Aula 03 Sinalização Celular Parte I Biomedicina 2014

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SINALIZAÇÃO CELULAR
Profa. Dra. Karen Oliveira
e-mail: karenrenata@yahoo.com.br
MÓDULO: CÉLULAS E MOLÉCULAS
SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL
UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ
INSTITUTO DE CIÊNCIAS BIOLÓGICAS
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- Comunicação Celular complexa e refinada com envolvimento de uma variedades de sinais químicos.
- Eventos sobrevivência do organismo multicelular: metabolismo, crescimento, proliferação e diferenciação.
Conceito de Sinalização Celular - Evolução da Célula
Aparecimento dos Organismos Multicelulares
Organismo Unicelular. Ex: bactéria
Organismo Multicelular
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- Células Sinalizadoras  Síntese e Liberação de Moléculas Sinalizadoras Extracelulares
- Células-alvo  receptores específicos
MECANISMO DE SINALIZAÇÃO CELULAR
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ROTA DE SINALIZAÇÃO INTRACELULAR
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Moléculas Sinalizadoras Extracelulares (ligantes): proteínas, peptídeos, aminoácidos (GABA e Glutamato), nucleotídeos (ATP), esteróides, retinóides, derivados de ácidos graxos e gases como o óxido nítrico (NO) e o monóxido de carbono (CO). 
Liberação por exocitose, difusão ou permanecer ligada a membrana plasmática da célula sinalizadora. 
Moléculas Sinalizadoras Extracelulares atuam em baixas concentrações e os receptores a reconhecem com alta afinidade e especificidade.
SINALIZAÇÃO CELULAR EM ORGANISMOS MULTICELULARES
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PROTEÍNAS RECEPTORAS OU RECEPTORES
Receptores de Superfície Celular: localizados na membrana - ligantes hidrofílicos
- Receptores Intracelulares: localizados no citoplasma ou núcleo, ligantes pequenos e hidrofóbicos.
- Proteína Carreadora
- Receptores de Superfície Celular ou Transmembrânicos são vantajosos
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FORMAS DE SINALIZAÇÃO INTERCELULAR
- Dependente de Contato
- Sinalização Parácrina
- Sinalização Autócrina
- Junções do tipo GAP
- Sinalização Sináptica
- Sinalização Endócrina 
Formas Simples
Formas Especializadas
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FORMAS DE SINALIZAÇÃO INTERCELULAR
Difusão restrita dos Mediadores Locais: 
- Recaptação
-Degradação enzimática
- Retenção na matriz extracelular
Sinalização Dependente de Contato Sinalização Parácrina
Importância: 
- Desenvolvimento
 - Resposta imune
Mediador local
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SINALIZAÇÃO AUTÓCRINA
- Célula secreta moléculas sinalizadoras que se ligam aos seus próprios receptores.
- Estágios Precoces do Desenvolvimento
- “Efeito Comunidade”
- Células Cancerígenas
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JUNÇÕES DO TIPO GAP
- Junções especializadas célula-célula
- Canais Aquosos Estreitos
Pequenas moléculas sinalizadoras: AMPc e Ca+2
 Células Nervosas
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FORMAS DE SINALIZAÇÃO INTERCELULAR
 Sinalização Sináptica Sinalização Endócrina
- Recaptação células-alvo e células da glia
-Degradação enzimática
- Medeia Efeitos Hormonais
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 Sinalização Endócrina
- Sinalização lenta - depende do fluxo sangüíneo e difusão
- Menor especificidade
- Hormônios - baixas concentrações
SINALIZAÇÃO SINÁPTICA
neurônios
células - alvo
 Sinalização Sináptica
- Sinalização rápida - impulso elétrico
- Maior especificidade
- Neurotransmissores - altas concentrações
Neurotransmissor
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RESPOSTAS DA CÉLULA A MULTIPLOS SINAIS EXTRACELULARES
- Cada célula responde a combinações de difererentes moléculas sinalizadoras.
- Diferentes combinações de moléculas podem induzir diferentes respostas celulares.
- Ausência de Sinais - Apoptose - Morte Celular programada. 
