Membranas Biológicas e Transporte Celular - Bioquímica Geral

BIOQUÍMICA GERAL BIOQUÍMICA GERAL JOÃO LUIZ COELHO RIBAS Autoria Objetivos do capítulo Entender a composição e a função das membranas celulares Identifi car as estruturas moleculares dinâmicas que possibilitam as funções biológicas das membranas TRANSPORTE ATRAVÉS DE MEMBRANAS Introdução Transportadores Transporte passivo Transporte ativo BICAMADA LIPÍDICA Modelo do mosaico fl uido Distribuição dos fosfolipídios entre as monocamadas Movimentação lipídica Proteínas de membrana EXEMPLOS DE TRANSPORTADORES Aquaporinas Transportadores de glicose ATPases Canais iônicos seletivos TÓPICOS DE ESTUDO AS MEMBRANAS BIOLÓGICAS Introdução Composição Arquitetura química Funções BIOQUÍMICA GERAL 155 As células podem gastar aproximadamente 100 moléculas de ATP por segundo so mente para manter as concentrações fi siológicas de íons intracelularmente Para su prir essa demanda é necessário ingerir alimentos que tenham o combustível necessá rio para a manutenção do ATP A molécula glicose por exemplo é capaz de produzir 36 ATPs livres para o consumo No entanto de nada adianta a ingestão ou a produção intracelular se não mantivermos as características das membranas biológicas e suas características de transporte Mas afi nal o que caracteriza essas membranas biológi cas e seus meios de transporte Contextualizando o cenário BIOQUÍMICA GERAL 156 Membranas biológicas e de transporte 7 As membranas biológicas são fi níssimas películas constituídas basicamente por proteínas e fosfolipídios que envolvem as células vivas e delimitam as organelas no seu interior tornan do possível a interação de uma célula com outras e com as moléculas do meio Embora sejam muito fi nas com uma espessura de em média 5 nanômetros as mem branas biológicas são altamente versáteis e complexas exercendo uma grande variedade de funções na atividade celular Uma das funções das membranas biológicas é o controle da pas sagem de substâncias elas permitem a passagem de determinados compostos químicos e impedem a passagem de outros conservando o meio celular interno apropriado às necessida des da célula Por essa razão dizemos que as membranas biológicas são semipermeáveis ou possuem permeabilidade seletiva A maioria das funções das membranas depende de moléculas de proteínas Certas pro teínas que compõem as membranas funcionam como bombas seletivas que regulam a pas sagem de íons e moléculas menores tanto para dentro quanto para fora da célula Além disso tais proteínas geram gradientes de prótons muito importantes para a produção de ATP Outras delas localizadas na superfície exterior são capazes de identifi car determina das substâncias no meio estimulandoas a reagir como é o caso dos receptores hormonais Além disso algumas dessas proteínas ainda atuam como enzimas catalisando diversas reações metabólicas Os lipídios por sua vez se apresentam em camada dupla sendo responsáveis por conferir forma física às membranas biológi cas Um dos tipos de lipídios que constituem membranas biológicas é o colesterol com posto orgânico capaz de aumentar a rigidez da bicamada fosfolipídica Esse esteroide no entanto não compõe as membranas vege tais por isso elas são mais fl uidas do que as membranas de células animais As membra nas procarióticas também não apresentam quantidades relevantes de colesterol e por isso são as mais fl uidas de todas as mem branas biológicas BIOQUÍMICA GERAL 157 Introdução 711 Membranas são barreiras que conferem às células seus limites externos membranas plas máticas e nos eucariotos os compartimentos internos organelas separando componentes e processos Por serem seletivamente permeáveis aos solutos polares as membranas contro lam o movimento de substâncias para dentro e para fora das células regulando a composição do fl uido dentro das células individuais Graças a sua fl exibilidade são possíveis alterações de forma como no crescimento celular e movimentação como no movimento ameboide São au tosselantes e portanto podem fundirse como na exocitose ou sofrer fi ssão como na divisão celular e na endocitose As membranas controlam o fl uxo de informação entre as células seja pelo reconhecimento de moléculas de sinal recebidas de outras células ou pelo envio de sinais químicos ou elétricos para outras células em razão da presença de proteínas especializadas As membranas estão envolvidas na captura e na liberação de energia visto que a fotossíntese e a fosforilação oxi dativa ocorrem nelas As membranas são portanto mais do que apenas uma barreira ou cobertura inerte afi nal desempenham um papel ativo na função da célula As membranas biológicas 71 A membrana citoplasmática é constituída de um mosaico de moléculas proteicas incrus tadas em uma bicamada de fosfolipídios de consistência fl uídica Esse modelo da membrana citoplasmática é conhecido como mosaico fl uido Os fosfolipídios são moléculas que possuem uma cabeça polar hidrofílica e outra apolar hidrofóbica que na presença de água se orga nizam espontaneamente de modo que os componentes hidrofóbicos se voltam para dentro da bicamada cauda e os hidrofílicos para a água cabeça Na bicamada estão espalhados vários tipos de proteínas com as mais variadas propriedades funcionais Todas as membranas citoplasmáticas compartilham entre si propriedades fundamentais mas de acordo com o tipo de célula possuem atividades biológicas Composição 712 As membranas são constituídas especialmente por lipídios e proteínas e em menor quantidade por carboidratos glicolipídios e glicoproteínas A proporção entre os componen tes depende do tipo de membrana BIOQUÍMICA GERAL 158 Arquitetura química 713 A arquitetura da membrana plasmática é geralmente referida como bicamada lipídica ou seja consiste de duas camadas de moléculas lipídicas com proteínas incorporadas a elas Essa confi guração é importante para a impermeabilidade em relação à maioria dos solutos polares Quanto aos lipídios encontrados em membranas biológicas existem três tipos principais fosfolipídios glicolipídios e colesterol representados respectivamente em a b e c na Fig 1 Cada um deles desempenha papéis diferentes na membrana sendo que os conjuntos carac terísticos de lipídios de membrana variam dependendo de espécie tecido célula ou organela Figura 1 Lipídeos de membrana a glicerofosfolipídio b glicolipídio c colesterol Fonte WATSON 2015 Adaptado ESCLARECIMENTO A composição proteica é muito mais variável do que a lipídica sendo relacionada às funções especializadas das proteínas presentes Algumas proteínas de membrana são ligadas covalentemente a carboidratos formando glicoproteínas enquanto ou tras proteínas se ligam covalentemente a lipídios funções especializadas das proteínas presentes Algumas proteínas de membrana funções especializadas das proteínas presentes Algumas proteínas de membrana A composição proteica é muito mais variável do que a lipídica sendo relacionada às funções especializadas das proteínas presentes Algumas proteínas de membrana são ligadas covalentemente a carboidratos formando glicoproteínas enquanto ou A composição proteica é muito mais variável do que a lipídica sendo relacionada às funções especializadas das proteínas presentes Algumas proteínas de membrana funções especializadas das proteínas presentes Algumas proteínas de membrana funções especializadas das proteínas presentes Algumas proteínas de membrana funções especializadas das proteínas presentes Algumas proteínas de membrana funções especializadas das proteínas presentes Algumas proteínas de membrana são ligadas covalentemente a carboidratos formando glicoproteínas enquanto ou funções especializadas das proteínas presentes Algumas proteínas de membrana são ligadas covalentemente a carboidratos formando glicoproteínas enquanto ou são ligadas covalentemente a carboidratos formando glicoproteínas enquanto ou são ligadas covalentemente a carboidratos formando glicoproteínas enquanto ou Colina a Cabeça hidrofílica Cauda hidrofóbica Fosfato Ligação ester Dobra da dupla ligação Glicerol Ácido graxo Ácido graxo insaturado b Cabeça hidrofílica Cauda hidrofóbica Glicerol Açúcar Ácido graxo Ácido graxo insaturado c Cabeça hidrofílica Cauda hidrofóbica Anéis esteroides BIOQUÍMICA GERAL 159 ou carregados e à permeabilidade referente às moléculas não polares A estrutura é altamente fluida e a maioria das moléculas lipídicas e proteicas pode se mover no plano da membrana As moléculas lipídicas e proteicas são mantidas juntas principalmente por interações não covalentes Os carboidratos presentes são unidos por ligações covalentes a algumas das mo léculas lipídicas glicolipídios e proteicas glicoproteínas Eles são encontrados em apenas um lado