Resumo Biossinalização

Resumo Biossinalização

Biossinalização

Introdução

Todas as células são capazes que receber sinais, que são informações detectadas por receptores específicos e converter os sinais em resposta celular, que envolve um processo químico. Essa conversão é denominada transdução de sinais e é fundamental à vida. Nesta discussão serão apresentados as características gerais do processo de transdução de sinais, as principais classes de receptores, bem como exemplos da transdução de alguns processos celulares.

1. Características gerais da transdução de sinais

Embora todas as células apresentem mecanismos de transdução de sinal específicos, essse compartilham cinco características gerais.

a) Especificidade: a molécula sinalizadora se encaixa no sítio de ligação do receptor complementar; outros sinais não se encaixam. A especificidade é mediada por interações fracas e nos organismos multicelulares, é complementada porque os receptores ou alvos estão presentes em apenas alguns tipos celulares. A especificidade deve-se a afinidade expressa na forma de constante de dissociação que tem valores na ordem de picomolar, ou seja, o receptor é capaz de detectar concentrações muito pequenas da molécula sinalizadora. As interações receptor-ligante também apresentam cooperatividade, causando grande alterações na ativação do receptor.

b) Amplificação: quando uma enzima associada a um receptor de sinal é ativada, catalisa a ativação de muitas moléculas de uma segunda enzima, ativando mais moléculas de uma terceira enzima, numa casca enzimática.

c) Modularidade: permite que a célula misture e combine um conjunto de moléculas sinalizadoras para a criação de complexos com diferentes funções ou localizações celulares. Proteínas com afinidades multivalentes formam diversos complexos de sinalização a partir de partes intercambiáveis. A fosforilação fornece pontos de interações reversíveis; quando o estímulo diminui, ficando abaixo de certo limite, o sistema torna-se sensível.

d) Dessensibilização/adaptação: a ativação do receptor dispara um circuito de retroalimentação que desliga o receptor ou o remove da superfície celular.

e) Integração: é a capacidade de um sistema de receber múltiplos sinais e produzir uma resposta unificada apropriada às necessidades da célula ou do organismo.

Existem seis tipos básicos de receptores: receptores associados a protéinas G; receptores tirosinas-quinase; receptores guanilil-ciclases, canais iônicos com portões; receptores de adesão; e receptores nucleares.

2. Receptores associados a proteínas G

Os receptores associados a proteína G (GPCR) são receptores associados a um membro da família de proteínas de ligação a nucleotídeos de guanosina (proteína G). Três componentes essenciais definem a transdução de 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 gera um segundo mensageiro que afeta os alvos. Por outro lado, alguns hormônios causam a ativação de uma proteína G inibitória (Gi) que inibi a adenilil-ciclase, desta maneira reduzindo a [cAMP] e suprimindo a fosforilação. Outros hormônios se ligam a uma segunda classe de GPCR que se acopla por meio de uma proteína G (proteína G associada, Gq) a uma fosfolipase C da membrana plasmática, que é específica para o fosfolipídeo fosfatidil-inositol-4,5-bifosfato (PIP2) e produz diacilglicerol e inositol-1,4,5-trifosfato (IP3). O IP3 aumenta a concentração de Ca2+ citosólica, que em conjunto com o diacilglicerol contribuem para a ativação da proteína quinase C.

