Biofísica Aula 3 Biofísica Molecular A

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Biofísica Molecular
Prof. Dr. Helotonio Carvalho
Departamento de Biofísica e Radiobiologia – UFPE 
Recife, 2017
Átomos, Moléculas e 
Macromoléculas 
A biofísica descreve os mecanismos e processos necessários à vida nos
mais diferentes tipos de organismos.
O que define um ser vivo? 
➢Alto grau de complexidade química e organização microscópica.
➢Existência de sistemas que extraem, transformam e utilizam energia
do ambiente.
➢Capacidade de auto-replicação.
➢Mecanismos que sentem alterações no ambiente e respondem a
estas alterações.
➢Cada um dos componentes possui uma função definida, além de
interagirem entre si de maneira regulada.
A química dos 
organismos vivos
Elementos químicos presentes em 
organismos vivos
Composição química comparativa da crosta 
terrestre e do corpo humano
A
b
u
n
d
ân
ci
a 
re
la
ti
va
 (
%
)
A química das 
biomoléculas é 
baseada no 
carbono
Grupos funcionais mais comuns em 
biomoléculas
Vários grupos funcionais podem ser 
encontrados na mesma molécula
Moléculas de 
importância 
biológica
Quatro classes de monômeros dão origem às 
macromoléculas biológicas
Açúcares são fonte de energia e também 
formam polissacarídeos com diferentes funções
Glicose
✓A maioria apresenta a
fórmula geral: [C(H2O)]n, daí
o nome "carboidrato", ou
"hidratos de carbono”.
✓São as biomoléculas mais
abundantes na natureza
Ligações entre monossacarídeos
✓Oligossacarídeos: 3 a 50
monossacarídeos.
✓Polissacarídeos: centenas
ou milhares de
monossacarídeos.
Funções de alguns polissacarídeos
➢Estão envolvidas com comunicação intracelular: todas as células são
recobertas por glicoproteínas e glicolipídeos.
Glicoproteínas e sinalização celular
Lipídeos são importantes fontes de energia
Triacilglicerol,
um lipídeo de armazenamento
Ácido graxo 
saturado
Ácido graxo 
insaturado
Lipídeos têm função estrutural: membranas
➢Outras funções: sinalização celular, síntese de intermediários
inflamatórios (prostaglandinas)
Colesterol: membranas 
biológicas, hormônios
Aminoácidos são precursores das proteínas
Estrutura básica de 
um aminoácido
Alguns dos 20 aminoácidos que fazem parte de proteínas
Proteínas são sintetizadas pela condensação 
sucessiva de aminoácidos
Proteínas podem ter peso molecular de 6.000 a 3.000.000.
Funções das proteínas: transporte e 
contração muscular
Hemoglobina: 
transporte de 
oxigênio no 
sangue.
Actina e miosina: contração muscular
Funções das proteínas: defesa do organismo 
(anticorpos)
Funções das proteínas: catálise (enzimas)
Clivagem de um polissacarídeo 
por ação da enzima lisozima
Funções das proteínas: receptores celulares
Receptores celulares atuam como mediadores entre um estímulo 
extracelular e um efeito intracelular 
DNA e RNA são formados a partir de 
nucleotídeos
Bases nitrogenadas
Açúcar
DNA e RNA são formados a partir de 
nucleotídeos
DNA possui desoxirribose na sua
estrutura
RNA possui ribose na sua
estrutura
Uracil (U) substitui timina (T no
RNA)
DNA: estrutura em dupla hélice estabilizada 
por pareamento das bases nitrogenadas 
Dogma da Biologia Molecular
DNA
•Guarda informação sobre como a célula funciona na forma de genes.
Dupla fita.
RNA
•Funcionam como modelos para a síntese de proteínas (genes são
transcritos no RNA equivalente formando RNA mensageiro). Simples fita.
•Também transporta aminoácidos durante a síntese de proteínas.
•Presente também nos ribossomos (essenciais à síntese protéica)
Proteínas
•Sintetizadas a partir de um molde de RNA (RNA mensageiro)
•Exercem funções das mais diversas.
DNA, RNA e proteínas
Sinalização Celular
Dos procariotos aos organismos multicelulares
➢ Surgimento da vida na Terra: primeiras bactérias há 3,8 bilhões de anos,
aproximadamente 750 milhões de anos após a formação do planeta.
➢Primeiros eucariotos: 2,7 bilhões de anos atrás.
➢Primeiros organismos multicelulares: 1,7 bilhões de anos atrás.
Por que o surgimento de organismos multicelulares 
demorou tanto? 
Necessidade de surgimento de mecanismos que permitissem às células se
comunicar e adequar seu comportamento ao das demais células em benefício
do organismo como um todo.
O que é sinalização celular?
➢ Conversão de um estímulo 
extracelular em uma resposta 
específica dentro da célula.
➢ Em muitos casos, envolve ativação
de fatores de transcrição, que regulam
os níveis de expressão de
determinados genes.
