítios para STAT • fosforila STAT STAT • dimeriza após fosforilação • transloca ao núcleo • regula genes-alvo CARACTERÍSTICA • via relativamente direta • membrana ao núcleo • importante para citocinas e alguns hormônios CONEXÃO PARA A BANCA: Contraste com RTKs: ambos usam fosfotirosina, mas receptores de citocinas dependem de tirosina- cinases citoplasmáticas associadas. MAPA 22 — TGF-β–SMAD RECEPTORES SERINA/TREONINA-CINASE SMADs→ RECEPTORES • receptores tipo I e II • atividade serina/treonina-cinase • formação de complexo ativado SMADs • Smads reguladas pelo receptor • fosforilação e formação de complexo • entrada no núcleo RESPOSTA • regulação transcricional • diferenciação • proliferação • matriz extracelular CONTEXTO • efeitos dependem do tipo celular • interação com outros reguladores • exemplo de receptor enzimático não-RTK CONEXÃO PARA A BANCA: Use esta via para mostrar diversidade de receptores acoplados a enzimas: nem toda sinalização por fosforilação de receptor ocorre em tirosinas. MAPA 23 — NOTCH SINALIZAÇÃO DEPENDENTE DE CONTATO E PROTEÓLISE LIGANTE • Delta em célula vizinha • exige contato célula-célula • sinalização justácrina RECEPTOR • Notch é transmembrana • ligação desencadeia clivagens proteolíticas • domínio citosólico é liberado NÚCLEO • fragmento de Notch transloca ao núcleo • atua com reguladores de transcrição • ativa genes de resposta FUNÇÃO • decisões de destino celular • desenvolvimento • exemplo de receptor que gera regulador nuclear por proteólise CONEXÃO PARA A BANCA: Notch conecta diretamente contato intercelular à transcrição, sem depender de uma longa cascata de segundos mensageiros. MAPA 24 — WNT/β-CATENINA Wnt Frizzled/LRP ESTABILIZAÇÃO DE β-CATENINA→ → SEM Wnt • β-catenina é continuamente direcionada à degradação • complexo de destruição mantém nível baixo • genes Wnt permanecem reprimidos COM Wnt • Wnt liga Frizzled + LRP • degradação de β-catenina é inibida • β-catenina acumula NÚCLEO • β-catenina entra no núcleo • converte complexo transcricional em estado ativo • ativa genes-alvo FUNÇÃO • diferenciação • proliferação • desenvolvimento • desregulação pode contribuir para câncer CONEXÃO PARA A BANCA: A ideia-chave é controle da estabilidade de um regulador de transcrição, e não simplesmente ativação por fosforilação em cascata. MAPA 25 — HEDGEHOG Hedgehog Patched Smoothened REGULADOR TRANSCRICIONAL→ → → SEM SINAL • Patched inibe Smoothened • regulador transcricional é processado • forma repressora mantém genes-alvo desligados COM SINAL • Hedgehog liga Patched • inibição sobre Smoothened é aliviada • processamento repressivo é bloqueado NÚCLEO • forma ativadora do regulador acumula • genes responsivos são transcritos CONCEITO • via dedesenvolvimento • troca entre repressão e ativação • controle proteolítico é central CONEXÃO PARA A BANCA: Compare Hedgehog, Wnt e Notch: todas podem alterar transcrição por mecanismos que controlam disponibilidade/localização de reguladores latentes. MAPA 26 — NF-κB ESTÍMULO INFLAMATÓRIO/ESTRESSE IκB NF-κB→ → REPOUSO • NF-κB retido no citosol • IκB mascara sua atividade/localização nuclear ATIVAÇÃO • cascata fosforila IκB • IκB é ubiquitinada • degradação proteassomal libera NF-κB NÚCLEO • NF-κB transloca • ativa genes-alvo • resposta inflamatória e de estresse FEEDBACK • NF-κB induz IκBα • feedback negativo • estimulação sustentada pode gerar oscilações CONEXÃO PARA A BANCA: É um excelente exemplo para discutir como proteólise regulada e feedback negativo moldam a dinâmica temporal da sinalização. MAPA 27 — RECEPTORES NUCLEARES LIGANTES LIPOSSOLÚVEIS