da membrana como por exemplo na superfície externa da membrana plasmática Os principais componentes das membranas são os fosfolipídios compostos anfipáticos com uma cauda hidrofóbica ou apolar e com uma cabeça polar ou hidrofílica ligada à porção hidrofóbica por meio de um grupamento fosfato Na membrana plasmática os glicerofosfolipídios fosfolipídios formados por glicerol consis tem em duas cadeias de ácidos graxos cauda apolar ligadas na forma de éster ao primeiro e ao segundo carbono do glicerol e um grupo altamente polar ou carregado ligado ao terceiro carbono do glicerol através de uma ligação fosfodiéster conforme estrutura geral apresentada na Fig 2 Figura 2 Estrutura geral de glicerofosfolipídios Fonte NELSON 2002 Adaptado Os ácidos graxos da cauda apolar podem ter grande variedade e ser saturados ou insatura dos mas de uma forma geral os glicerofosfolipídios contém um ácido graxo saturado com 16 ou 18 carbonos ligados ao carbono 1 do glicerol e um ácido graxo insaturado com 18 a 20 car bonos na posição C2 do glicerol Já a cabeça polar é um álcool ligado ao fosfato Em pH neutro o grupo fosfato tem carga negativa Um exemplo de um glicerofosfolipídio comumente encontrado em membranas biológicas é 1CH2 O O Substituinte polar Ácido Graxo Saturado Ácido Graxo Insaturado O O C C P O O O X O 2CH 3CH2 BIOQUÍMICA GERAL 160 Figura 3 Estrutura geral de esfi ngolipídios Fonte NELSON 2002 Adaptado a fosfatidilcolina que possui uma molécula de colina carregada positivamente ligada ao gru po fosfato Inositol 45bifosfato carregado negativamente etanolamina carregada positiva mente e serina neutra podem substituir a colina nesta posição e esses lipídios são chamados de fosfatidilinositol 45bifosfato fosfatidiletanolamina e fosfatidilserina respectivamente Um outro exemplo são os esfi ngofosfolipídios cuja estrutura geral está representada na Fig 3 ESCLARECIMENTO Os fosfolipídios de membrana também podem ser esfi ngofosfolipídios que não contêm glicerol na estrutura São derivados do aminoálcool de cadeia longa chama do esfi ngosina ou de um se seus derivados Os fosfolipídios de membrana também podem ser esfi ngofosfolipídios que não Os fosfolipídios de membrana também podem ser esfi ngofosfolipídios que não contêm glicerol na estrutura São derivados do aminoálcool de cadeia longa chama Os fosfolipídios de membrana também podem ser esfi ngofosfolipídios que não Os fosfolipídios de membrana também podem ser esfi ngofosfolipídios que não Os fosfolipídios de membrana também podem ser esfi ngofosfolipídios que não Os fosfolipídios de membrana também podem ser esfi ngofosfolipídios que não Os fosfolipídios de membrana também podem ser esfi ngofosfolipídios que não Os fosfolipídios de membrana também podem ser esfi ngofosfolipídios que não contêm glicerol na estrutura São derivados do aminoálcool de cadeia longa chama Os fosfolipídios de membrana também podem ser esfi ngofosfolipídios que não Os fosfolipídios de membrana também podem ser esfi ngofosfolipídios que não contêm glicerol na estrutura São derivados do aminoálcool de cadeia longa chama contêm glicerol na estrutura São derivados do aminoálcool de cadeia longa chama contêm glicerol na estrutura São derivados do aminoálcool de cadeia longa chama contêm glicerol na estrutura São derivados do aminoálcool de cadeia longa chama Os esfi ngolipídios contêm um ácido graxo de cadeia longa e um grupo cabeça polar unido por ligação glicosídica ou fosfodiéster à esfi ngosina Se o ácido graxo está ligado como amida à esfi ngosina e XH temse uma ceramida o precursor estrutural de todos os esfi ngolipídios como as esfi ngomielinas glicoesfi ngolipídios e gangliosídios Esfi ngomielinas têm fosfocolina ou fosfoetanolamina como grupo polar sem carga São encontradas em membranas plasmáticas de células animais e especialmente importantes na bainha de mielina envolvendo os axônios de neurônios Glicoesfi ngolipídios apresentam carboidratos como grupo cabeça polar ligados diretamen 3CH HO CH CH CH3 CH212 Grupo cabeça polar Esfi ngosina Ácido Graxo O C N H O X 2CH 1CH2 BIOQUÍMICA GERAL 161 te ao OH de C1 da ceramida sem a presença de fosfato sendo encontrados principalmente na face externa de membranas plasmáticas Quando contêm apenas um monossacarídeo ligado são denominados cerebrosídios galactosilcerebrosídios contêm galactose e estão presentes na membrana celular de tecidos neurais já glicosilcerebrosídios contêm glicose e estão pre sentes em membranas celulares não neurais Quando os glicoesfingolipídios contêm dois ou mais monossacarídeos ligados podendo ser a glicose a galactose ou a Nacetilgalactosamina são denominados globosídios sendo exemplos a lactosilceramida e o antígeno de Forssman Tanto cerebrosídios como globosídios são glicolipídios neutros sem carga em pH 70 PAUSA PARA REFLETIR As porções glicídicas de determinados glicoesfingolipídios definem os tipos sanguíneos humanos Como isso ocorre bioquimicamente Os gangliosídios são os esfingolipídios mais complexos com oligossacarídeos na cabeça polar e uma ou mais unidades de ácido Nacetilneuramínico ou ácido siálico como unidades terminais O ácido siálico confere carga negativa em pH 70 diferindo portanto um gangliosí dio de um globosídio Os cerebrosídios globosídios e gangliosídios são portanto glicolipídios pois contêm uma porção glicídica ligada à porção lipídica Outro lipídio encontrado na composição das membranas plasmáticas é o colesterol pre sente na maioria das células eucarióticas animais Também é anfipático e sua estrutura apolar consiste em um núcleo esteroide de quatro anéis fundidos 3 anéis com 6C e 1 anel com 5C e uma cadeia lateral de hidrocarboneto Sua porção polar é um grupo hidroxila Esteróis semelhantes são encontrados em plantas es tigmasterol e em fungos ergosterol Bacté rias podem incorporar esteróis exógenos em suas membranas As proteínas de membrana apresentam composição variada em virtude de diferentes funções Quimicamente certas proteínas de membrana são ligadas covalentemente a ca deias glicídicas curtas e ramificadas contendo cerca de 4 a 12 monossacarídeos formando BIOQUÍMICA GERAL 162 Funções 714 As membranas biológicas têm três funções principais 1 manter substâncias tóxicas fora da célula 2 mediar atividades celulares e extracelulares entre a célula e o ambiente externo por meio de receptores e canais que permitem que moléculas específi cas como íons nutrientes resíduos e produtos metabólicos realizem essa mediação e 3 separar processos metabólicos vitais mas incompatíveis conduzidos dentro de organelas Muitas funções celulares incluindo captação e conversão de nutrientes síntese de novas moléculas produção de energia e regulação de sequências metabólicas ocorrem nas organe las membranosas O núcleo contendo o material genético da célula eucariótica é circundado por uma dupla membrana com grandes poros que permitem a troca de materiais entre o núcleo e o citoplasma A membrana nuclear externa é uma extensão da membrana do retícu lo endoplasmático que sintetiza os lipídios para todas as membranas celulares As proteínas são sintetizadas por ribossomos que estão ligados ao retículo endoplasmático ou suspensos livremente no conteúdo celular As mitocôndrias as unidades oxidantes e armazenadoras de energia da célula têm uma membrana externa prontamente permeável a muitas substâncias além de uma membrana interna menos permeável repleta de proteínas transportadoras e enzimas produtoras de energia as chamadas glicoproteínas presentes no lado externo das membranas plasmáticas onde a porção glicídica propicia ligação específi ca de certas moléculas reconhecimento célulacélula e também infl uencia o destino intracelular estabilidade e enovelamento da referida proteína Outras proteínas se ligam covalentemente a lipídios formando âncoras hidrofóbicas que segu ram as proteínas na membrana As proteínas da membrana desempenham um papel vital nas membranas biológicas pois ajudam a manter a integridade estrutural a organização e o fl uxo do material através das membranas Os carboidratos ligados a lipídios e proteínas podem atuar como marcadores devido à di versidade estrutural das cadeias glicídicas Por exemplo os já comentados antígenos de ori gem glicídica da superfície dos glóbulos vermelhos determinam o grupo sanguíneo de um indivíduo Esses antígenos são reconhecidos por anticorpos para causar uma resposta imune e é por isso que grupos sanguíneos correspondentes devem ser usados em transfusões de sangue Outros marcadores de carboidratos estão presentes na doença por exemplo carboi dratos específi cos na superfície das células cancerígenas e podem ser usados por médicos e pesquisadores para diagnosticar e tratar