Um exemplo de receptor desta classe é o receptor β-adrenérgico, no qual a adrenalina se liga. O receptor β-adrenérgico ativa uma proteína G estimulatória, GS, ativando a adenilil-ciclase e elevando a concentração do segundo mensageiro cAMP. O cAMP estimula a fosforilação de enzimas-alvo pela proteína quinase dependente de cAMP (proteína quinase A), alterando suas atividades. O término da resposta β-adrenérgica ocorre quando a concentração de adrenalina diminui na corrente sanguínea, o hormônio dissocia-se e reassume a conformação inativa. Uma segunda maneira disso ocorrer é pela hidrólise do GTP ligado à subunidade Gα, catalisada pela atividade GTPásica intrínseca da proteína G. A conversão do GTP ligado em GDP favorece a conformação inativa da proteína G. O término da resposta também pode ocorrer pela hidrólise do cAMP pela fosfodiesterase de nucleotídeo cíclico ou pela ação de fosfoproteínas-fosfatases que hidrolisam os resíduos de aminoácidos fosforilados. Quando o sinal da adrenalina persiste, uma proteína quinase específica fosforila resíduos de serina do receptor; essa fosforilação cria um sítio de ligação para a proteína β-arrestina, que provoca a dessensibilização temporária do receptor e levam à internalização dos receptores em vesículas intracelulares.

3. Receptores tirosina-quinases

Os receptores tirosina-quinase (RTK) são uma família de receptores de membrana plasmática com atividade quinásica intrínseca e têm um domínio de interação com o ligante na face extracelular da membrana plasmática e um sítio ativo enzimático na face citoplasmática, conectados por um único segmento transmembrana. O domínio citoplasmático é uma proteína-quinase que fosforila resíduos de Tyr em proteínas-alvo específicas, uma tirosina quinase.

O receptor de insulina (INSR) consiste de duas subunidades α na face externa da membrana plasmática e duas subunidade β que atravessam a membrana e projetam-se para dentro do citosol. A ligação da insulina à subunidade α provoca uma mudança conformacional que permite a autofosforilação dos resíduos de tirosina no domínio carboxiterminal das subunidades β. Essa autofosforilação expõe o sítio ativo da enzima, para que ela possa fosforilar os resíduos de tirosina em outras proteínas-alvo. Quando o INSR é autofosforilado, um de seus alvos é o substrato receptor de insulina-1 (IRS-1). Uma vez fosforilado , o IRS-1 torna-se o ponto de nucleação para um complexo de proteínas que leva a mensagem do receptor de insulina para alvos finais no citosol e no núcleo, por meio de uma longa série de proteínas intermediárias. Em uma rota de sinalização, o domínio SH2 de Grb2 liga-se ao resíduo de tirosina fosforilado de IRS-1. Sos liga-se a Grb2, e então à Ras, causando a liberação do GDP e a ligação de GTP pela Ras. A Ras ativada liga-se à Raf-1, ativando-a. A Raf-1fosforila a MEK em dois resíduos de serina, ativando-a. A MEK fosforil a ERK em um resíduo de treonina e um de tirosina, ativando-a. A ERK mova-se paa o núceo e fosforila fatores de transcrição nucleares, como Erk, que quando fosforilado, une-se a SRF para estimular a transcrição e tradução de um conjunto de genes necessário para a divisão celular. O IRS-1 fosforilado também pode ativar PI3K ligando ao domínio SH2. A PI3K converte PIP2 em PIP3. A proteína quinase B ligada ao PIP3 é fosforilada pela PDK1. Um vez ativada, a PKB fosforila resíduos de serina ou tirosina em suas proteínas-alvo.

Uma variação do sistema fundamental dos receptores tirosina-quinases são os receptores que não têm atividade quinásica intrínseca, mas que, ocupados pelo ligante, se ligam a uma tirosina quinase citosólica. A ligação do ligante ao receptor na membrana plasmática, dimeriza o receptor e o dímero pode se ligar e ativar a proteína quinase solúvel JAK, que quando ativada fosforila diversos resíduos de tirosina no fator de transcrição STAT, que entra no núcleo e induz a expressão de genes específicos.

