Transdução de Sinal e Proteina G

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Biossinalização
05/05/2017
Introdução
A capacidade das células em receber
e responder a sinais para além da membrana
plasmática é fundamental à vida. As células
bacterianas recebem mensagens constantes
de proteínas de membrana que atuam como
receptores de informação, monitorando o meio
externo em reação a Ph, força osmótica, dis-
ponibilidade de alimento, oxigênio e luz, e pre-
sença de substâncias químicas nocivas, preda-
dores ou competidores por alimentos. Essa
conversão de informação em alteração quí-
mica, a transdução de sinal, é uma propri-
edade universal das células vivas.
Características gerais da transdu-
ção de sinal
A especificidade é alcançada por uma
complementaridade molecular precisa entre as
moléculas sinalizadores e receptores, mediada
pelos mesmo tipos de forças fracas (não co-
valentes) que controlam as interações enzima-
substrato e antígeno-anticorpo. A adrenalina
altera o metabolismo do glicogênio nos hepató-
citos, mas não nos adipócitos; nesse caso, os
dois tipos celulares rem receptores para hormô-
nio, porem, enquanto os hepatócitos contem
glicogênio e a enzima que metaboliza o gli-
cogênio, que é controlada pela adrenalina, os
adipócitos não contem nem um nem outro.
São três fatores responsáveis pela ex-
traordinária sensibilidade da transdução de si-
nal: a alta afinidade dos receptores para as mo-
léculas sinalizadores, a cooperatividade (nem
sempre) da interação ligante-receptor e à am-
plificação do sinal por cascatas enzimáticas.
A afinidade pode ser expressa na forma de
constante de dissociação Kd, o receptor de-
tecta concentrações picomolares da molécula
sinalizadora.
A cooperatividade nas interações
receptor-ligante causa grandes alterações na
ativação do receptor em resposta a peque-
nas alterações na concentração do ligante, por
exemplo.: efeito de cooperatividade do oxigênio
com a hemoglobina. A amplificação ocorre
quando uma enzima associada a um recep-
tor de sinal é ativada e, por sua vez, catalisa
a ativação de muitas moléculas de uma se-
gunda enzima, ativando muitas moléculas de
uma terceira enzima, e assim por diante, em
uma cascata enzimática. Essas cascatas po-
dem produzir amplificações de várias ordens
de magnitude em milissegundos.
A modularidade das proteínas de si-
nalização permite que a célula misture e com-
bine um conjunto de moléculas sinalizadoras
para a criação de complexos com diferentes
funções ou localizações celulares. Muitas pro-
teínas sinalizadoras têm múltiplos domínios
que reconhecem características especificas de
outras proteínas, ou do citoesqueleto ou da
membrana plasmática, e multivalência resul-
tante dos módulos individuais possibilitam a
montagem de uma ampla variedade de com-
plexos multienzimáticos. Proteínas de ancora-
gem sem atividade enzimática com afinidade
por diversas enzimas que interagem em cas-
cas aproximam essas proteínas, garantindo
sua interação em locais celulares e momentos
específicos.
A sensibilidade dos sistemas recepto-
res está sujeita a modificações. Quando um si-
nal está presente continuamente, corre a des-
sensibilização do sistema receptor, quando
o estimulo diminui, ficando abaixo de certo li-
mite, o sistema torna-se novamente sensível.
Um exemplo é o sistema de transdução visual
quando se passa de um ligar com muita luz
solar para um quarto escuro ou da escuridão
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para a luz.
Integração, a capacidade de um sis-
tema de receber múltiplos sinais e produzir
uma resposta unificada apropriada as neces-
sidades da célula ou do organismo. Diferentes
rotas de sinalização se comunicam umas com
as outras em diferentes níveis, gerando uma
complexa “conversa cruzada” que mantem a
homeostase da célula ou do organismo.
Obs.: frequentemente, o resultado final
de uma rota de sinalização é a fosforilação de
algumas proteínas especificas na célula-alvo,
que tem suas atividades alteradas e, assim,
alteram as atividades da célula.
Um sinal interage com o receptor; o
receptor ativado interage com a maquinaria
celular, produzindo um segundo sinal ou uma
alteração na atividade de uma proteína celu-
lar; a atividade metabólica da célula-alvo sofre
uma modificação; e, finalmente, o evento de
transdução termina. Existem seis tipos básicos
de receptores, sendo eles:
1) Receptores associados a proteína G que
ativam indiretamente (por meio de proteí-
nas de ligação ao GTP, ou proteínas G)
enzimas que geram segundos mensagei-
ros intracelulares.