várias condições BIOQUÍMICA GERAL 163 Figura 4 Distribuição lipídica Fonte WATSON 2015 Adaptado Bicamada lipídica 72 As membranas biológicas são formadas pela adição a uma membrana préexistente Nos procariontes isso ocorre na face interna da membrana plasmática frente ao citoplasma Em eucariotos a síntese da membrana ocorre no retículo endoplasmático RE Os lipídios saem do RE e se dispersam para distribuição a vários compartimentos subcelulares ou à membra na plasmática Em células eucarióticas enzimas que atravessam o RE catalisam a formação de lipídios de membrana Em eucariontes os lipídios devem então ser distribuídos para as várias membranas intra celulares A movimentação de vesículas entre organelas em combinação com sinais que di recionam determinados lipídios para locais específi cos conforme esquematizado na Fig 4 é necessária para a composição lipídica correta em todas as membranas celulares Observe na Fig 4 que as vesículas têm origem no RE e percorrem o compartimento in termediário REGolgi REGIC para se unir ao Golgi onde ocorre a seleção de lipídios O Golgi então envia lipídios em vesículas para vários destinos incluindo a membrana plasmática e os lisossomas Lipídios e proteínas são internalizados da membrana plasmática para endosso mos Organelas como as mitocôndrias adquirem lipídios do RE por um mecanismo diferente Proteínas solúveis em água chamadas proteínas de troca fosfolipídica removem os fosfolipí dios da membrana do RE e os depositam nas membranas das organelas apropriadas Os estudos de composição química microscopia eletrônica permeabilidade e mobilidade Retículo Endoplasmático Ergic Núcleo Golgi Cis Medial Trans Endossoma Membrana plasmática BIOQUÍMICA GERAL 164 Figura 5 Modelo do mosaico fl uido para a estrutura da membrana Fonte NELSON 2014 Adaptado individual de moléculas proteicas e lipídicas dentro da membrana levaram ao desenvolvimen to de um modelo para a estrutura das membranas Nesse modelo fosfolipídios e esteróis formam uma bicamada lipídica com as regiões polares voltadas para os lados externos e com as regiões apolares direcionadas para o centro da bicamada Proteínas globulares estão pre sentes podendo ser expostas a apenas um dos lados periféricas ou atravessar a bicamada transmembrana projetandose em ambos os lados interno e externo Modelo do mosaico fl uido 721 O modelo explica os componentes estruturais das membranas biológicas Além desta hi pótese várias teorias relativas à estrutura da membrana plasmática foram desenvolvidas Po rém nenhuma delas é tão aceitável quanto o modelo de mosaico fl uido Segundo ele a mem brana celular contém diferentes tipos de moléculas de proteínas e carboidratos incorporados em uma bicamada lipídica conforme ilustra a Fig 5 Glicolipídeos Esterol Bicamada lipídica Cadeias de oligossacarídeos de glicoproteínas Proteína ancorada por GPI Fora Dentro Esfi ngolipídeo Proteína integral hélice transmembrana única Proteína periférica covalentemente ligada ao lipídeo Proteína periférica Grupos polares das cabeças de fosfolipídeos BIOQUÍMICA GERAL 165 Distribuição dos fosfolipídios entre as monocamadas 722 As membranas plasmáticas apresentam composição variável em fosfolipídios podendo estes ter predominância de ácidos graxos saturados ou insaturados nas caudas apolares O colesterol se localiza entre as caudas apolares Na bicamada lipídica os lipídios da face externa são diferentes daqueles da face interna ou seja são distribuídos de forma assimétrica entre as duas monocamadas da bicamada embora não de Observe na Fig 5 que a bicamada lipídica apresenta duas monocamadas de lipídios orga nizadas em uma lâmina bidimensional na qual as regiões não polares caudas das moléculas de fosfolipídios e esteróis fi cam no centro excluídos da água e interagindo entre si enquanto as regiões polares cabeças fi cam no exterior interagindo com a água Algumas proteínas atravessam a membrana de um lado ao outro da bicamada proteínas integrais com domí nios diferentes expostos em cada lado demonstrando uma orientação assimétrica Já outras proteínas se projetam para apenas um dos lados e são chamadas de proteínas periféricas associadas à membrana por meio de pontes de hidrogênio interações eletrostáticas ou por âncoras lipídicas covalentemente ligadas Já as proteínas integrais são mantidas fi rmemente na lâmina da bicamada por interações de seus domínios hidrofóbicos com os lipídios da membra na interações hidrofóbicas Como a membrana contém várias moléculas proteína incorporada carboidrato colesterol etc ela é descrita como um mosaico no qual há os dois componentes integrais bicamada lipídica e proteínas de uma membrana celular juntamente com outras substâncias Em rela ção ao termo modelo de mosaico fl uido a membrana celular é mais semelhante a um fl uido ao invés de ser uma estrutura rígida ou sólida uma vez que as proteínas e lipídios podem se movimentar lateralmente e no plano da membrana conforme as necessidades da célula Esta característica é possível em razão das interações não covalentes entre os componentes Além do transporte celular as funções da membrana celular incluem reconhecimento adesão e si nalização de células ESCLARECIMENTO A membrana plasmática serve como uma barreira entre o interior da célula e seu entorno Com referência ao modelo a estrutura dessa membrana biológica é cons tituída de modo que somente permita a entrada e a saída de certas substâncias Por essa razão é referida como uma membrana semipermeável entorno Com referência ao modelo a estrutura dessa membrana biológica é cons entorno Com referência ao modelo a estrutura dessa membrana biológica é cons A membrana plasmática serve como uma barreira entre o interior da célula e seu entorno Com referência ao modelo a estrutura dessa membrana biológica é cons tituída de modo que somente permita a entrada e a saída de certas substâncias A membrana plasmática serve como uma barreira entre o interior da célula e seu entorno Com referência ao modelo a estrutura dessa membrana biológica é cons entorno Com referência ao modelo a estrutura dessa membrana biológica é cons entorno Com referência ao modelo a estrutura dessa membrana biológica é cons tituída de modo que somente permita a entrada e a saída de certas substâncias entorno Com referência ao modelo a estrutura dessa membrana biológica é cons tituída de modo que somente permita a entrada e a saída de certas substâncias tituída de modo que somente permita a entrada e a saída de certas substâncias tituída de modo que somente permita a entrada e a saída de certas substâncias BIOQUÍMICA GERAL 166 Movimentação lipídica 723 O interior da bicamada lipídica é fl uido permitindo que as moléculas lipídicas na bicamada movamse continuamente por difusão lateral na mesma face da membrana e pela rotação ao redor das ligações CC das cadeias hidrocarbonadas dos fosfolipídios Em temperaturas mais baixas ocorre pouco movimento de lipídios e a bicamada é encontra da em forma paracristalina ou gel mais rígida e organizada Na forma de movimentação nas membranas chamada de difusão lateral os fosfolipídios se movimentam individualmente para os lados na mesma monocamada trocando rapidamente de lugar podendo chegar de uma extremidade a outra em questão de segundos Já a movimen tação individual de fosfolipídios entre as duas faces da membrana somente acontece em condi ções específi cas É conhecida como difusão transversa ou transmembrana sendo muito lenta a menos que seja catalisada por um transportador específi co a transversase pois requer que um grupo cabeça polar se mova para o interior hidrofóbico da bicamada para posteriormente alcançar a face contrária Os tipos de movimentação lipídica nas membranas estão ilustrados na Fig 6 forma absoluta Alguns lipídios predominam na monocamada externa voltada ao exterior da célula e outros na interna voltada ao interior citossol Entretanto a exclusividade de haver um certo tipo de lipídio apenas de um lado é rara Figura 6 Movimentação de lipídios na bicamada lipídica Fonte Institut de Pharmacologie et de Biologie Structurale 2018 Difusão lateral Difusão transversa Flexão Rotação BIOQUÍMICA GERAL 167 Proteínas de membrana 724 A membrana plasmática forma uma estrutura em forma de bola e separa o citoplasma do sistema aquoso fora da célula A microscopia eletrônica indica que essa membrana consiste numa bicamada lipídica a qual estão ligadas numerosas proteínas de membrana que dife rem em estrutura e função Tais proteínas podem ser construídas de αhélices ou de folhaβ As proteínas de membrana folhaβ funcionam frequentemente como poros com aminoácidos hidrofóbicos voltados para a bicamada Além disso existem outras proteínas que não se propagam