4. Receptores guanili-ciclases, GMPc e proteínas quinases G

As guanilil-ciclases são enzimas receptoras que, quando ativadas, covertem GTP no segundo mensageiro monofosfato cíclico de 3',5'-guanosina (GMP cíclico). Muitas das ações do GPMc são mediadas pela proteina quinase G (PKG) ou proteína quinase dependente de GMPc. Quando ativada por GMPc, a PKG fosforila resíduos de serina e treonina em proteínas-alvo. Os domínios de regulação e catalítico dessa enzima estão contidos em um único polipeptídeo. Parte do domínio de regulação se encaixa firmemente na fenda de ligação ao substrato. A ligação de GMPc força a saída desse pseudossubstrato do sítio de ligação, abrindo o sítio para proteínas-alvo contendo a sequência consenso da PGK. Existem dois tipos de receptores guanilil-ciclase. Um tipo é um homodímero com um único segmento transmembrana em casa monômero, o qual conecta o domínio extracelular de interação com o ligante e o domínio intracelular guanilil-ciclase. Os receptores desse tipo são utilizados para detectar dois ligantes: o fator natriurético atrial e a guanilina e também é alvo de endotoxinas bacteriana. O outro tipo é uma enzima solúvel que contém heme e é ativada por óxido nítrico intracelular.

5. Canais iônicos controlados por portões

Algumas células são excitáveis, ou seja, elas podem detectar um sinal externo, convertê-lo em um sinal elétrico e passá-lo adiante. A excitabilidade depende de canais iônicos, transdutores de sinal que fornecem uma rota regulada para o movimento de íons inorgânicos, como Na+, Cl-, K+ e Ca2+, através da membrana plasmática em resposta a vários estímulos. Esses canais iônicos são controlados por portões, que podem ser abertos ou fechados, dependendo do receptor associado estar ativado pela interação com seu ligante específico ou por uma variação no potencial elétrico transmembrana, Vm. No sistema nervoso, existem três tipos de canais iônicos controlados por voltagem.

a) Canais de Na+ controlados por voltagem: que permanecem fechados quando a membrana está em repouso, mas se abrem brevemente quando a membrana é despolarizada localmente em resposta a acetilcolina, ou algum outro neurotransmissor.

b) Canais de K+ controlados por voltagem: os quais se abrem, uma fração de segundos mais tarde, em reposta à despolorização quando os canais de Na+ próximos se abrem.

c) Canais de Ca2+ controlados por voltagem: que se abrem quando chega a onda de despolarização e repolarização, causada pelas atividades dos canais de K+ e Na+, desencadeando a liberação do neurotransmissor acetilcolina.

O receptor nicotínico de acetilcolina controla a passagem do sinal de um neurônio eletricamente excitado em alguns tipos de sinapses e em junções neuromusculares. A acetilcolina se liga ao receptor de acetilcolina na membrana plasmática do neurônio pós-sináptico. Isso força uma mudança conformacional no receptor, causando a abertura do seu canal iônico. O movimento resultante de cátions (Na+, K+ e Ca2+) para dentro da célula despolariza a membrana plasmática. O receptor para a acetilcolina é portanto um canal iônico controlado por ligante. Vários outros neurotransmissores também atuam por meio de canais receptores estruturalmente relacionados ao receptor de acetilcolina.

6. Integrinas

As integrinas são proteínas da membrana plasmática que controlam a adesão das células umas às outras e à matriz extracelular, e transmitem sinais em ambas as direções através da membrana, sendo denominadas receptores bidirecionais da adesão celular. São uma família de receptores diméricos (αβ) que interagem com macromoléculas extracelulares (colágeno, fibrinogênio) originando um sinal de fora para dentro. Os ligantes proteicos da matriz extracelular têm a sequência RGD, reconhecida pelas integrinas. As curtas extensões citoplasmáticas do dímero interagem com as proteínas do citoesqueleto logo abaixo da membrana plasmática, originando o sinal de dentro para fora. As formas ativa e inativa de uma integrina diferem na conformação dos domínios extracelulares. Eventos e sinais intracelulares interconvertem as formas ativas e inativas. As integrinas controlam diferentes aspectos da resposta imune, coagulação sanguínea e a angiogênese, e participam da metástase tumoral.

