Receptores RTC e RPG

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A estimulação do receptor de insulina desencadeia uma cascata de reações de fosforilação de proteínas
A insulina regula tanto as enzimas do metabolismo quanto a expressão gênica. Ela não entra nas células, mas inicia um sinal que viaja, por uma rota ramificada, desde o receptor na membrana plasmática até as enzimas sensíveis à insulina no citosol e também até o núcleo, onde estimula a transcrição de genes específicos. O receptor proteico de insulina (INSR, de insulin receptor) ativo é constituído por duas subunidades a idênticas, que se projetam para fora da face externa da membrana plasmática, e por duas subunidades b transmembrana, com as regiões carboxiterminais projetando-se para dentro do citosol – um dímero de monômeros ab (Figura 12-14). As subunidades a contêm o domínio de ligação à insulina, e os domínios intracelulares das subunidades b contêm a atividade proteína-cinásica que transfere um grupo fosfato do ATP para o grupo hidroxil de resíduos de Tyr em proteínas-alvo específicas. A sinalização por meio do INSR é iniciada quando a ligação de uma molécula de insulina entre as duas subunidades do dímero ativa a atividade Tyr-cinásica, e cada subunidade b fosforila três resíduos de Tyr críticos próximos ao carboxiterminal da outra subunidade b no dímero (ab)2. Essa autofosforilação expõe o sítio ativo da enzima, para que ela possa fosforilar os resíduos de Tyr em outras proteínas-alvo. O mecanismo de ativação da proteína-cinase do INSR é similar àquele descrito para PKA e PKC: uma região do domínio citoplasmático (sequência autoinibitória), que geralmente oclui o sítio ativo, afasta-se do sítio ativo após ser fosforilada, abrindo o sítio para a ligação de proteínas-alvo (Figura 12-14). Quando o INSR é autofosforilado (Figura 12-15, etapa ➊), um de seus alvos é o substrato do receptor de insulina-1 (IRS-1, de insulin receptor substrate-1; etapa ➋). Uma vez fosforilado em alguns de seus resíduos de Tyr, o IRS-1 torna-se o ponto de nucleação para um complexo de proteínas (etapa ➌) que leva a mensagem do receptor de insulina para os alvos finais no citosol e no núcleo, por meio de uma longa série de proteínas intermediárias. Primeiro, um resíduo de -Tyr do IRS-1 se liga ao domínio SH2 da proteína Grb2. Quando ligada ao GTP, a Ras pode ativar uma proteína-cinase, Raf-1 (Figura 12-15, etapa ➍), a primeira de três proteínas-cinases – Raf-1, MEK e ERK– que formam uma cascata na qual cada cinase ativa a próxima por fosforilação (etapa ➎). As proteínas-cinases MEK e ERK são ativadas pela fosforilação de um resíduo de Thr e um resíduo de Tyr. Quando ativada, a ERK controla alguns dos efeitos biológicos da insulina, entrando no núcleo e fosforilando fatores de transcrição como o Elk1 (etapa ➏), que modula a transcrição de aproximadamente 100 genes regulados pela insulina (etapa ➐), alguns dos quais codificam proteínas essenciais para a divisão celular. Dessa maneira, a insulina atua como fator de crescimento.
O fosfolipídeo de membrana PIP3 age em uma ramificação da sinalização pela insulina
A rota de sinalização da insulina ramifica-se em IRS-1 (etapa ➋). Grb2 não é a única proteína que se associa com o IRS-1. A enzima fosfoinositídeo-3-cinase (PI3K) liga-se a IRS-1 por meio do domínio SH2 da PI3K (Figura 12-16). Uma vez ativada, a PI3K converte o lipídeo de membrana fosfatidilinositol-4,5-bifosfato (PIP2) a fosfatidilinositol-3,4,5-trifosfato (PIP3). A cabeça polar do PIP3 multiplamente carregada, que se projeta da face citoplasmática da membrana plasmática, é o ponto inicial para uma segunda ramificação da sinalização, envolvendo outra cascata de proteínas-cinases. Quando ligada a PIP3, a proteína- cinase B (PKB, também chamada de Akt) é fosforilada e ativada por outra proteína-cinase, a PDK1. A PKB ativada,então, fosforila resíduos de Ser ou Thr em suas proteínas- alvo, uma das quais sendo a glicogênio-sintase-cinase (GSK3). Na forma ativa, não fosforilada, a GSK3 fosforila a glicogênio-sintase, inativando-a e, deste modo, contribuindo para a redução na síntese de glicogênio. (Esse mecanismo é apenas parte da explicação para os efeitos da insulina sobre o metabolismo do glicogênio.) Quando fosforilada pela PKB, a GSK3 é inativada. Assim, impedindo a inativação da glicogênio-sintase no fígado e no músculo, a cascata de fosforilações de proteínas iniciada pela insulina estimula a síntese de glicogênio. Em uma terceira ramificação da sinalização nos tecidos muscular e adiposo, a PKB inicia o movimento mediado por clatrina dos transportadores de glicose (GLUT4) de vesículas internas para a membrana plasmática, estimulando a captação da glicose da corrente sanguínea (, etapa ➎). Como em todas as rotas de sinalização, existe um mecanismo para o término da atividade da rota da PI3K-PKB. Uma fosfatase específica para PIP3 (PTEN em humanos) remove o grupo fosfato da posição 3 do PIP3 e gera PIP2, que não serve como sítio de ligação para a PKB, e a cadeia de sinalização é rompida. Em diversos tipos de câncer, o gene para a PTEN com frequência encontra-se mutado, resultando em um circuito de regulação defeituoso e níveis anormalmente elevados de PIP3 e de atividade da PKB. O resultado parece ser um sinal contínuo para a divisão celular e, consequentemente, para o crescimento tumoral.