e se associam à bica mada muitas vezes usando uma âncora hidrofóbica Para proteínas transmembranas αhélice a principal característica é sua superfície altamente hidrofóbica que possui muitos aminoácidos ligados detentores de cadeias laterais hidrofóbicas voltadas para os lipídios Na Fig 7 estão representadas pelas letras A e B Múltiplas hélices α podem formar um caminho que penetra na membrana plasmática Neste caso muitos aminoá cidos hidrofóbicos estão localizados do lado de fora voltado para os lipídios enquanto vários aminoácidos hidrofílicos são encontrados no lado interno de frente para a solução aquosa PAUSA PARA REFLETIR Como ocorrem as alterações bioquímicas nas membranas biológicas relacionadas às variações de temperatura Figura 7 Proteínas de membrana Fonte NELSON 2014 Adaptado PROTEÍNAS DE MEMBRANA Tipo transmembrana Fosfolipídio 2mm Tipo de ligação de única camada Tipo de ligação lipídica Proteína de fi xação Bicamada lipídica COOH NH2 Cadeia de aminoácido hidrofóbico Ligação hidrogênio Via penetrante da membrana plasmática αhélice αhelix βbarril Citoplasma A B C D E F 2 Modelo estrutural da via penetrante da membrana BIOQUÍMICA GERAL 168 Transporte através de membranas 73 A capacidade de uma membrana de ser atravessada por algumas substâncias e não por ou tras defi ne sua permeabilidade A passagem aleatória de partículas sempre ocorre de um local de maior concentração para outro de concentração menor a favor do gradiente de concentra ção Isso se dá até que a distribuição das partículas seja uniforme A partir do momento em que o equilíbrio for atingido as trocas de substâncias entre dois meios tornamse proporcionais A passagem de substâncias através das membranas celulares envolve vários mecanis mos entre os quais podemos citar o transporte passivo osmose difusão simples e difusão fa cilitada por exemplo transporte ativo bomba de sódio e potássio por exemplo e endocitose e exocitose que englobam a pinocitose e a fagocitose Introdução 731 Para manutenção celular é necessária a passagem de moléculas e íons variados entre o meio intracelular e extracelular sendo que diferentes compostos são necessários para que As proteínas da membrana também podem formar uma estrutura que penetra na membra na plasmática Fig 7 C Neste caso os aminoácidos hidrofóbicos estão concentrados no exterior voltados para a bicamada lipídica e os aminoácidos hidrofílicos estão localizados no interior do canal Essa estrutura recebe o nome de barrilβ devido ao fato de sua estrutura se assemelhar a um barril Estas proteínas de membrana estão envolvidas no transporte de íons e compostos químicos através da membrana Eles também estabilizam a membrana revestindoa e agem como receptores que transmitem informações extracelulares à célula e ligamse ao citoesquele to conectandose a lipídios específi cos na membrana plasmática Algumas proteínas como mostrado na Fig 7 E não têm estrutura que penetre na membrana em vez disso eles se ligam a ela via ácidos graxos Muitas proteínas que formam complexos com proteínas de membrana também se acumulam na membrana Fig 7 F As proteínas localizadas na parte externa da membrana plasmática das células eucarióticas geralmente têm cadeias de oligossacarídeos anexadas Como o fl uido extracelular e o sangue contêm muitas proteases A ligação de cadeias de carboidratos difi culta a digestão das proteínas pelas proteases estabilizando as proteínas fora da célula Cadeias de carboidratos frequente mente encontradas nas proteínas localizadas na superfície da célula também são usadas como marcações de células e desempenham um papel importante quando as células se reconhecem e se ligam umas às outras BIOQUÍMICA GERAL 169 ESCLARECIMENTO Se durante o transporte não houver gasto energético temse o transporte passivo mas se houver gasto de ATP o transporte é ativo e geralmente engloba a movimen tação de um soluto contra seu gradiente de concentração Se durante o transporte não houver gasto energético temse o transporte passivo Se durante o transporte não houver gasto energético temse o transporte passivo Se durante o transporte não houver gasto energético temse o transporte passivo mas se houver gasto de ATP o transporte é ativo e geralmente engloba a movimen Se durante o transporte não houver gasto energético temse o transporte passivo Se durante o transporte não houver gasto energético temse o transporte passivo Se durante o transporte não houver gasto energético temse o transporte passivo Se durante o transporte não houver gasto energético temse o transporte passivo Se durante o transporte não houver gasto energético temse o transporte passivo mas se houver gasto de ATP o transporte é ativo e geralmente engloba a movimen Se durante o transporte não houver gasto energético temse o transporte passivo mas se houver gasto de ATP o transporte é ativo e geralmente engloba a movimen mas se houver gasto de ATP o transporte é ativo e geralmente engloba a movimen mas se houver gasto de ATP o transporte é ativo e geralmente engloba a movimen mas se houver gasto de ATP o transporte é ativo e geralmente engloba a movimen mas se houver gasto de ATP o transporte é ativo e geralmente engloba a movimen mas se houver gasto de ATP o transporte é ativo e geralmente engloba a movimen se atravessa as membranas celulares ou de organelas Para uma célula ou um organismo so breviver é crucial que as substâncias certas entrem nas células por exemplo nutrientes e as substâncias certas sejam transportadas para fora delas por exemplo toxinas Compostos apolares transitam mais facilmente nas membranas devido à composição pre dominantemente lipídica da bicamada Já compostos polares ou iônicos necessitam de trans portadores para permear membranas Isso é possível por meio de proteínas transportadoras que reduzem a barreira energética de passagem de um soluto polar ou iônico pela membrana Transportadores 732 Proteínas de transporte de membrana ou simplesmente transportadores estão envolvi das no movimento de íons moléculas pequenas ou macromoléculas como outras proteínas através de uma membrana biológica As proteínas transportadoras são proteínas transmem brana integrais atravessando a membrana por meio da qual transportam substâncias Podem auxiliar no movimento de substâncias por difusão facilitada ou transporte ativo Os dois tipos principais de proteínas envolvidas em tal transporte são diferenciados em canais proteicos ou proteínas transportadorascarreadoras Uma proteína transportadora não está aberta simultaneamente para ambos os ambientes extracelular e intracelular Quando um canal é aberto milhões de íons podem passar atra vés da membrana por segundo mas apenas 100 a 1000 moléculas tipicamente passam através de uma molécula transportadora ao mesmo tempo Cada proteína transportado ra é projetada para reconhecer apenas uma substância ou um grupo de substâncias mui to semelhantes A alteração de algumas pro teínas transportadoras específi cas está rela BIOQUÍMICA GERAL 170 Transporte passivo 733 Transporte passivo é aquele que ocorre sem gasto de ATP na direção do gradiente eletro químico Como os lipídios são os constituintes básicos das membranas biológicas pequenos solutos eletricamente não carregados como etanol oxigênio e dióxido de carbono podem passar através de uma bicamada lipídica por difusão simples sem gasto energético seguindo o gradiente de concentração Íons solúveis em água Na K e Cl açúcares por exemplo glico se e aminoácidos no entanto não podem passar através da membrana Proteínas moléculas grandes também são incapazes de penetrar Ao regular rigorosamente o transporte desses materiais a membrana plasmática mantém o ambiente intracelular relativamente estável mesmo quando o ambiente externo muda Transporte ativo 734 O transporte ativo requer ATP para que seja efetuado sendo realizado por transpor tadores e normalmente contra o gradiente de concentração O transporte ativo pode ser classifi cado como ativo primário no qual há consumo de ATP para transportar apenas de terminado composto para fora da célula ou ativo secundário em que há consumo de ATP para transportar determinado composto para fora da célula por meio de um transportador uniporte Isso acontece concomitantemente ao recolhimento desse mesmo composto jun cionada à ocorrência de algumas doenças tal como fi brose cística Assim como as enzimas os transportadores ligamse aos seus substratos com especifi cida de estereoquímica por meio de múltiplas interações fracas não covalentes Os transportadores de moléculas através das membranas podem atuar de diferentes for mas Se o transporte for de uma única molécula e em uma única direção temse o transporte uniporte Quando o transporte