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Células diferentes podem responder de forma diferente à mesma molécula sinalizadora
- Natureza dos receptores e da maquinaria interna 
Ex.: Efeito do Neurotransmissor Acetilcolina 
Diminuição da Taxa e Força de Contração
Secreção
Aumento Contração
Célula Muscular Cardíaca
Célula Muscular Esquelética
Células Glândula Salivar
acetilcolina
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 Natureza das Moléculas Sinalizadoras
 Diferentes combinações realizadas por essas moléculas sinalizadoras
 Natureza das Proteínas Receptoras
 
 Maquinaria Interna das Células-Alvo
RESPOSTAS DA CÉLULA A MULTIPLOS SINAIS EXTRACELULARES
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SINALIZAÇÃO POR MEIO RECEPTORES INTRACELULARES
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SINALIZAÇÃO POR MOLÉCULAS PEQUENAS/HIDROFÓBICAS
- Óxido Nítrico (NO) como Molécula Sinalizadora
	Efeito Direto: Relaxamento da Parede dos Endotélios
	Efeito Indireto: Relaxamento dos Músculos Lisos 
- Enzima NO-sintase - Arginina  citrulina e NO
- NO ativa a enzima Guanilil Ciclase - GMPc - Relaxamento da células musculares lisas.
Terminal Nervoso Ativado
Acetilcolina
Ativação NO-SINTASE
arginina
NO
Células endotelial
Células muscular lisas
NO se liga a enzima guanilil ciclase
Rápida Difusão do NO pela Membrana
Rápido Relaxamento da Célula Muscular Lisa
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Moléculas Hidrofóbicas que se Ligam a Receptores Intracelulares
 Hormônios esteróides
 Hormônios tireoidianos 
 Hormônios sexuais
- Ácido Retinóico (retinóis)
 Vitamina D3 
- Receptores Intracelulares - Expressão Gênica
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Superfamília de Receptores Nucleares
- Receptores no citosol ou núcleo
 Receptores ligados a molécula de DNA - regulando a transcrição de gene específico.
- Superfamília de Receptores Nucleares
- Receptores Nucleares Órfãos 
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Respostas Induzidas pela Ativação de um Receptor Hormonal Nuclear: 
- Resposta Primária: ativação direta de grupos de genes
- Resposta Secundária: ativação de genes por produtos gênicos da resposta primária
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SINALIZAÇÃO POR MEIO DE RECEPTORES DE SUPERFÍCIE CELULAR
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- Ativados por moléculas hidrossolúveis 
- Atuam como Transdutores de sinal 
- Podem ser de três classes:
	 
	 Receptores associados a canais iônicos 
	  Receptores associados à proteína G
	  Receptores associados a enzimas
RECEPTORES DE SUPERFÍCIE CELULAR
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RECEPTORES ASSOCIADOS À PROTEÍNA G 
- Receptores Metabotrópicos 
- Proteína-Alvo : Enzima ou um Canal Iônico
- Proteína Ligadora de GTP (Guanosina Trifosfato) ou Proteína G
 Enzima: Concentração de Mediadores Intracelulares (Segundo Mensageiros) 
 Canal Iônico: Permeabilidade Celular
- Proteínas Transmembrânicas de sete passos (Multipassagem)
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Receptores Associados à Proteína G
 Maior Família de Receptores Transmembrana
	 - Receptores Sinuosos
Moléculas Sinalizadoras Extracelulares (ligante): hormônios, neurotransmissores e mediadores locais. 
Um mesmo ligante pode ativar diferentes membros desta família de receptores
Membros desta família de receptores possuem estruturas semelhante
Dois sítios de ligação:
 - lado extracelular - molécula do ligante 
 - lado citoplasmático - Proteína G 
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 Ativação do Receptor  Mudança Conformacional  Ativa Proteínas de Ligação a GTP ou Proteínas G.
Proteína G - Molécula Transmissora - Proteínas Alvo (Enzimas ou Canais Iônicos)
Todas as Proteínas G possuem estrutura e mecanismo de ação semelhantes :
	 - Composta de três subunidades: αβγ
 - Comutador Molecular:
			Estado inativo: GDP ligado a subunidade α 
	 	 Estado ativo: GTP ligado a subunidade α 
ESTRUTURA DE UMA PROTEÍNA G
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Proteínas ativadas ou inativadas por uma Proteína Ligadora de GTP
- Apresentam atividade GTPásica intrinseca.
- Estado Ativo: GTP ligado
- Estado Inativo: GDP ligado
- Ex: Proteína G
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TIPOS DE PROTEÍNAS G
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Ativação e Inativação de uma proteína G
 Receptor ativado interage com a proteína G e altera sua conformação.
 
Subunidade α perde afinidade por GDP e liga a GTP
 Proteína G se dissocia em dois componentes ativos:
subunidade α
complexo βγ
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- Subunidade α ativada ativa sua proteína-alvo
- Inativação da Proteína G: Atividade GTPásica da subunidade α da proteína G - Hidrólise do GTP  GDP
- Subunidade α se dissocia da proteína-alvo e reassocia ao complexo βγ, formando novamente uma proteína G inativa
Ativação e Inativação de uma proteína G
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 Subunidade  isolada é uma GTPase ineficiente
Atividade GTPásica da Proteína G
- AtividadeGTPásica da subunidade  é aumentada pela ligação de uma proteína auxiliar: proteína-alvo ou modulador específico - Regulador de proteína G sinalizadora (RGS).