Receptores associados a proteínas G e segundos mensageiros
Os receptores associados a proteínas G (GPCR, de G protein-coupled receptors), como o nome implica, são receptores associados a um membro da família de proteínas de ligação a nucleotídeos de guanosina (proteínas G). Três componentes essenciais definem a transduçãode sinalização via GPCR: um receptor na membrana plasmática com sete segmentos helicoidais transmembrana, uma proteína G que alterna entre as formas ativa (ligada a GTP) e inativa (ligada a GDP), e uma enzima efetora (ou canal iônico) na membrana plasmática que é regulada pela proteína G ativada. A proteína G, estimulada pelo receptor ativado, troca o GDP ligado a ela por GTP, e, então, dissocia-se do receptor ocupado e liga-se à enzima efetora vizinha, alterando sua atividade. A enzima ativada, então, gera um segundo mensageiro que afeta alvos a jusante. O genoma humano codifica cerca de 350 GPCR que detectam hormônios, fatores de crescimento e outros ligantes endógenos, e talvez 500 que atuam como receptores olfativos e gustativos.
Como todos os GPCR, o receptor b-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 originando o nome alternativo receptores hepta-helicoidais para os GPCR. A ligação da adrenalina ao sítio no receptor mergulhado na membrana plasmática (etapa ➊) 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 (etapa ➋). Em todos os GPCR, a proteína G é heterotrimérica, composta por três subunidades diferentes: a, b e g. Tais proteínas G são, portanto, conhecidas como proteínas G triméricas. Neste caso, é a subunidade a que se liga ao GDP ou GTP e transmite o sinal do receptor ativado para a proteína efetora. Como esta proteína G ativa o seu efetor, ela é chamada de proteína G estimulatória, ou Gs. Assim como outras proteínas G, a Gs funciona como um “comutador” biológico: quando o sítio de ligação a nucleotídeos na Gs (na subunidade a) é ocupado por GTP, a Gs é ativada e pode ativar sua proteína efetora (neste caso, a adenilil-ciclase); com GDP ligado ao sítio, a Gs é inativada. Na forma ativa, as subunidades b e γ da Gs dissociam-se, sob a forma de um dímero bγ, da subunidade a, e a Gsa, com o GTP ligado, move-se, no plano da membrana, do receptor a uma molécula de adenilil-ciclase próxima (etapa ➌). A Gsa é mantida na membrana pela ligação covalente a um grupo palmitoil (ver Figura 11-15). A adenilil-ciclase é uma proteína integral da membrana plasmática, com o sítio ativo na face citoplasmática. A associação de Gsa ativa com a adenilil-ciclaseestimula a ciclase a catalisar a síntese de cAMP a partir de ATP ( etapa ➍), elevando a [cAMP] citosólica. A interação entre Gsa e adenilil-ciclase é possível apenas quando Gsaestá ligada a GTP. O estímulo por Gsa é autolimitante; Gsa tem uma atividade GTPásica intrínseca que inativa a si mesma por meio da conversão a GDP do GTP ligado (Figura 12-5). A Gsa, agora inativa, dissocia-se da adenilil-ciclase, causando a inativação da ciclase. A Gsa reassocia-se com o dímero bγ (Gsbγ), e a Gs inativa está novamente disponível para interagir com um receptor ligado ao hormônio.