envolve mais de uma molécula temse o cotransporte poden do ser do tipo simporte em que duas moléculas entram ou saem da célula ou do tipo antipor te em que uma molécula entra e outra sai da célula BIOQUÍMICA GERAL 171 to com um segundo composto simporte por outro transportador sem gasto de ATP sendo que o segundo está presente em elevada concentração na célula Um exemplo de mecanismo de transporte ativo que usa energia é mostrado na Fig 8 Figura 8 Esquema de transporte ativo em membrana celular Fonte NELSON 2014 Adaptado As células animais têm uma concentração de K mais alta e uma concentração de Na me nor do que a do sangue Para manter essas condições uma bomba NaK transporta íons Na para o exterior e íons K para o interior da célula ambos contra o gradiente de concentração usando a energia gerada quando o ATP é hidrolisado em ADP Conforme observado na Fig 8 uma proteína de bomba contendo Na ligado 1 é fosforilada usando a energia gerada pela hidrólise de ATP e altera sua estrutura 2 liberando Na para o exterior da célula 3 e capturando K 4 A proteína da bomba é então desfosforilada 5 e altera sua estrutura liberando K na célula 6 Essas reações ocorrem continuamente usando 30 da energia gerada dentro da célula em algumas células animais Neste caso a energia do ATP é usada duas vezes para as alterações estruturais das proteínas da bomba causadas pela fosforilação e desfosforilação o que permite o transporte de Na e K Na Na P P P P ATP Fora da célula Citoplasma 1 2 3 5 6 Fosfato de alta energia ligado ADP 4 K K BIOQUÍMICA GERAL 172 Exemplos de transportadores 74 As proteínas de transporte membranar são proteínas integrais de membrana proteínas transmembranares e permitem o transporte de inúmeras moléculas essenciais para a sobre vivência da célula Além disso atuam na excreção de produtos do metabolismo celular que já não serão necessários Há casos em que uma mesma substância pode atravessar a membrana seja por difusão passiva ou através de uma proteína de transporte Nesses casos a presença destas proteínas acelera o transporte de forma a satisfazer as necessidades da célula É im portante salientar que estas proteínas não se encontram exclusivamente na membrana cito plasmática mas também na membrana de inúmeros organelas celulares como é o exemplo da mitocôndria Aquaporinas 741 As aquaporinas também chamadas de canais de água são proteínas integrais de mem brana de uma família maior de proteínas intrínsecas principais que formam poros na mem brana de células biológicas facilitando principalmente o transporte de água entre as células As membranas celulares de uma variedade de diferentes bactérias fungos células animais e vegetais contêm aquaporinas através das quais a água pode fl uir mais rapidamente para den tro e para fora da célula do que através da difusão da bicamada fosfolipídica Aquaporinas são o sistema de encanamento para as células A água se move através das células de forma organizada mais rapidamente nos tecidos que possuem canais de água de aquaporina Essas proteínas conduzem seletivamente moléculas de água para dentro e para fora da célula evitando a passagem de íons e outros solutos Também conhecidos como canais de água as aquaporinas são proteínas integrais de poros da membrana Algumas também trans portam outras pequenas moléculas dissolvidas sem carga incluindo amônia CO glicerol e ureia Moléculas de água atravessam o poro do canal em fi la única A presença de canais de água aumenta a permeabilidade da membrana à água Estes são também essenciais para o sistema de transporte de água nas plantas e para a tolerância à tensão salina Transportadores de glicose 742 Os transportadores de glicose realizam o movimento da glicose do espaço extracelular pro veniente da corrente sanguínea para dentro das células A glicose entra no eritrócito por difusão facilitada por meio de um transportador específi co de BIOQUÍMICA GERAL 173 glicose a uma velocidade aproximadamente 50000 vezes maior do que a difusão transmembra na não catalisada O transportador de glicose do eritrócito chamado de GLUT1 é uma proteína integral de membrana do tipo III com 12 segmentos hidrofóbicos sendo que acreditase que cada segmento forma uma hélice que atravessa a membrana Fig 9 Figura 9 Esquema transportador GLUT1 Fonte NELSON 2014 Adaptado O transportador existe em duas conformações T1 com o sítio de ligação de glicose exposto na superfície externa da membrana plasmática e T2 com o sítio de ligação exposto na superfície interna O transporte de glicose ocorre em quatro passos 1 a glicose do plasma sanguíneo se liga ao sítio estereoespecífico em T1 o que reduz a energia de ativação 2 uma mudança conformacio nal a partir de glicose fora de T1 para glicose dentro de T2 efetuando a passagem transmem brana da glicose 3 a glicose é liberada de T2 para o citoplasma e 4 o transportador retorna à conformação T1 pronto para transportar outra molécula de glicose Fig 10 Fora NH3 COO Dentro Hidrofóbico Polar Carregado BIOQUÍMICA GERAL 174 Figura 10 Esquema transportador de glicose Fonte NELSON 2014 Adaptado A redução da glicose no sangue resulta da ação da insulina A glicose entra nas célulasbeta do pâncreas através do transportador de glicose GLUT2 o que é um sinal importante levando à liberação de insulina dessas células até atingir a corrente sanguínea A insulina no sangue é cap tada através de um transportador GLUT4 em tecido adiposo de células musculares resultando na redução da glicose no sangue Os transportadores de glicose de sódio acoplado SGLT transportador de glicose de sódio simportadores consistem em três membros SGLT1 SGLT2 e SGLT3 SGLT1 e SGLT2 funcionam como transportadores de glicose no intestino coração e rim enquanto o SGLT3 funciona como um sensor de glicose principalmente no intestino no fígado no baço no rim e no músculo ATPases 743 As ATPases são transportadores ligados à membrana que acoplam o movimento de íons através de uma membrana com a síntese ou hidrólise de um nucleotídeo geralmente ATP A fa mília de transportadores ativos chamados de ATPases do tipo P são transportadores de cátions que são fosforilados de forma reversível por ATP por isso o nome tipo P como parte do ciclo de transporte A fosforilação força uma mudança conformacional que é fundamental para o movi DGlicose T1 T1 T1 T2 T2 1 2 3 4 Fora Dentro BIOQUÍMICA GERAL 175 mento do cátion através da membrana As ATPases do tipo P têm uma forma alongada três vezes mais longa do que larga com uma extremidade embutida na membrana e apenas uma fração menor exposta ao lado luminalex tracelular A outra extremidade forma uma grande peça de cabeça citoplasmática Duas grandes alças citoplasmáticas com os terminais N e C formam os domínios citoplasmáticos As ATPases do tipo P contêm cinco domínios funcionais e estruturalmente distintos conforme ilustrado na Fig 11 três domínios citoplasmáticos A atuador N ligação de nucleotídeo P fosfo rilação e dois domínios de membrana T transporte S domínio específico de classe Um quarto domínio está frequentemente presente o domínio regulador R que está sempre situado no terminal N ou C ou ambos Durante cada ciclo catalítico o domínio P fosforilado num resíduo de Asp invariante pelo domínio N e subsequentemente desfosforilado pelo domínio A Deste modo o domínioN opera como uma proteínaquinase o domínio A atua como uma proteína fosfatase e o domínio P atua como substrato para ambas as proteínasquinase e fosfatase Fig 11 Figura 11 Domínios das ATPases Fonte NELSON 2014 O mecanismo postulado para as ATPases do tipo P leva em consideração as grandes mudan ças conformacionais e a fosforilaçãodesfosforilação do resíduo crítico Asp no domínio P que ocorrem durante o ciclo catalítico Para a bomba Ca2ATPase do retículo sarcoplasmáticoendo plasmático SERCA cada ciclo catalítico move dois íons Ca2 através da membrana e converte ATP adenosina trifosfato a ADP adenosina difosfato e fosfato inorgânico Pi Domínios transmembrana Fora Dentro Domínio Atuador A Domínio de ligação a nucleotídeo N Domínio de fosforolação P T S BIOQUÍMICA GERAL 176 A NaKATPase retira três Na e acrescenta dois K para cada divisão de ATP Como resulta do estabelece gradientes químicos de Na e K Além disso devido ao desequilíbrio na troca de cátions e à atividade de canais específi cos de íons um gradiente elétrico através da membrana plasmática é gerado O gradiente eletroquímico combinado é essencial para um grande número de processos vitais em células animais como formação de potencial de ação transporte secun dário através da membrana plasmática sinalização e regulação de volume Outros tipos de ATPases como as do tipo F ATP sintase e do tipo V bomba de prótons va cuolar ou