2) Receptores tiosinas-cinases, receptores
da membrana plasmática que também são
enzimas. Quando um desses receptores
é ativado pelo seu ligante extracelular, ele
catalisa a fosforilação de diversas proteí-
nas citosolicas ou da membrana plasmá-
tica.
3) Receptores guanilil-ciclases, que também
são receptores da membrana plasmá-
tica com um domínio enzimático citoplas-
mático. O segundo mensageiro intracelu-
lar para esses receptores, o monofosfato
de guanosina cíclico (cGMP), ativa uma
proteína-cinase citosolica que fosforila pro-
teínas celulares, alterando suas ativida-
des.
4) Canais iônicos com portões na membrana
plasmática, que abre e fecham, devido a
isso o termo portões, em resposta a inte-
rações de ligantes químicos ou alterações
no potencial transmembrana.
5) Receptores de adesão, que interagem
com componentes macromoleculares da
matriz extracelular (como colágeno) e
transmitem instruções para o sistema do
citoesqueleto sobre migração ou adesão
à matriz.
6) Receptores nucleares, que interagem com
ligantes específicos (como o hormônio es-
trogênio) e alteram a taxa em que genes
específicos são transcritos e traduzidos
em proteínas celulares.
Receptores associados a proteínas
G e segundos mensageiros
Os receptores associados a proteí-
nas G, como o nome implica, são receptores
associados a um membro da família de pro-
teínas de ligação a nucleotídeos de guano-
sina. Três componentes essenciais definem
a transdução de sinalização via GPCR: um
receptor na membrana, uma proteína G que
alterna entre as formas ativa (ligada a GTP)
e inativa (ligada a GDP), e uma enzima efe-
tora (ou canal iônico) na membrana plasmática
que é regulada pela proteína G ativada. A pro-
teína G, estimulada pelo receptor ativado, troca
o GDP ligado a ela por GTP, e, então, gera
um segundo mensageiro que afeta alvos a
jusante.
O sistema receptor β-adrenérgico
atua por meio do segundo mensageiro
AMPc
Os receptores adrenérgicos são de
quatro tipos básicos, α1, α2,β1, β2, definidos
pelas diferenças nas afinidades e respostas a
um grupo de agonistas e antagonistas. Os ago-
nistas são análogos estruturais que se ligam
a um receptor e mimetizam o efeito norma do
ligante natural; os antagonistas são análogos
que se ligam ao receptor sem disparar o efeito
normal e, festa forma, bloqueiam os efeitos das
agonistas, incluindo o ligante biológico.
Como todos os GPCR, o receptor β-
adrenérgico é uma proteína integral com sete
regiões hidrofóbicas helicoidais com 20 a 28
resíduos de aminoácidos, que atravessam a
membrana plasmática sete vezes, assim ori-
ginando o nome alternativo receptor-hepta-
helicoidais para os GPCR. A ligação da adre-
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nalina ao sitio no receptor mergulhado na mem-
brana plasmática, segue as seguintes etapas:
1) Promove uma alteração conformacional
no domínio intracelular do receptor que
afeta sua interação com uma proteína G
associada, promovendo a dissociação do
GDP e a ligação do GTP;
2) Em todos os GPCR, a proteína G é hetero-
trimerica, composta por três subunidades
diferentes: α, β e γ. Tais proteínas G são,
portanto, conhecidas como proteínas G
trimericas. Neste caso, é a subunidade α
que se liga ao GDP ou GTP e transmite o
sinal do receptor ativado para a proteína
efetora. Como está proteína G ativa o seu
efetor, ela é chamada de proteína G esti-
mulatoria, ou Gs. Assim como outras pro-
teínas G, a Gs funciona como um “comu-tador” biológico: quando o sitio de ligação
a nucleotídeos na Gs (na subunidade alfa)
é ocupado por GTP, a Gs é ativada e pode
ativar sua proteína efetora (neste caso a
Adenil-ciclase); com GDP ligando ao sitio,
a Gs é inativada. Na forma ativa, as subu-
nidades β e γ da Gs dissociam-se, sob a
forma de um dímero βγ, na subunidade α,
e a Gsα, com o GTP ligado, move-se, no
plano da membrana, do receptor a uma
molécula de Adenil-ciclase próxima;
3) A Gsα é mantida na membrana pela li-
gação covalente a um grupo palmitoil. A
Adenil-ciclase é uma proteína integral da
membrana plasmática, como o sitio ativo
na face citoplasmática. A associação de
Gsα ativa com a Adenil-ciclase estimula a
ciclase a catalisar a síntese de AMPc a
partir de ATP;
4) Elevando a [AMPc] citosolica. A intera-
ção entre Gsα e Adenil-ciclase é possí-
vel apenas quando Gsα está ligada a
GTP. O estimulo por Gsα é auto limi-
tante; Gsα tem uma atividade GTPasica
intrínseca que inativa a si mesma por
meio da conversão a GDP do GTP li-
gado. A Gsα, agora inativa, dissocia-se d
Adenil-ciclase, causando a inativação da
ciclase. A Gsαreassocia-se com o dímero
βγ (Gsβγ), e a Gsinativa novamente dispo-
nível para interagir com um receptor ligado
ao hormônio.
