TEMA 2: Função das Membranas Celulares Receptores, enzimas

Licenciatura em Engenharia Biomédica
2005/06
Luís Martinho do Rosário
(Depto. de Bioquímica / FCTUC)
TEMA 2: Função das Membranas Celulares
Receptores, enzimas membranares e
sinalização intracelular
Moléculas de sinalização extracelular / I
►Mediadores químicos locais
Actuam somente no ambiente
local (difusão extracelular)
Exemplos:
factor de crescimento
nervoso – NGF (proteína); histamina
(derivado de aminoácido); prostaglandina
E2 (derivado de ácido gordo)
►Hormonas
Interactuam com células-alvo
em zonas remotas do organismo
(transporte pelo sangue)
Exemplos: insulina (proteína);
somatostatina (pequeno péptido);
adrenalina (derivado de aminoácido);
testosterona (esteroide)
►Neurotransmissores
Interactuam com células-alvo pós-sinápticas
(difusão na fenda sináptica)
Exemplos: glicina, noradrenalina,
ácido γ-aminobutírico – GABA, acetilcolina
(aminoácidos e derivados); encefalinas
(pequenos péptidos)
BionBiom/#2-26
Moléculas de sinalização extracelular / II
◙ Solúveis em água
Adrenalina
Maior parte das hormonas e mediadores químicos
locais
Todos os neurotransmissores
Ligam-se a RECEPTORES na MEMBRANA PLASMÁTICA
ligando
Célula-alvo
em repouso
receptor
Célula-alvo
activada
receptor ocupado
pelo ligando
activação de vias
de sinalização intracelular
(produção de segundos mensageiros)
◙ Pouco solúveis em água (hidrofóbicas)
Hormonas esteroides e hormonas da tiroide
Ligam-se a RECEPTORES INTRACELULARES
ligando
regulação da transcrição
de genes
Testosterona
proteína
transportadora
receptor
intracelular
BionBiom/#2-27
Receptores membranares
◘ IONOTRÓPICOS
Ou “canais operados por receptores”. Integram um canal iónico,
aberto por ligação do neurotransmissor
◘ METABOTRÓPICOS
► Receptores com sete segmentos transmembranares (7-TMS)
► Receptores catalíticos com um único segmento transmembranar
Receptores ionotrópicos
Ex: receptor de acetilcolina
nicotínico
Na+ (Ca2+)
Superfamília de receptores tipo colinérgico
▓ 5-HT3 (serotonina)
▓ GABA-A
Cl▓ Glicina
▓ Acetilcolina (nicotínico)
Superfamília de receptores glutamatérgicos ionotrópicos
▒ N-metil-D-aspartato (NMDA)
Ca2+ (Na+)
▒ AMPA / Kainato
(Entrada de Na+
Despolarização
Activação de CCSVs)
Entrada de Ca2+
[Ca2+]i
BionBiom/#2-28
Receptores catalíticos com um único segmento transmembranar
Ex: - Receptor de insulina
- Receptor de factor de crescimento da epiderme (EGF)
- Receptor de factor de crescimento derivado de plaquetas (PDGF)
Sítio de reconhecimento do ligando
Insulina
(insulina)
Domínio transmembranar
Domínio catalítico
Inclui sub-domínio
regulador
(actividade de tirosina cinase)
Associação oligomérica induzida
por insulina
Actividade de tirosina cinase
(inclui auto-fosforilação)
Interacção entre
domínios catalíticos
BionBiom/#2-29
Receptores 7-TMS
╬ Sítio de reconhecimento externo de ligandos
╬ Sete segmentos transmembranares helicoidais
╬ Sítio de reconhecimento interno de proteínas G
GTP
Proteínas G: proteínas que ligam nucleótidos
de guanina (GTP e GDP)
Enzima
membranar
Ligando
Receptor
L
Enz
G
Gα
Agonista
2os mensageiros
+
Receptor
7-TMS
Respostas
celulares
+
Prot G
+/Enzima
membranar
Enzimas
intracelulares
Segundos
mensageiros
+/-
BionBiom/#2-30
Proteínas G heterotriméricas
► Heterotrímeros (subunidades α, β e γ) no estado inactivo
► Subunidade α tem actividade de GTPase (GTP→GDP+Pi)
1.