vesicular embora possuam localizações e funções subcelulares distintas exibem se melhanças marcantes na estrutura e no mecanismo das subunidades Ambos são compostos de um complexo solúvel denominado F1 ou V1 e um complexo de membrana Fo ou Vo Dentro de cada complexo ATPase os dois setores individuais parecem funcionar como mo tores rotativos opostos conectados catálise de acoplamento da síntese de ATP ou hidrólise ao transporte de prótons Fig 12 Figura 12 Esquema de complexos ATPAses Fonte NELSON 2014 E F1 ATP δ ADP FΟ α α α β β β γ b2 H H Pi b Matriz mitocondrial Citosol c10 a c c c c c c V1 VΟ A A A B B B H H Região não homóloga da subunidade A Lúmen do vacúolo Citosol BIOQUÍMICA GERAL 177 Canais iônicos seletivos 744 Certas células comumente chamadas de células excitáveis são únicas devido a sua capacida de de gerar sinais elétricos embora existam vários tipos de células excitáveis incluindo neurô nios células musculares e células receptoras de toque que usam receptores de canais iônicos para converter mensagens químicas ou mecânicas em sinais elétricos Um canal iônico é uma proteína de membrana organizada de modo a formar uma passagem ou poro que se estende de um lado da membrana ao outro Essas passagens ou canais iônicos têm a capacidade de abrir e fechar em resposta a sinais químicos ou mecânicos Quando um canal iônico é aberto os íons entram ou saem da célula Os canais iônicos são específi cos para determinados íons o que signifi ca que eles geralmente permitem que apenas um único tipo de íon passe por eles Tanto os aminoácidos que revestem um canal quanto a largura física do canal determinam quais íons são capazes de se movimentar da célula externa para o seu interior e viceversa Em poucos milissegundos de abertura a maio ria dos canais iônicos se fecha e entra em um estado de repouso no qual eles não respondem a sinais por um curto período de tempo O movimento de íons principalmente Na K Ca2 e Cl através desses canais é responsável pela energia elétrica que produz a maioria das propriedades elétricas de células e tecidos A abertura dos canais iônicos altera a distribuição de carga através da membrana plasmática Vale lembrar que a composição iônica do citoplasma é bem diferente daquela do ambiente ex tracelular Por exemplo a concentração de íons de sódio no citoplasma é muito menor do que no ambiente externo da célula Em contrapartida os íons de potássio existem em concentrações mais altas dentro de uma célula do que fora dela Tais diferenças criam o chamado gradien te eletroquímico que é uma combinação de um gradiente químico e um gradiente de carga A abertura dos canais iônicos permite que os íons de ambos os lados da membrana plas mática fl uam para baixo neste gradiente du plo A direção exata do fl uxo varia de acordo com o tipo de íon e depende da diferença de concentração e da diferença de tensão para cada variedade de íons Este fl uxo de íons re sulta na produção de um sinal elétrico BIOQUÍMICA GERAL 178 O número real de íons necessários para alterar a voltagem através da membrana é bem pe queno Durante os curtos períodos em que um canal iônico é aberto a concentração de um determinado íon no citoplasma como um todo não muda significativamente O que se altera é a concentração na vizinhança imediata do canal Em células excitáveis o sinal elétrico iniciado pela atividade do receptor do canal iônico deslocase rapidamente sobre a superfície da célula em razão da abertura de outros canais iônicos que são sensíveis à mudança de voltagem causada pela abertura inicial do canal Proposta de atividade Agora é a hora de pôr em prática tudo o que você aprendeu neste capítulo Elabore um mapa conceitual destacando as principais ideias abordadas ao longo do capítulo Lembrese de destacar os aspectos bioquímicos das membranas e seus transportadores Ao produzir seu mapa conceitual considere as leituras básicas e complementares realizadas Recapitulando As membranas biológicas são constituídas especialmente por lipídios e proteínas além de menores quantidades de carboidratos Os principais componentes lipídicos são os fosfolipí dios glicerofosfolipídios eou esfingolipídios organizados na forma de bicamada lipídica com as porções hidrofóbicas direcionadas ao interior da bicamada e com as porções hidrofílicas direcionadas para as extremidades face interna e externa da célula Além das diversas funções exercidas pelas porções glicídicas determinados glicoesfingo lipideos definem os tipos sanguíneos ou seja indicam a presença dos antígenos A B ou O na superfície das hemácias importantes quando há doação e recebimento de transfusões sanguíneas O antígeno O possui um pentassacarídeo comum também aos antígenos A e B Porém no antígeno A há a Nacetilgalactosamina como monossacarídeo adicional e no antí geno B há a galactose como monossacarídeo adicional caracterizando a porção carboidrato dos antígenos A e B como hexassacarídeo Uma característica marcante das membranas é a variação que nelas ocorre por variação de temperatura Quando a membrana recebe calor ela transita do estado gel para o estado fluido característico de cada membrana e dependente da composição em ácidos graxos A temperatura em que isso ocorre é chamada de temperatura de transição de fases Quanto mais ácidos graxos insaturados menor é essa temperatura Quanto à fluidez da membrana vimos que o colesterol presente também oferece influência BIOQUÍMICA GERAL 179 afetando consequentemente o movimento lipídico Se a temperatura estiver abaixo da de transição de fases ele aumenta a fluidez da membrana por prevenir o empacotamento or denado das cadeias dos ácidos graxos dos fosfolipídios devido à sua estrutura rígida e planar Porém em casos de temperatura acima da temperatura de transição a rigidez diminui a liber dade de movimento das cadeias de ácidos graxos vizinhas reduzindo a fluidez da membrana Portanto se a membrana receber calor há movimentação térmica ou flexão e rotação das cadeias laterais dos ácidos graxos no interior da bicamada Os esteróis como o colesterol auxiliam nas propriedades de fluidez da membrana Já as proteínas estão relacionadas principalmente ao transporte de moléculas e reconhecimento celular possíveis pela presença de porções de carboidratos na forma de glicoproteínas Estudamos que moléculas não polares conseguem permear a bicamada lipídica porém esta é impermeável a compostos polares exceto a água que consegue se difundir passiva mente pela camada Caso haja necessidade de grandes fluxos de água as células possuem as aquaporinas para realizar o transporte Os demais compostos polares atravessam a bicamada por meio de transportadores de origem proteica O transporte pode ocorrer em favor do gradiente de concentração e sem gasto energético caracterizando o transporte passivo a exemplo da água Porém também é necessário o trans porte de muitos compostos contra o gradiente de concentração levando ao gasto de ATP e caracterizando o transporte ativo Exemplos de transportadores incluem as aquaporinas e transportadores de glicose que atuam de forma passiva transportadores iônicos ligados à membrana que acoplam o movi mento de íons através de uma membrana com a síntese ou hidrólise de um nucleotídeo geral mente ATP ATPases e canais iônicos que atuam baseandose em gradientes eletroquímicos para movimentação de íons entre os diferentes compartimentos Desta forma concluise que as membranas biológicas são indispensáveis à vida pois vão muito além de delimitar compartimentos Estão envolvidas em processos de regulação de composição do fluido dentro das células além de apresentarem funções de reconhecimento de moléculas de sinais e de processos envolvendo captura e liberação de energia BIOQUÍMICA GERAL 180 Referências bibliográficas BARKER B S et al Ion Channels Conns Translational Neuroscience Academic Press v 1 2017 BEATA T PÉTER K REMI M Membrane transporters and transporter substrates as biomar kers for drug pharmacokinetics pharmacodynamics and toxicityadverse events Biomarkers in Toxicology Elsevier 2014 CLARK M A et al Lippincotts Illustrated Reviews Pharmacology v 5 Wolters Kluwer 2012 DE LA NUEZ VEULENS Ania RODRIGUEZ Rolando G Proteincoupled receptors as targets for drug design Biotecnologia Aplicada Habana v 26 n 1 2009 EDITORS OF ENCYCLOPAEDIA BRITANNICA Membrane Encyclopedia Brittanica 2018 Dis ponível em httpswwwbritannicacomsciencemembranebiology Acesso em set 2018 GOLAN D E et al Princípios de Farmacologia a base fisiopatológica da farmacologia 3 ed Guanabara Koogan 2014 GUREVICH V V GUREVICH E V GPCRs and signal transducers interaction stoichiometry Trends 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sinais e da resposta a eles para a vida