Obs.: diversas proteínas G agem como
comutadores binários em sistemas de sinaliza-
ção com GPCR e em muitos processos que
envolve fusão ou fissão de membranas.
Obs.: o AMPc, por sua vez, ativa aloste-
ricamente a proteína-cinase dependente de
AMPc, também chamada de proteína-cinase
A ou PKA.
1) A qual catalisa a fosforilação de resíduos
de Ser ou Thr em proteínas-alvo, incluindo
a cinase da glicogênio-fosforilase b. essa
enzima está ativa quando fosforilada e
pode iniciar o processo de mobilização
do glicogênio a partir dos seus estoques
no musculo e no fígado, na expectativa
da necessidade de energia, como é sinali-
zado pela adrenalina. A forma inativa da
PKA contém duas subunidades catalíticas
idênticas (C) e duas subunidades de regu-
lação (R). O complexo tetramerico R2C2
é cataliticamente inativo, pois um domí-
nio auto inibitória em cada subunidade R
ocupa a fenda de ligação ao substrato de
cada subunidade C. Quando as subunida-
des R estão ligadas a AMPc, elas passam
por uma alteração na conformação, que
afasta o domínio auto inibitório de R do do-
mínio catalítico de C, e o complexo R2C2
se dissocia, originando duas subunidades
C livres e cataliticamente ativas.
Obs.: o efeito líquido da cascata é a am-
plificação do sinal hormonal em várias ordens
de magnitude, o que justifica a necessidade de
concentração muito baixas de adrenalina, ou
qualquer hormônio, para a atividade hormonal.
Diversos mecanismos levam ao ter-
mino da resposta β-adrenérgica.
Para ser funcional, um sistema de
transdução de sinal deve ser desligado após o
termino do estimulo pelo hormônio ou por outra
molécula, e os mecanismos para a desativação
do sinal são intrínsecos a todos os sinais de
sinalização. Quando a concentração de adre-
nalina na corrente sanguínea diminui, ficando
menor que a de Kd do receptor, o hormônio se
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dissocia do receptor e este reassuma a con-
formação inativa, na qual não consegue ativar
Gs.
Uma segunda maneira de extinguir a
resposta ao estimulo β-adrenérgico é pela hi-
drolise do GTP ligado à subunidade Gα, cata-
lisada pela atividade GTPasica intrínseca da
proteína G. A conversão do GTP ligado em
GDP favorece o retorno de Gα à conformação
na qual ela liga-se as subunidades Gβγ a con-
formação em que a proteína G é incapaz de
interagir com a adenilil-cilcase ou estimula-la.
Isso então encerra a produção de AMPc.
Um terceiro mecanismo para o término
da resposta é a remoção do segundo men-
sageiro: a hidrolise do AMPc a 5-AMP (sem
atividade como segundo mensageiro) pela fos-
fodiesterase de nucleotídeo cíclico. Quando
a [AMPc] diminui e a PKA retorna a forma ina-
tiva, o equilíbrio entre fosforilação é deslocado
na direção da desfosforilaçao por essas fosfa-
tases.
O receptor β-adrenérgico é dessen-
sibilizado pela fosforilação e pela associa-
ção com arrestina
Um mecanismo diferente, a dessensibi-
lizarão, suprime a reposta mesmo enquanto o
sinal persiste. A dessensibilização do receptor
beta-adrenérgico é mediada por uma proteína-
cinase que fosforila o receptor no domínio in-
tracelular, que normalmente interage com Gs.