➢ Essencial à regulação hormonal.
➢ É responsável pela resposta celular
a estímulos tão diversos quanto
proliferação e diferenciação celular,
quanto morte celular (apoptose).
Formas de sinalização entre duas células
➢Endócrina: molécula 
secretada por uma célula 
atinge a célula alvo através da 
corrente sanguínea. Ex: 
hormônios. 
➢Parácrina: molécula 
secretada por uma célula age 
sobre célula(s) alvo próximas. 
Ex: Neurotransmissores, NO, 
espécies reativas de oxigênio.
➢Neuronal ou sináptica. 
Impulso elétrico causa 
liberação de 
neurotransmissores.
➢Dependente de Contato. 
Atua diretamente entre 
células. Ex: sistema imune.
Amplificação de um sinal 
(cascatas de sinalização)
Um mesmo estímulo extracelular pode produzir 
diferentes efeitos em diferentes tipos celulares
➢ Isto se deve à produção de diferentes mediadores.
Por que alguns estímulos geram respostas rápidas 
enquanto outros geram respostas lentas?? 
➢ Além de mecanismos de ação diferentes, o tempo que algumas moléculas
possuem para atuar antes de serem degradadas é bem diferente!
✓Moléculas hidrossolúveisminutos
✓Moléculas lipossolúveis  horas ou dias
✓Neurotransmissores milisegundos ou segundos
➢Além disso, mecanismo que alteram proteínas (como fosforilação) são mais
rápidos que os que dependem de transcrição gênica.
Mecanismos de regulação em vias de sinalização 
Fosforilação x desfosforilação
➢ Alteração conformacional da proteína,
causada por fosforilação (ATP), torna a
proteína ativa.
➢ Quinases (adicionam grupos fosfato) x
Fosfatases (retiram grupos fosfato)
➢ Tirosina quinases: receptores para
fatores de crescimento (PDGF, EGF, NGF).
A ligação causa dimerização do receptor
que se auto-fosforila.
➢ Serina-treonina quinases: receptor
para TGF (inibição de proliferação
celular), MAPKs.
Alguns processos 
que envolvem 
sinalização celular
Receptores e outras moléculas que 
atuam em sinalização celular
➢ Receptores de membrana
➢ Receptores nucleares
➢ Proteínas quinases
➢ Proteínas fosfatases
➢ Proteínas G
➢ Segundos mensageiros
Principais classes de 
receptores 
Segundos mensageiros
➢ Pequenas moléculas sinalizadoras geradas em grande quantidade
após estimulação de um receptor.
➢Difundem-se rapidamente atuando na transmissão da resposta à
ativação do receptor por ligação e ativação de proteínas ou canais
iônicos.
➢Ex: Ca2+, diacilglicerol (DAG), inositol-1,4,5-trifosfato (IP3), cAMP,
cGMP.
(1) Sinalização por canais iônicos
➢ Essencial à ação de neurotransmissores [acetilcolina, serotonina,
glutamato, glicina, ácido g-aminobutírico (GABA)].
➢ Dois tipos de canais iônicos:
✓ Canais regulados por acoplamento de ligante.
✓ Canais regulados por voltagem.
➢ Atua não apenas em neurônios mas também em outros tipos de
células eletricamente excitáveis como células musculares e
sensoriais.
Canais regulados por acoplamento de ligante 
O receptor para acetilcolina
➢A abertura destes canais despolariza a membrana, o que tem
papel primordial na transmissão de impulsos nervosos para
neurônios e células musculares.
(2) Sinalização por receptores com atividadeenzimática - O Receptor para Insulina
➢ Hormônios peptídicos como
insulina e glucagon, Fatores de
crescimento, entre outros,
atuam por meio de receptores
enzimáticos.
➢cGMP como segundo 
mensageiro
➢Proteína quinase
dependente de cGMP
(PKG)
➢Ex: sinalização por 
NO.
Receptores com atividade guanilato ciclase
Sinalização por óxido nítrico (NO)
➢Sintetizado pela NO sintase, em processo desencadeado por neurotransmissores atuando
em células endoteliais. O NO se difunde para células do músculo liso que estejam próximas
e ativando a guanilato ciclase. O aumento nos níveis de cGMP ativa PKG, que atua no
complexo actina-miosina, causando relaxamento da célula e dilatação do vaso o que resulta
em redução da pressão sanguínea.
➢O mecanismo fisiológico da ereção do pênis envolve liberação de (NO) nos corpos
cavernosos durante a ereção. O Viagra inibe a fosfofodiesterase responsável pela
degradação do GMP cíclico aumentando o tempo da ereção.
➢Atua também como neurotransmissor no sistema nervoso central.
➢Também conhecidos por receptores serpentínicos por atravessarem a
membrana plasmática 7 vezes.
➢Constituem a maior classe de receptores de membrana. O genoma humano
codifica mais de 1000 receptores desta família.