Entender o papel das membranas na transdução de sinais Compreender os principais mecanismos de sinalização e sua integração para as funções biológicas MECANISMOS REGULATÓRIOS Fosforilação Regulação da transcrição por hormônios esteroides Regulação do ciclo celular por proteínas quinases Oncogenes genes supressores e apoptose TRANSDUTORES DE SINAIS Canais iônicos Receptores enzimáticos Proteínas receptoras da membrana plasmática Mensageiros secundários TÓPICOS DE ESTUDO MECANISMOS MOLECULARES DE TRANSDUÇÃO DE SINAIS Introdução Amplifi cação do sinal sensorial Dessensibilização e adaptação Integração da mensagem sensorial e envio ao cérebro BIOQUÍMICA GERAL 183 A doença de Oguchi é uma forma herdável de cegueira noturna Os indivíduos afeta dos recuperam a visão lentamente após um fl ash de luz brilhante contra um fundo preto como a luz de um carro na estrada impossibilitando a direção noturna para os acometidos pela condição O principal problema neste caso é uma falha de sina lização adequada após a forte e intensa luz Pensando nisso qual é a importância da biossinalização e da transdução de sinal no nosso organismo Contextualizando o cenário BIOQUÍMICA GERAL 184 Biossinalização 8 A habilidade das células de receber e rea gir a sinais vindos do outro lado da mem brana plasmática é fundamental para a vida As células bacterianas recebem informações constantes de seus receptores de membrana que sensoriam o meio circundante para o pH a pressão osmótica a disponibilidade de ali mentos oxigênio e luz e a presença de ele mentos químicos nocivos de predadores ou de competidores pelo alimento Esses sinais induzem respostas apropriadas tais como movimentação em direção ao alimento ou afastamento de substâncias tóxicas ou ainda a formação de esporos em um meio desprovido de nutrientes Em organismos multicelulares células com funções diferentes trocam uma variedade de sinais As células de plantas respondem a hormônios de crescimento e variações da luz solar As células animais trocam informações sobre seu posicionamento correto em um embrião em desenvolvimento sobre a concentração de íons e glicose nos fl uidos extracelulares e sobre as atividades metabólicas interdependentes que ocorrem em tecidos diferentes Os sinais nos animais podem ser autócrinos agindo na mesma célula que os produzem parácrinos agindo em células próximas ou endócrinas transportados pela corrente sanguínea da célula produto ra até a célula alvo distante Em todos os casos o sinal é detectado por um receptor específi co e convertido em uma resposta celular Os principais sinais biológicos aos quais as células potencialmente respondem são Antígenos Glicoproteínasoligossacarídeos da superfície celular Sinais do desenvolvimento Componentes da matriz extracelular Fatores de crescimento Hormônios Luz Toque mecânicos Neurotransmissores Odores BIOQUÍMICA GERAL 185 Mecanismos moleculares de transdução de sinais 81 A transdução de sinal também conhecida como sinalização celular é a transmissão de sinais moleculares do exterior de uma célula para o seu interior Os sinais recebidos pelas célu las devem ser transmitidos de forma efi caz de modo a garantir uma resposta apropriada Este passo é iniciado pelos receptores da superfície celular A transmissão é continuada por uma série de alterações bioquímicas dentro da célula ou por modifi cação do potencial da membrana celular pelo movimento de íons dentro ou fora da célula Receptores que iniciam alterações bioquímicas podem fazer isso diretamente via atividades enzimáticas intrínsecas dentro do receptor ou ativando moléculas mensageiras in tracelulares que irão promover uma série de alterações bioquímicas capazes de desencadear respostas biológicas Introdução 811 As transduções de sinais são extraordinariamente específi cas e delicadamente sensíveis A especifi cidade é conseguida pela complementariedade molecular precisa entre o sinal e as moléculas receptoras Nos organismos multicelulares a especifi cidade é mais desenvolvida porque os receptores para um sinal específi co ou alvos intracelulares de uma dada via de sinalização estão pre sentes apenas em certos tipos celulares O hormônio liberador de tireotrofi na por exemplo desencadeia respostas nas células da hipófi se anterior mas não nos hepatócitos os quais não possuem receptores para esses hormônios assim como a adrenalina altera o metabolismo do Feromônios Gustativos Embora o número de sinais biológicos seja enorme os organismos usam poucos meca nismos evolucionários para detectar os sinais extracelulares e transformálos em alterações intracelulares ESCLARECIMENTO A sensibilidade dos sistemas receptores está sujeita a modifi cações Quando um sinal está presente continuamente ocorre a dessensibilização do sistema receptor quando o estímulo cai abaixo de um certo limiar o sistema se torna sensível novamente A sensibilidade dos sistemas receptores está sujeita a modifi cações Quando um sinal A sensibilidade dos sistemas receptores está sujeita a modifi cações Quando um sinal A sensibilidade dos sistemas receptores está sujeita a modifi cações Quando um sinal está presente continuamente ocorre a dessensibilização do sistema receptor quando está presente continuamente ocorre a dessensibilização do sistema receptor quando o estímulo cai abaixo de um certo limiar o sistema se torna sensível novamente A sensibilidade dos sistemas receptores está sujeita a modifi cações Quando um sinal A sensibilidade dos sistemas receptores está sujeita a modifi cações Quando um sinal A sensibilidade dos sistemas receptores está sujeita a modifi cações Quando um sinal A sensibilidade dos sistemas receptores está sujeita a modifi cações Quando um sinal A sensibilidade dos sistemas receptores está sujeita a modifi cações Quando um sinal está presente continuamente ocorre a dessensibilização do sistema receptor quando A sensibilidade dos sistemas receptores está sujeita a modifi cações Quando um sinal está presente continuamente ocorre a dessensibilização do sistema receptor quando está presente continuamente ocorre a dessensibilização do sistema receptor quando está presente continuamente ocorre a dessensibilização do sistema receptor quando está presente continuamente ocorre a dessensibilização do sistema receptor quando o estímulo cai abaixo de um certo limiar o sistema se torna sensível novamente BIOQUÍMICA GERAL 186 glicogênio nos hepatócitos mas não nos eritrócitos embora neste caso os dois tipos celulares possuam receptores para esse hormônio Entretanto os hepatócitos possuem a enzima meta bolizadora do glicogênio que é estimulada pela adrenalina enquanto os eritrócitos não o são Cabe salientar que outra característica marcante dos sistemas de transdução de sinal e das vias de sinalização é a integração ou seja a habilidade do sistema de receber sinais múltiplos e produzir uma resposta unifi cada apropriada às necessidades da célula ou do organismo CURIOSIDADE Diferentes vias de sinalização conversam umas com as outras em vários níveis gerando uma riqueza de interações que mantêm a homeostase na célula e no organismo Diferentes vias de sinalização conversam umas com as outras em vários níveis Diferentes vias de sinalização conversam umas com as outras em vários níveis gerando uma riqueza de interações que mantêm a homeostase na célula e no Diferentes vias de sinalização conversam umas com as outras em vários níveis gerando uma riqueza de interações que mantêm a homeostase na célula e no Diferentes vias de sinalização conversam umas com as outras em vários níveis gerando uma riqueza de interações que mantêm a homeostase na célula e no Diferentes vias de sinalização conversam umas com as outras em vários níveis Amplifi cação do sinal sensorial 812 São três os fatores responsáveis pela sensibilidade da transdução de sinal a alta afi nidade dos receptores para as moléculas sinalizadoras a cooperatividade da interação liganterecep tor e a amplifi cação do sinal por cascatas enzimáticas A transdução do sinal é geralmente iniciada pela ligação de moléculas de sinalização extra celular aos seus receptores na superfície da célula Os sinais são então retransmitidos para as células através de várias proteínas sinalizadoras intracelulares eventualmente alterando as proteínasalvo que por sua vez alteram o metabolismo celular a expressão gênica a organi zação do citoesqueleto e outras propriedades celulares As vias de transdução de sinal amplifi cam o sinal de entrada por uma cascata de sinalização usando uma rede de enzimas que atuam umas sobre as outras de maneiras es pecífi cas para fi nalmente gerar uma respos ta fi siológica precisa e apropriada pela célula Fig 1 A transdução de sinal envolve