7. Receptores nucleares de hormônios

Os hormônios esteroides, o ácido retinoico e os hormônios da tireoide formam um grupo de hormônios, denominados ligantes de receptores, que exercem pelo menos parte de seus efeitos por atuarem no núcleo e alterarem a expressão gênica. Os hormônios são transportados até o tecido-alvo por proteínas transportadoras séricas, difundem-se pela membrana plasmática e ligam-se a receptores proteicos específicos no núcleo. A ligação do hormônio altera a conformação do receptor; ele forma homo ou heterodímeros com outros complexos hormônio-receptor e se liga a regiões reguladoras específicas chamadas de elementos de resposta a hormônio no DNA adjacente a genes específicos. O receptor atrai proteínas coativadoras ou correpresssoras e, com elas, regula a transcrição dos gentes adjacentes, aumentando ou diminuindo a taxa de formação de RNAm. Os níveis alterados do produto gênico regulado pelo hormônio produzem a resposta celular ao hormônio.

8. Características genéricas dos sistemas de sinalização

Os sistemas de sinalização apresentam duas características genéricas:

a) Proteínas quinases que fosforilam resíduos de tirosina, serina e treonina são essenciais para a sinalização, afetando diretamente a atividade de um grande número de substratos proteicos por meio de sua fosforilação. A especificidade de ligação para cada domínio é determinada pelas sequência adjacentes ao resíduo fosforilado do substrato.

b) As interações proteína-proteína que resultam da fosforilação reversível de resíduos de tirosina, treonina e serina em proteínas sinalizadoras criam sítios de ancoragem para outras proteínas que causam efeitos indiretos em proteínas a jusante na rota de sinalização. Muitas proteínas de sinalização são multivalentes, elas podem interagir com diversas proteínas simultaneamente para formar complexos de sinalização multiproteicos. Balsas de membrana e cavéolas sequestram grupos de proteínas sinalizadoras em pequenas regiões da membrana plasmática, intensificando suas interações e tornando a sinalização mais eficiente.

A [Ca2+] também regula, frequentemente via calmodulina (proteína ligante de cálcio), muitas outras enzimas e proteínas envolvidas em secreção, rearranjos do citoesqueleto ou contrações. Outro fator que explica de que modo tantos sinais diferentes pode ser mediados por um único segundo mensageiro é a restrição dos processos de sinalização a regiões específicas da célula por meio das proteínas adaptadoras, proteínas não catalisadoras que agrupam outras moléculas de proteínas que agem em conjunto.

9. Sinalização em microrganismos e plantas

Plantas, microrganismos eucarióticos, bactérias e arquibactérias respondem a uma variedade de sinais externos tais como: oxigênio, nutrientes, luz, substâncias tóxicas ou nocivas.

a) Sinalização bacteriana: Sistema binário na quimiotaxia bacteriana: A rotação dos flagelos das bactérias é controlada por um sistema binário constituído por um receptor histidina-quinase e uma proteína efetora. Quando um ligante atraente (açúcares e aminoácidos) liga-se ao domínio receptor do receptor ligado à membrana, uma proteína histidina-quinase no domínio citosólico é ativada e autofosforila em um resíduo de histidina. Este grupo fosfato é, então, transferido a um resíduo de aspartato da proteína efetora. Após a fosforilação, a proteína efetora move-se até a base do flagelo, onde ele causa a rotação no sentido anti-horário dos flagelos, levando a uma corrida.

b) Sinalização em plantas

As plantas respondem a muitos estímulos ambientais e fazem uso de hormônios de fatores de crescimento para coordenar o desenvolvimento e as atividades metabólicas de seus tecidos. Os genomas vegetais codificam centenas de proteínas de sinalização, incluindo algumas muito similares às de mamíferos.