➢Responsáveis pela transdução de uma grande diversidade de sinais, ligados à
visão, paladar e odor, além de responder pela resposta a hormônios.
➢ Proteína G: três subunidades a, b e g. A subunidade a tem atividade
GTPásica. Quando inativa, liga GDP. Quando o receptor associado é ativado, este
ativa a proteína G que desliga GDP e liga GTP e ativa proteínas efetoras (canais
iônicos ou enzimas que produzem 2os mensageiros).
(3) Receptores associados à proteína G trimérica
Proteína G atuando via cAMP e PKA: 
Receptor b-adrenérgico 
➢(A) cAMP como segundo mensageiro
➢Proteína quinase dependente de cAMP
(PKA)
➢(B) diacilglicerol, inositol
1,4,5-trifosfato (IP3) e Ca2+
como segundos 
mensageiros.
➢Fosfolipase C (PLC)
➢Proteína quinase
dependente de Ca2+ (PKC)
Proteína G atuando via IP3, Ca
2+ e PKC 
(4) Sinalização independente de receptores de 
membrana: Receptores Nucleares 
➢Os hormônios esteróides
constituem pequenas moléculas 
hidrofóbicas que difundem pela 
membrana plasmática e se ligam a 
receptores nucleares (receptores 
esteróides). A ligação ao receptor 
regula a transcrição de genes 
específicos. 
➢Estrógeno, progesterona, 
testosterona, sintetizadas a partir 
do colesterol pelos testículos e 
ovários.
Apoptose x Necrose
Normal
Normal
Inchamento reversível Inchamento irreversível
Alterações mitocondriais
Extravasamento da membrana
Blebbing da membrana
Alterações mitocondriais
Condensação da cromatina
Necrose secundáriaFragmentação da célula
Corpos apoptóticos
Membranas intactas
Necrose
ApoptoSe
Apoptose
 Processo ativo
Murchamento da célula
 Condensação da cromatina
 Clivagem internucleossômica do DNA 
(fragmentos de 180 kDa)
 Alterações mitocondriais, queda do 
potencial transmembrânico
Membrana plasmática intacta
 Fagocitose dos restos celulares (corpos 
apoptóticos)
 Ausência de resposta inflamatória
Necrose
 Processo passivo
 Inchamento da célula
 Clivagem aleatória do DNA
 Ruptura da membrana 
plasmática 
 Resposta inflamatória
Apoptose x Necrose
Visão Geral da Apoptose
➢1ª fase - Indução: via receptor ou danos ao DNA, p.e.
➢2ª fase - Resposta intracelular : sinalização celular
➢3ª fase - Fase efetora: Alterações morfológicas e bioquímicas características
Importância da apoptose
➢Apoptose é um mecanismo importante
na remoção de células:
que não são mais necessárias
infectadas por vírus
transformadas (câncer)
com danos ao seu material genético
➢Tem fundamental importância no
desenvolvimento embrionário, na
homeostase de tecidos em organismos
adultos e no sistema imune.
➢Caracteriza-se pela ativação de um
mecanismo de suicídio celular
morfologicamente diferente do processo
de necrose.
➢Ocorre em todos organismos
multicelulares.
Sinalização celular em apoptose
➢Via intrínsica ou mitocondrial: envolve
a família de proteínas Bcl2, a formação
do apoptossomo e ativação de caspase-
9.
➢Via extrísinca: envolve a ativação de
receptores de morte celular e ativação
de caspase-8.
Papel da proteína p53 em apoptose
Radiação UV
Dano reparado
(Célula sobrevive)
Dano excessivo
Apoptose Câncer
Dano ao DNA
Ativação de p53
Parada do ciclo 
celular
Indução de 
mecanismos de 
reparo de DNA
➢Proteases expressas como
precursores inativas (pro-caspases) 
que são ativadas por clivagem
auto-catalítica ou por outras
proteases.
➢Atuam em cascata, ou seja, uma
caspase, após ativada, ativa outras.
➢Dividem-se em caspases
iniciadoras (caspases 8 e 9), e 
efetoras (caspase, 3, 6 e 7)
Principais proteínas efetoras na apoptose: caspases
Proteínas alvo de degradação por caspases
➢Complexos ciclinas-Cdk  parada do 
ciclo celular.
➢Laminas  desestruturação da
membrana nuclear.
➢Actina  membrana começa a sofrer
invaginações.
➢ICAD (inibidor da nuclease CAD, 
DNAse ativada por caspase)
fragmentação do DNA.
Proteínas que regulam a apoptose
➢Família Bcl-2: proteínas citosólicas ou localizadas na membrana mitocondrial. 
Dividem-se em pró-apoptóticas (Bax, Bad, Bid…) e anti-apoptóticas (Bcl-2, Bcl-
XL…). 
➢Dímeros entre proteínas
pró-apoptóticas resultam
na abertura de um poro na
membrana mitocondrial, 
permitindo a saída de 
citocromo c e consequente
ativação da caspase-9.