2.
Gαβγ/GDP
Gαβγ/GTP
Enz inactiva
3.
Enz inactiva
4.
Gβγ
Gα/GTP
Gα/GDP
Enz activa
Enz inactiva
BionBiom/#2-31
Síntese
cAMP como segundo mensageiro
Degradação
processo exergónico
processo endergónico
Adenil ciclase
Fosfodiesterase
H2O
ATP
cAMP
Pirofosfatase
PPi
Ex: Receptor de glucagão
Receptor adrenérgico β
(β1 ou β2)
2Pi
H2O
processo exergónico
5’-AMP
(adenosina 3’,5´-monofosfato)
Gs: Proteína G estimuladora (αsβγ)
- sensível à toxina da cólera
Ex: Agonista β
Glucagão
Gi: Proteína G inibidora (αiβγ)
- sensível à toxina pertussis
- activada pelo receptor adrenérgico α2
Activa PKA
cAMP
Glicogénio (n)
Glicogénio (n-1) + Glicose-1-fosfato
Glicogénio
fosforilase
Glicose
Glucagão ou adrenalina
Fosforilação
de proteínas
Respostas celulares a
agonistas β ou glucagão
BionBiom/#2-32
Proteína cinase dependente de cAMP (PKA)
R2C2
inactivo
Sub. reguladora
fosforilação em resíduos
de serina / treonina
Sub. catalítica
ATP + Proteína
cAMP / PKA
Proteína - P + ADP
fosfatase
Proteína + Pi
activas
Amplificação de sinais
Um complexo agonista–receptor
Activação de várias moléculas de proteína G
Uma molécula de Gs activada
Activação de várias moléculas de adenil ciclase (AC)
Uma molécula de AC activada
Síntese de várias moléculas de cAMP e activação de
várias moléculas de PKA
Uma molécula de PKA activada
Fosforilação de várias moléculas de proteína-alvo
Um único evento de ligação
agonista-receptor
Activação de milhares de
moléculas de proteínas-alvo
RESPOSTA CELULAR
BionBiom/#2-33
Segundos mensageiros derivados de fosfolípidos membranares
PIP2
DAG
PLC:
PIP2:
Fosfolipase C
Fosfatidilinositol-4,5-bisfosfato
DAG:
Diacilglicerol
(1,4,5)IP3: Inositol 1,4,5-trifosfato
PKC:
Proteína cinase C
(1,4,5)IP3
Receptor
7-TMS
(activo)
cPKC
Fosfolipase C
Domínio de ligação
do substrato
Proteína-alvo
Proteína cinase C
(activa)
Domínio do pseudo-substrato
Proteína cinase C
ATP + Proteína
Proteína- P + ADP
(inactiva)
DAG
- lipofílico, activa PKC
(1,4,5)IP3 - hidrossolúvel, activa
receptores do RE / RS
fosforilação em resíduos
de serina / treonina
Exos de receptores 7-TMS acoplados
a PLC: acetilcolina muscarínico,
adrenérgico α1, glutamato metabotrópico
BionBiom/#2-34
Ca2+ intracelular como segundo mensageiro
Mecanismos de produção
- Influxo / canais (membrana plasmática)
- Libertação de reservatórios / receptores-canais (ER / SR)
Mecanismos de terminação
- Ca2+ ATPases (membrana plasmática, ER / SR)
- Trocador Na+/Ca2+
- Tomada por outros organelos (ex: mitocôndria)
Libertação de Ca2+ de reservatórios intracelulares
4 subunidades
iguais (4-TMS)
delimitam um poro
Receptor de rianodina
4 subunidades iguais
(6-TMS) delimitam um poro
Receptor de (1,4,5)IP3
Activador: (1,4,5)IP3
Activadores:Ca2+, cADPR
(rianodina, cafeína)
BionBiom/#2-35