Quando o receptor é ocupado pela adrena-
lina, a cinase do receptor β-adrenérgico, ou
βARK, geralmente situada no citosol, a ark é
recrutada à membrana plasmática pela associ-
ação com as subunidades Gsβγ , estando assim
posicionada para fosforilar o receptor. A fosfori-
lação do receptor cria um sitio de ligação para
a proteína β-arrestina ou βarr, e a ligação
da β-arrestina também facilita o sequestro do
receptor – a remoção das moléculas do recep-
tor da membrana plasmática por endocitose
em pequenas vesículas intracelulares. Nesse
estado, os receptores não são acessíveis a
adrenalina e são inativos.
O AMP cíclico age como segundo
mensageiro para muitas moléculas regula-
doras
O glucagon sê liga ao seu receptor na
membrana plasmática dos adipócitos, ativando
(via proteína Gs) a adenilil-ciclase. A PKA, es-
timulada pelo resultante aumento na [AMPc],
fosforila e ativa duas proteínas essenciais para
a mobilização dos ácidos graxos dos depósitos
de gordura.
Alguns hormônios agem por meio de
inibição da adenilil-ciclase, desta maneira redu-
zindo a [AMPc] e suprimindo a fosforilação de
proteínas. Por exemplo, a ligação da somatos-
tatina ao seu receptor causa a ativação de uma
proteína G inibitória, ou Gi, estruturalmente
homologa a Gs,que inibe a adenilil-ciclase e
diminui a [AMPc]. A somatostatina, portanto,
contrabalança os efeitos do glucagon.
Diacilgllicerol, inositol-trifosfato e
Ca2+ tem funções relacionadas como se-
gundos mensageiros
Uma segunda ampla casse de GPCR
se acopla por meio de uma proteína G a uma
fosfolipase C (PLC) da membrana plasmática,
a qual é específica para o fosfolipídio de mem-
brana fosfatidil-inositol-4,5-bifosfato, ou PIP2.
Quando um dos hormônios que agem por esse
mecanismo liga-se ao receptor especifico na
membrana plasmática, seguem as seguintes
etapas:
1) O complexo receptor-hormônio catalisa a
troca de GDP por GTP em uma proteína
G associada, Gq;
2) Ativando-a de maneira muito semelhante
a ativação de Gs pelo receptor adrenér-
gico. A proteína Gq ativada ativa a PLC
especifica para PIP2;
3) A qual catalisa a produção de dois po-
tentes segundos mensageiros, diacilgli-
cerol e inositol-1,4,5-trifosfato ou IP3.
O inositol-trifosfato, composto solúvel em
agua, difunde-se da membrana plasmá-
tica para o reticulo endoplasmático (RE),
onde se liga a canais de Ca2+ específicos
controlados por IP3, abrindo-os. Quando
esses canais de Ca2+ são abertos, o cál-
cio flui para o citosol;
4) Então a concentração de cálcio citosolica
rapidamente aumenta para aproximada-
mente 10−6M. uma consequência da con-
centração de cálcio elevada é a ativação
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da proteína-cinase C (PKC). O diacilgli-
cerol atua em conjunto com o Ca2+para
a ativação da PKC, e, portanto, o cálcio
também age como segundo mensageiro;
5) A ativação envolve o afastamento de um
domínio da PKC de sua posição na região
de ligação ao substrato da enzima, possi-
bilitando que a enzima se ligue e fosforile
as proteínas que contenham uma sequên-
cia consenso da PKC;
6) Existem diversas isoenzimas da PKC,
cada uma com distribuição tecidual, es-
pecificidade para a proteína-alvo e função
características. Seus alvos incluem proteí-
nas do citoesqueleto, enzimas e proteínas
nucleares que regulam a expressão ge-
nica.
O cálcio é um segundo mensageiro
que pode ser localizado no tempo e no es-
paço
Nas células não estimuladas, a con-
centração de cálcio citosolico é mantida muito
baixa sendo menor que 10−7 por meio da ação
de bombasde cálcio localizadas no reticulo en-
doplasmático, na mitocôndria e na membrana
plasmática. Estímulos hormonais, neurais ou
outros estímulos causam o influxo de cálcio
para dentro da célula por meio de canais de
cálcio específicos da membrana plasmática,
ou causam a liberação do cálcio sequestrado
no reticulo endoplasmático ou não mitocôndria
elevando, em qualquer um dos casos, a con-
centração de cálcio citosolica e iniciando uma
resposta celular.
A atividade do segundo mensageiro
cálcio, assim como a do AMPc, pode ser es-
pacialmente restrita; depois que sua liberação
inicia uma resposta local, o cálcio geralmente
é removido antes que possa difundir-se para
regiões mais distantes da célula.