a) Detecção de etileno: As plantas detectam etileno por meio de um sistema binário e uma cascata de MAPK (proteínas-quinases ativadas por mitógenos). O receptor do etileno no retículo endoplasmático é um sistema binário contido em uma única proteína, com um domínio receptor (componente 1) e um domínio regulador da resposta (componente 2). O receptor controla a atividade de CTR1, uma proteínas quinase similar a MAPKKK. O CTR1 é um regulador negativo da resposta ao etileno; quando CTR1 está inativo, o sinal do etileno é transmitido pelo produto gênico EIN2, causando um aumento na síntese do fator de transcrição ERF1. Este fator estimula a expressão de proteínas específicas para a resposta ao etileno.

b) Proteínas quinases semelhantes a receptores (RLK): essas quinases de plantas participam da detecção de uma grande variedade de estímulos, incluindo brassinoesteroides, peptídeos originários de patógenos e sinais de desenvolvimento. A ligação do ligante ao receptor RLK induz a dimerização e autofosforilação de resíduos de serina ou treonina, e então ativam proteínas a jusante, que, em alguns casos, são cascatas de MAPK. O resultado final é o aumento da transcrição de genes específicos.

10. Transdução sensorial

A detecção de luz, odores e sabores em animais é realizada por neurônios sensoriais especializados que utilizam mecanismos de transdução de sinal similares àqueles que detectam hormônios, neurotransmissores e fatores de crescimento. Visão, olfato e paladar em vertebrados fazem uso de GPCR, que agem por meio de proteínas G heterotriméricas para alterar o Vm de neurônios sensoriais.

a) Sistema visual: O cristalino foca a luz sobre a retina, composta por camadas de neurônios. Os neurônios fotossensoriais primários são bastonetes, responsáveis pela resolução da visão e visão noturna, e cones de três subtipos, que iniciam a visão colorida. Os bastonetes são compostos por um segmento externo, preenchido com pilhas de discos membranosos contendo o fotorreceptor rodopsina, e um segmento interno, que contém o núcleo e outras organelas. A absorção de luz converte 11-cis-retinal a retinal-todo-trans, ativando a rodopsina (Rh). A rodopsina ativada catalisa a substituição do GDP pelo GTP na transducina, que então dissocia-se em Tα-GTP e Tβγ. Tα-GTP ativa a GMPc-fosfodiesterase (PDE) por ligar-se a ela e remover sua subunidade inibitória. A PDE ativada reduz a [GMPc] para abaixo do nível necessário para manter o canal de cátions aberto. Os canais de cátions fecham, impedindo a entrada de Na+ e Ca2+; a membrana é hiperpolarizada e este sinal é passado ao cérebro. O efluxo contínuo de Ca2+ por meio do trocador de Na+-Ca2+ reduz a [Ca2+] citosólica. A redução da [Ca2+] ativa a guanilil-ciclase e inibe a PDE; a [GMPc] eleva-se até o nível do "escuro", reabrindo os canais de cátions e retornando Vm ao nivel pré-estímulo. Lentamente, a arrestina dissocia-se, a rodopsina é desfosforilada e o retinal-todo-trans é substituído por 11-cis-retinal; a rodopsina está pronta para outro ciclo de fototransdução. A rodopsina-quinase fosforila a rodopsina descorada; a [Ca2+] e a recoverina estimulam esta reação. Por fim, a arrestina liga-se à extremidade carboxiterminal fosforilada, inativando a rodopsina.

b) Transdução do olfato: Ocorre nos cílios das células receptoras do olfato.O odorante chega até a camada do muco que recobre os neurônios olfativos e se liga diretamente a um receptor olfativo ou a uma proteína de ligação que transporta até o receptor olfativo, que catalisa a troca GDP-GTP em uma proteína G (Golf), causando sua dissociação em α e βγ. A Gα-GTP ativa a adenilil-ciclase, que catalisa a síntese de AMPc, elevando a [cAMP]. Canais de cátions controlados por cAMP se abrem e o Ca2+ entra, elevando a [Ca2+] interna. Canais de cloreto controlados por Ca2+ se abrem. A saída de Cl- despolariza a célula, emitindo um sinal elétrico ao cérebro. O Ca2+ reduz a afinidade do canal de cátions por cAMP, diminuindo a sensibilidade do sistema odorante. Golf hidrolisa o GTP a GDP, desligando a si mesma. A PDE hidrolisa o cAMP, a quinase do receptor fosforila o receptor olfativo, inativando-o e o odorante é removido pelo metabolismo.