A adrenalina exerce seus efeitos a jusante pelo aumento na [cAMP] que resulta da ativação da adenilil-ciclase. O AMP cíclico, por sua vez, ativa alostericamente a proteína-cinase dependente de cAMP, também chamada de proteína-cinase A ou PKA (etapa➎), 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 apartir dos seus estoques no músculo e no fígado, na expectativa da necessidade de energia, como é sinalizado pela adrenalina. A forma inativa da PKA contém duas subunidades catalíticas idênticas (C) e duas subunidades de regulação (R). O complexo tetramérico R2C2 é cataliticamente inativo, pois um domínio autoinibitório em cada subunidade R ocupa a fenda de ligação ao substrato de cada subunidade C. Quando as subunidades R estão ligadas a cAMP, elas passam por uma alteração na conformação, que afasta o domínio autoinibitório de R do domínio catalítico de C, e o complexo R2C2 se dissocia, originando duas subunidades C livres e cataliticamente ativas. Esse mesmo mecanismo básico – o deslocamento de um domínio inibitório – controla a ativação alostérica pelos segundos mensageiros de muitos tipos de proteínas-cinases.
Diacilglicerol, inositol-trifosfato e Ca21 têm funções relacionadas como segundos mensageiros
Uma segunda ampla classe de GPCR se acopla por meio de uma proteína G a uma fosfolipase C (PLC) da membrana plasmática, a qual é específica para o fosfolipídeo de membrana fosfatidil-inositol-4,5-bifosfato, ou PIP2. Quando um dos hormônios que agem por esse mecanismo liga-se ao receptor específico na membrana plasmática (etapa ➊), o complexo receptor-hormônio catalisa a troca de GDP por GTP em uma proteína G associada, Gq (etapa ➋), ativando-a de maneira muito semelhante à ativação de Gs pelo receptor adrenérgico. A proteína Gq ativada ativa a PLC específica para PIP2 (etapa ➌), que catalisa (etapa ➍) a produção de dois potentes segundos mensageiros, diacilglicerol e inositol-1,4,5-trifosfato, ou IP3 O inositol-trifosfato, composto solúvel em água, difunde-se da membrana plasmática para o retículo endoplasmático (RE), onde se liga a canais de Ca2+ específicos controlados por IP3, abrindo-os. A ação da bomba SERCA assegura que a [Ca2+] no RE permaneça várias ordens de magnitude mais alta do que a concentração citosólica, de modo que, quando esses canais de Ca2+ são abertos, o Ca2+ flui para o citosol ( etapa ➎) e a [Ca2+] citosólica rapidamente aumenta para aproximadamente 10–6 M. Uma consequência da [Ca2+] elevada é a ativação da proteína-cinase C (PKC). O diacilglicerol atua em conjunto com o Ca2+ para a ativação da PKC, e, portanto, o Ca2+ também age como segundo mensageiro (etapa ➏). A ativação envolve o afastamento de um domínio da PKC (o domínio do pseudossubstrato) de sua posição na região de ligação ao substrato da enzima, possibilitando que a enzima se ligue e fosforile as proteínas que contenham uma sequência consenso da PKC – resíduos de Ser ou Thr inseridos em uma sequência de aminoácidos reconhecida pela PKC (etapa ➐). Existem diversas isoenzimas da PKC, cada uma com distribuição tecidual, especificidade para a proteína-alvo e função características. Seus alvos incluem proteínas do citoesqueleto, enzimas e proteínas nucleares que regulam a expressão gênica. Em conjunto, esta família de enzimas desempenha uma ampla variedade de ações na célula, afetando, por exemplo, a função neuronal e imunológica, e a regulação da divisão celular.
A calmodulina é uma subunidade integral das proteínas-cinases dependentes de Ca2+/calmodulina (CaM-cinases, dos tipos I a IV). Quando a [Ca2+] intracelular aumenta em resposta a um estímulo, a calmodulina se liga ao Ca2+, sofre uma mudança na conformação e ativa a CaM-cinase. A cinase, então, fosforila enzimas-alvo, regulando suas atividades. A calmodulina também é uma subunidade de regulação da cinase da fosforilase b do músculo, ativada por Ca2+. Desse modo, o Ca2+ inicia as contrações musculares que requerem ATP ao mesmo tempo em que ativa a degradação do glicogênio, fornecendo o combustível para a síntese de ATP. Muitas outras enzimas também são moduladas pelo Ca2+ por meio da calmodulina. (A atividade do segundo mensageiro Ca2+, assim como a do cAMP, pode ser espacialmente restrita; depois que sua liberação inicia uma resposta local, o Ca2+ geralmente é removido antes que possa difundir-se para regiões mais distantes da célula.