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 ADENILIL CICLASE FOSFOLIPASE C-β
RECEPTORES METABOTRÓPICOS - ENZIMAS
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ATIVAÇÃO DA ENZIMA - ADENILIL CICLASE
- Proteína de Transmembrana encontrada em várias isoformas 
- Mediador Intracelular - Segundo Mensageiro: AMPc
- AMPc: Baixo Nível Intracelular - 10-7 M
 
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Síntese e degradação do AMP cíclico (AMPc)
 Adenilil Ciclase: síntese de AMPc a partir do ATP.
- Fosfodiesterases de AMPc: hidrolisa o AMPc é formando adenosina 5’- monofosfato (5’-AMP).
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RESPOSTAS CELULARES MEDIADAS PELO AMPc
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EFEITOS DO AMP CÍCLICO (AMPc)
Pode modular diretamente canais iônicos em células especializadas. Ex.: canais de Ca+2
 Ativa Enzima Proteíno-cinase dependente de AMP cíclico (PKA)
 PKA fosforila resíduos específicos de serinas ou treoninas em proteínas-alvo, regulando a atividade dessas proteínas.
 
Substratos de PKA variáveis - diferentes respostas celulares ao aumento na concentração de cAMP.
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ATIVAÇÃO DA PKA
PKA
2 subunidades reguladoras
2 subunidades catalíticas
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RESPOSTAS RÁPIDAS E RESPOSTAS LENTAS AO AMPc
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Respostas rápidas mediadas por cAMP
Ex: degradação do glicogênio induzida por adrenalina em células musculoesqueléticas.
Resposta lentas mediadas por cAMP:
-Envolvem alteração na transcrição gênica.
-Elemento de resposta ao AMPc (CRE) em regiões reguladoras de genes.
-Proteína de ligação ao CRE (CREB).
-Proteína de ligação ao CREB (CBP).
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Fosfatases tornam transitórios os efeitos de PKA e outras cinases
 Atividade de proteína-alvo reguladas por fosforilação e desfosforilação depende do equilíbrio entre a atividade de cinases e fosfatases. 
- Células devem ser capazes de desfosforilar as proteínas que foram fosforilada por PKA, para que os efeitos do cAMP sejam temporários.
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Fosfatases tornam transitórios os efeitos de PKA e outras cinases
- Fosfoproteínofosfatases de serina/treonina: I, IIA, IIB, IIC
	Tipo I: desfosforilar proteína de ligação ao CRE 
	Tipo IIA e IIC: especificidade mais ampla
	Tipo IIB: calcineurina - ativada por Ca+2 - tecido cerebral
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Tipos de Proteínas G
Proteína G estimulatória (Gs) ou Proteína G inibitória (Gi)
- Proteína G estimulatória (Gs) - aumenta a atividade da adenilil ciclase - aumenta os níveis de AMPc.
- Proteína G inibitória (Gi) - inibi a atividade da adenilil ciclase - atuando nos canais iônicos ao invés de reduzir os níveis de AMPc.
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Proteína G estimulatória (Gs) e inibitória (Gi) -Alvos de diferentes toxinas bacterianas
Toxina da cólera: 
- Enzima que catalisa a transferência da ADP-ribose do NAD+ intracelular para a subunidade α da proteína Gs.
 Altera atividade GTPásica da subunidade α da Proteína Gs: GTP  GDP
  [AMPc] - provoca efluxo de Cl- e água para a luz intestinal - diarréia.
 Toxina Pertussis:
- Produzida pela bactéria que causa coqueluche
 Ribosilação do ADP da subunidade α da Proteína Gi: GDP  GTP
 Subunidade α fica impedida de interagir com receptores ativados, permanecendo ligada a GDP.
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Fosfolipídeos de Inositol (Fosfoinositídeos):
fosfatidilinositol 
fosfatidilinositol fosfato 
fosfatidilinositol bifosfato 
Fosfolipase C- 
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Sinalização Mediada por Inositol 1,4,5 trifosfato (IP3)
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RELAXAMENTO MUSCULAR PROMOVIDO PELA AÇÃO DO NO
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Término da Sinalização por IP3
IP3 é desfosforilado formando IP2
IP3 é fosforilado formando IP4 (que também age como um sinalizador)
Ca2+ liberado é bombeado para fora do citosol
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Sinalização Mediada por Diacilglicerol (DAG)
 Ativação Enzima da Proteíno-cinase dependente de Ca2+ (PKC): 
- [Ca2+] altera PKC e esta se desloca para a membrana
- Na membrana PKC é ativada por Ca2+, DAG e fosfatidilserina
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Sinalização por Diacilglicerol (DAG)
Respostas Inflamatórias a Dor
Alvo de Drogas Antiinflamatórias (ibuprofeno, aspirina e cortisona) - inibem a síntese de eicosanóides
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Ca2+ como Mensageiro Intracelular
-Gradiente de Ca2+:
	[Ca2+] no citosol:10-7M
	[Ca2+] no meio extracelular e RE: 10-3 M
	Gradiente de Concentração
-Diversos sinais extracelulares podem induzir elevações na [Ca2+] 
 Ca2+ citosólico durante fertilização de óvulo por espermatozóide
-  Ca2+ citosólico - contração muscular nas células musculares
-  Ca2+ citosólico - secreção ou liberação de neurotransmissores pelas células neuronais. 