c) Transdução de sinais no paladar: O sentido do paladar em vertebrados reflete a atividade dos neurônios gustativos agrupados nas papilas gustativas da superfície da língua. Existem papilas gustativas para os sabores doce, amargo, azedo e salgado. As moléculas de sabor doce são aquelas que se ligam aos receptores em papilas gustativas doces. Uma molécula de sabor doce se liga ao receptor para sabor doce , ativando a proteina G gostoducina. A subunidade α da gostoducina ativa a adenilil-ciclase da membrana apical, elevando a [cAMP]. A PKA, ativada por cAMP, fosforila um canal de K+ da membrana basolateral, fechando-o. O efluxo reduzido de K+ despolariza a célula, enviando um sinal elétrico para o cérebro.

11. Regulação do ciclo celular por proteínas-quinases

A progressão durante o ciclo celular é regulada pelas proteínas-quinases que são heterodímeros com uma subunidade de regulação, a ciclina, e uma subunidade catalítica, a proteína-quinase dependente de ciclina (CDK), que agem em pontos específicos do ciclo, fosforilando proteínas-chave e modulando suas atividades. A subunidade catalítica das CDK permanece inativa quando não associada com a subunidade de regulação da ciclina. A atividade de um complexo ciclina-CDK varia durante o ciclo celular pela síntese diferenciada das CDK, degradação específica de ciclinas, fosforilação e desfosforilação de resíduos críticos nas CDK, e ligação de inibidores proteicos a complexos ciclina-CDK específicos. Entre os alvos fosforilados pelas ciclina-CDK estão proteínas do envelope nuclear (lamina) e proteínas necessárias para a citocinese (miosina) e o reparo do DNA (proteína do retinoblastoma).

12. Oncogenes, genes supressores tumorais e morte celular programada

Tumores e cânceres são o resultado da divisão celular descontrolada. Os oncogenes codificam proteínas de sinalização defeituosas. Pela emissão contínua do sinal para a divisão celular, elas levam à formação de tumores. Os oncogenes são geneticamente dominantes e podem codificar fatores de crescimento, receptores, proteínas G, proteínas quinases ou reguladores nucleares da transcrição defeituosos. Os genes supressores tumorais codificam proteínas reguladoras que normalmente inibem a divisão celular; mutações nestes genes são geneticamente recessivas, mas podem levar à formação de tumores. O câncer geralmente é o resultado de um acúmulo de mutações em oncogenes e genes supressores tumorais. Quando genes de estabilidade, que codificam proteínas necessárias para o reparo de danos genéticos, são mutados, outras mutações ficam sem reparo, incluindo mutações em proto-oncogenes e genes supressores tumorais podem levar ao câncer.

A apoptose é a morte celular programada e controlada que ocorre normalmente durante o desenvolvimento e a vida adulta para livrar o organismo de células desnecessárias, danificadas ou infectadas. A apoptose pode ser iniciada por sinais extracelulares, como o TNF, que agem por meio de receptores da membrana plasmática. Sinais que desencadeiam a apoptose de fora da célula ligam-se a receptores específicos na membrana plasmática. Os receptores ocupados interagem com as proteínas citosólicas por meio de uma sequencia de 80 aminoácidos chamada o domínio de morte, presente tanto nos receptores quanto nestes alvos citosólicos, que são assim ativados. A ativação dessas proteínas citosólicas inicia uma cascata proteolítica que leva à apoptose. Essas proteínas citosólicas ativam a caspase 8, cuja ação libera o citocromo c da mitocôndria, o qual, juntamente com a proteína Apaf-1, ativa a caspase 9, desencadeando a apoptose.

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