Ligação de Ca2+ e activação de proteínas
1
2
+
Ca2+
↔
Ca2+
Actividade
Ca2+
1: Proteína ligante de Ca2+
2: Proteína reguladora
H
H
O
Ca2+
Ca2+
Mg2+
Ca2+
H
O
H
Raios iónicos
Mg2+ …. 0.6 Å
Ca2+ …. 0.95 Å
Alteração conformacional
da proteína ligante de Ca2+
BionBiom/#2-36
Calmodulina e proteína cinase dependente de Ca2+ / calmodulina
Proteínas ligantes de Ca2+
(exemplos)
● Proteína cinase C (PKC)
● Anexinas
● Troponina C
● Calmodulina (CaM)
~ 15 kDa
liga 4 iões Ca2+ (loops entre
α-hélices)
Proteínas dependentes de CaM
(exemplos)
● Cinase das cadeias leves da miosina
● Cinase da fosforilase do glicogénio
● Fosfatases (calcineurina)
● Fosfodiesterases
● Sintase do óxido nítrico
● Cinases dependentes de CaM (tipos I-IV)
CaMK: CaM/Ca2+ promove a desrepressão do local catalítico (ocupado
pela sequência do pseudo-substrato do domínio regulador, na ausência de CaM/Ca2+)
fosforilação de proteínas em resíduos de serina / treonina
BionBiom/#2-37
Sinalização por óxido nítrico (NO)
Regulação por NO
• Fluxo sanguíneo e vasodilatação
NOS: Sintase do óxido nítrico
• Agregação plaquetária
• Neurotransmissão e neuromodulação
• Defesas imunitárias
• Outras
L-arginina
O2
NOS
Citrulina + NO
NADPH
Mensageiro intercelular
Produção
Ex: células
endoteliais vasculares
Difusão
Acção
Ex: músculo
liso vascular
Efeitos de NO
Dependentes de cGMP
Isoformas
nNOS (ou neuronal, NOS-1)
eNOS (ou endotelial, NOS-3)
iNOS (ou indutível, NOS-2)
constitutivas, activadas
por Ca2+/CaM (via receptores)
Induzidas por transcrição de genes
(via citoquinas, endotoxinas, etc)
elevada afinidade para com Ca2+/CaM
• Guanil ciclase solúvel (sGC)
Independentes de cGMP
• Nitrosilação de proteínas, hemoglobina,
oxigénio / superóxido
BionBiom/#2-38
GMP cíclico (cGMP) como segundo mensageiro
Regulação por cGMP
• Tonicidade do músculo liso
GC: Guanil ciclase
• Fototransdução
• Homeostasia de fluidos
e electrólitos
GTP
GC
cGMP + PPi
Classes de GC
• Membranar (pGC) receptor activado por péptidos
natriuréticos, guanilina, endotoxinas
• Solúvel (sGC) citossólica, activada por ligação de NO
a um grupo hemo
Alvos de cGMP
(pGC)
• Proteína cinase dependente de cGMP (PKG)
(sGC)
(cinase serina / treonina)
• Canais activados por nucleótidos cíclicos
(fototransdução na retina)
+ PKG
• Fosfodiesterases reguladas por cGMP
BionBiom/#2-39
Fosfodiesterases reguladas por cGMP e vasodilatação
Famílias de PDEs
Degradação do sinal
PDE: Fosfodiesterase
cGMP
PDE
5’-GMP
• Específicas para cAMP
• Específicas para cGMP: PDE5 (plaquetas / músculo liso /
corpus cavernosum), PDE6 (fototransdução) e PDE9
• Especificidade mista para cAMP/cGMP
H2O
Inibidor de PDE5
cGMP
Relaxação do músculo liso do corpus
cavernosum, aumento do fluxo sanguíneo
e erecção do pénis
BionBiom/#2-40