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Aumento Intracelular Ca2+
 Canais de Ca2+ dependentes de voltagem:
- Na membrana plasmática
- Respondem a despolarização - secreção de neurotransmissores
 Canais de liberação de Ca2+ com portões IP3/ Canais de Ca2+ dependentes de IP3:
		- Respondem a IP3 e liberam Ca2+ do RE
 Receptores de Rianodina
- Respondem liberando o Ca2+ do retículo sarcoplasmático.
 Ex: Contração das células musculares
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Manutenção de Baixas Concentrações de Ca2+ no Citosol
- Bomba de Ca2+ - membrana plasmática / RE / mitocôndria 
- Proteína Transportadora de Ca2+ - membrana plasmática 
- Molécula ligadora de Ca2+ - citosol 
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Proteínas de Ligação ao Ca2+ 
 Troponina C
	- Células Musculoesqueléticas
	- Contração muscular
 Calmodulina
	-Células Eucarióticas
	-Receptor Intracelular de Ca+2
	-Quatro sítios de ligação Ca+2
	-Quando ativada sofre mudança conformacional - ativação proteínas-alvo.
 	-Alvo complexo Ca2+/calmodulina: bomba de Ca+2. 
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Alteração de conformação do complexo Ca2+/ calmodulina ao ligar proteína-alvo
Complexo Ca2+/ calmodulina atua mediante ligação a proteínas-alvo:
- Proteínas transportadoras de membrana
 Ex: bomba de Ca2+ na membrana plasmática
 - Enzimas
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 Semelhantes a PKA e a PKC
 Fosforilam resíduos de serina ou treonina em proteínas-alvo
 Exemplos de CaM-cinases: 
	- cinase de cadeia leve de miosina - ativa contração músculo liso
	- fosforilase cinase - ativa degradação do glicogênio
	- CaM-cinase multifuncional : CaM-cinase II 
Proteíno-cinases Dependentes de Ca2+(CaM-cinases)
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CaM-cinase II
Enzima presente em todas as células animais
 Abundante no Sistema Nervoso Central
 Propriedades importantes: 
1. Capacidade de autofosforilação
	- “mecanismo de memória”: permanece ativa mesmo na ausência do Ca2+/calmodulina.
	- Autofosforilação
	- mecanismo de memória e aprendizado no sistema nervoso dos vertebrados.
2. Atua como “decodificador de freqüência”
 - Altera sua atividade de acordo com a freqüência de oscilações na concentração de Ca2+ 
 - Atividade aumenta proporcionalmente à freqüência.
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Atividade da CaM-cinase II aumenta proporcionalmente à freqüência de oscilações na concentração de [Ca2+]
 Atua como “decodificador de freqüência”:
 Altera sua atividade de acordo com a freqüência de oscilações na concentração de Ca2+ 
- Atividade aumenta proporcionalmente à freqüência.
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METABOLISMO DO GLICOGÊNIO
 Glicogênio: Reservas de Glicose 
 Local de Síntese e Degradação: 
músculos - contração muscular - atividades físicas
fígado - manutenção da glicemia (concentração de glicose no sangue) - jejum prolongados e jejum noturno.
Enzima de degradação: Glicogênio fosforilase
Enzima de Síntese:
Glicogênio sintetase
Neurotransmissor Catecolaminérgico: Epinefrina ou Noradrenalina 
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Envolvimento das Vias de Sinalização no Metabolismo do Glicogênio
 Degradação do Glicogênio - Célula Muscular Esquelética
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Envolvimento das Vias de Sinalização no Metabolismo do Glicogênio
 Degradação do Glicogênio - Célula Muscular Esquelética
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- Endocitose ou seqüestro do receptor
- “Down-regulation” do receptor
- Inativação do receptor
 Inativação de proteínasde sinalização intracelular
 Produção de proteína inibidora
Mecanismos de Adaptação ou Dessensibilização