RECEPTOR INTRACELULAR TRANSCRIÇÃO→ → LIGANTES • atravessam membrana plasmática • hormônios esteroides e outros sinais hidrofóbicos • não exigem receptor de superfície RECEPTOR • proteína reguladora de transcrição • domínio de ligação ao ligante • domínio de ligação ao DNA RESPOSTA • alteração de expressão gênica • latência geralmente maior • efeitos podem ser duradouros CONTRASTE • receptores de superfície: sinais hidrofílicos • segundos mensageiros e cascatas • receptores nucleares: ligação direta entre sinal e regulação gênica CONEXÃO PARA A BANCA: A localização do receptor está relacionada às propriedades físico-químicas do ligante e à capacidade de atravessar a bicamada. MAPA 28 — ÓXIDO NÍTRICO E cGMP NO GUANILILCICLASE cGMP→ → NO • pequeno gás sinalizador • difunde-se através de membranas • atua localmente por curta distância ALVO • guanililciclase solúvel • produção de cGMP • cGMP regula proteínas efetoras CARACTERÍSTICA • não depende de receptor transmembrana clássico • sinal rapidamente difusível • exemplo de mensageiro gasoso INTEGRAÇÃO • mostra diversidade de sinais • cGMP é segundo mensageiro • sinalização pode começar sem ligação a receptor de superfície CONEXÃO PARA A BANCA: Use NO para contrastar três estratégias: receptor de superfície, receptor intracelular e ativação direta de uma enzima intracelular por um gás difusível. MAPA 29 — INTEGRAÇÃO ENTRE VIAS REDES, NÃO LINHAS ISOLADAS SOBREPOSIÇÃO • GPCR e RTK podem ativar vias comuns • PLCβ versus PLCγ • alguns GPCRs podem ativar Ras CONVERGÊNCIA • Ras-MAPK e PI3K-Akt convergem em crescimento • múltiplas cinases fosforilam alvos comuns • resposta final é combinatória ESPECIFICIDADE • scaffolds • domínios de interação • localização subcelular • expressão diferencial de componentes DINÂMICA • feedback • dessensibilização • oscilações • duração do estímulo altera destino da resposta CONEXÃO PARA A BANCA: Evite apresentar vias como diagramas independentes: a banca pode explorar crosstalk, convergência e dependência do contexto celular. MAPA 30 — SÍNTESE PARA A PROVA DA BICAMADA À RESPOSTA CELULAR 1. BARREIRA • bicamada cria compartimentalização • permeabilidade seletiva exige proteínas 2. GRADIENTES • bombas constroem gradientes • canais/transportadores exploram gradientes • potencial elétrico emerge 3. RECEPÇÃO • receptores reconhecem sinais • natureza do ligante determina localização do receptor • ativação inicia transdução 4. RESPOSTA • segundos mensageiros e cinases • alterações rápidas e transcricionais • feedback encerra ou remodela o sinal CONEXÃO PARA A BANCA: Resposta-modelo: estrutura da membrana, transporte e sinalização são dimensões do mesmo sistema: a membrana estabelece a interface físico-química na qual gradientes e receptores convertem informação extracelular em respostas celulares. ÍNDICE DE REVISÃO RÁPIDA 01. VISÃO INTEGRADORA DO PONTO 2 02. BICAMADA LIPÍDICA 03. FLUIDEZ, COLESTEROL E ASSIMETRIA 04. PROTEÍNAS DE MEMBRANA 05. PRINCÍPIOS DO TRANSPORTE 06. TRANSPORTADORES 07. BOMBAS DIRIGIDAS POR ATP 08. AQUAPORINAS E CANAIS IÔNICOS 09. POTENCIAL DE MEMBRANA 10. PRINCÍPIOS DA SINALIZAÇÃO CELULAR 11. ORGANIZAÇÃO DAS VIAS DE SINALIZAÇÃO 12. GPCR E PROTEÍNAS G 13. VIA Gs–cAMP–PKA 14. VIA Gq–PLCβ–IP3/DAG–Ca2+ 15. Ca2+, CALMODULINA E CaM-CINASES 16. DESSENSIBILIZAÇÃO DE GPCR 17. RECEPTORES ACOPLADOS A ENZIMAS 18. RTK–RAS–MAPK 19. PI3K–AKT–mTOR 20. RHO E CITOESQUELETO 21. JAK–STAT 22. TGF-β–SMAD 23. NOTCH 24. WNT/β-CATENINA 25. HEDGEHOG 26. NF-κB 27. RECEPTORES NUCLEARES 28. ÓXIDO NÍTRICO E cGMP 29. INTEGRAÇÃO ENTRE VIAS 30. SÍNTESE PARA A PROVA