a altera ção do comportamento das proteínas na cas cata ativandoas ou desativandoas Dentro da célula várias moléculas atuam como men sageiros intracelulares também conhecidos como segundos mensageiros BIOQUÍMICA GERAL 187 Dessensibilização e adaptação 813 A dessensibilização é uma resposta reduzida do receptor a um estímulo podendo ser um neu rotransmissor hormônios etc Isso se dá em razão de um número reduzido de receptores celulares disponíveis ou da redução da atividade das vias de sinalização intracelular e canais iônicos após exposição prolongada ao estímulo Essa dessensibilização também ocorre por internalização do receptor e remoção dos receptores da membrana plasmática por endocitose A ligação de agonis tas nesses receptores promove sua atração para o citoplasma onde sofrem degradação A adaptação é o declínio das respostas de um receptor ao longo do tempo diante de um es tímulo contínuo desenvolvendo uma tolerância do sistema ligantereceptor Mesmo quando o estímulo é aplicado continuamente com a mesma intensidade a taxa de respostas diminui Observe essa representação na Fig 2 Enzima 2 2 2 Enzima 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 Sinal Enzima 1 Figura 1 Esquema representativo do processo de Amplifi cação Fonte NELSON 2017 BIOQUÍMICA GERAL 188 Esta diminuição na resposta apesar da estimulação constante é chamada de adaptação É evidente que os receptores que se adaptam rapidamente são particularmente hábeis em sinalizar a presença de um estímulo apenas no início do processo Consequentemente eles são classifi cados como receptores fásicos Em contrapartida os receptores de adaptação lenta sinalizam continuamente a presença de um estímulo e são frequentemente referidos como receptores tônicos ESCLARECIMENTO Os receptores tônicos têm como característica a adaptação lenta além de detectar continuamente um estímulo enviar sinalização ao sistema nervoso enquanto o si nal está presente e manter o sistema nervoso informado constantemente do meio em que o rodeia continuamente um estímulo enviar sinalização ao sistema nervoso enquanto o si continuamente um estímulo enviar sinalização ao sistema nervoso enquanto o si Os receptores tônicos têm como característica a adaptação lenta além de detectar continuamente um estímulo enviar sinalização ao sistema nervoso enquanto o si continuamente um estímulo enviar sinalização ao sistema nervoso enquanto o si nal está presente e manter o sistema nervoso informado constantemente do meio Os receptores tônicos têm como característica a adaptação lenta além de detectar Os receptores tônicos têm como característica a adaptação lenta além de detectar Os receptores tônicos têm como característica a adaptação lenta além de detectar continuamente um estímulo enviar sinalização ao sistema nervoso enquanto o si nal está presente e manter o sistema nervoso informado constantemente do meio continuamente um estímulo enviar sinalização ao sistema nervoso enquanto o si nal está presente e manter o sistema nervoso informado constantemente do meio nal está presente e manter o sistema nervoso informado constantemente do meio Integração da mensagem sensorial e envio ao cérebro 814 Os organismos precisam de informações para resolver pelo menos três tipos de problemas manter um ambiente adequado ou seja homeostase atividades de tempo por exemplo mudanças sazonais de comportamento sincronizan do atividades e localizar e responder a recursos ou ameaças por exemplo movendose para recursos ou evadindo ou atacando ameaças Os organismos também precisam transmitir informações para infl uenciar o comportamen Resposta Sinal Receptor Figura 2 Representação do processo de dessensibilizaçãoadaptação Fonte NELSON 2017 Adaptado BIOQUÍMICA GERAL 189 Transdutores de sinais 82 O componente intracelular da transdução de sinal é altamente específi co do receptor mantendo assim a especifi cidade do sinal de entrada no interior da célula Receptores que ini ciam alterações bioquímicas podem fazêlo diretamente via atividades enzimáticas intrínsecas dentro do receptor ou por meio da ativação de moléculas mensageiras intracelulares Tais processos são usualmente rápidos levando cerca de milisegundos a realizaremse no caso do fl uxo de íons ou minutos para a ativação de cascatas de quinases mediadas por pro teínas e lipídios Entretanto podem durar horas e até mesmos dias O número de proteínas e outras moléculas participantes nos eventos que envolvem transdução de sinal aumenta à medida que o processo emana do estímulo inicial resultando em uma cascata de sinal come çando com um estímulo relativamente pequeno que desenvolve uma grande resposta Classicamente classifi camse os transdutores de sinal em quatro tipos canais iônicos recep tores enzimáticos do tipo tirosinacinases receptores associados à proteína G e receptores nu cleares Esses quatro tipos serão discutidos na sequência No entanto podemos inserir mais dois tipos que são o receptor guanililciclase e os receptores de adesão Observe esses tipos na Fig 3 PAUSA PARA REFLETIR Externorreceptores e internorreceptores são a classificação dos receptores de acordo com o local de captação dos estímulos Mas quanto à natureza dos estímulos como são classificados os receptores to de outro identifi carse alertar sobre perigo e coordenar atividades por exemplo Para isso potenciais de ação atingem o cérebro a partir dos neurônios sensoriais Esses poten ciais de ação são chamados de sensações À medida que o cérebro recebe a informação das sen sações ele as interpreta em cores cheiros sons e gostos que também são chamados de percep ções e dados estímulos Sensações e percepções são detectados através de receptores sensoriais Cabe ressaltar que no corpo humano existem diferentes receptores sensoriais especiali zados para diferentes estímulos vindos de dentro e de fora do corpo Os receptores sensoriais que detectam estímulos vindos de fora do corpo são chamados de exterorreceptores enquan to aqueles que detectam estímulos vindos de dentro do corpo são chamados de interorrecep tores Um outro receptor do mesmo grupo é a categoria dos propriorreceptores que detectam estímulos do interior do corpo como movimento tensão e estriamento muscular São encon trados no esqueleto nos músculos ou no aparelho vestibular da orelha interna BIOQUÍMICA GERAL 190 Canais iônicos 821 Os receptores ligados enzimaticamente são um grupo de proteínas transmembrana com múltiplas subunidades que contêm atividade enzimática intrínseca em seu domínio intracelu Membrana plasmática Envelope nuclear X Cascata de cinases GTP eGMP DNA RNAm Proteína Proteína R 1 Receptor associado à proteína G A Interação do ligante externo S extracelular ao receptor R ativa uma proteína intracelular ligadora de GTP G que regula uma enzima Enz que gera um segundo mensageiro X 2 Receptor tirosinacinases A interação do ligante ativa a atividade tirosinacinase por autofosforilação 3 Receptor guanililciclase A interação do ligante ao domínio extracelular estimula a formação do segundo mensageiro GMP cíclico 4 Receptor de adesão Liga moléculas na matriz extracelular altera a conformação modifi cando sua interação com citoesqueleto 5 Canal iônico com portão Abrese e fechase em resposta à concentração do ligante sinalizador ou potencial de membrana 6 Receptor nuclear Abrese e fechase em resposta à concentração do ligante sinalizador ou potencial de membrana s s s s s s s Enz G RNAm DNA s s s s Íons Figura 3 Seis tipos gerais de transdutores de sinais Fonte NELSON 2017 Adaptado BIOQUÍMICA GERAL 191 lar ou se associam diretamente a uma enzima intracelular Eles têm um poro aquoso que se torna acessível aos íons depois que uma mudança conformacional na estrutura da proteína faz com que o canal iônico se abra Uma vez abertos os canais iônicos mostram seletividade para a classe de íons que pode passar por eles Outros canais iônicos permitem a passagem de um grupo mais amplo de íons como por exemplo os receptores Nmetilaaspartato NMDA que são uma classe de canais iônicos que permite que os íons Na Ca2 e K fluam através deles Os canais iônicos são divididos entre aqueles que são abertos por alterações no potencial de membrana os canais iônicos depen dentes de voltagem e canais iônicos que são abertos pela ligação de um ligante como um hor mônio ou um neurotransmissor ou seja canais iônicos dependentes de ligante Para ambos os tipos de canais iônicos a abertura leva à passagem de íons para baixo de seus respectivos gradientes eletroquímicos o que tipicamente ocorre em taxas muito rápidas Fig 4 Na Na Na Ca2 Ca2 Glutamate Sensor de voltagem E Receptor de neurotransmissor K K K K F Ca2 ativando canal de K Canais dependentes de voltagem A Na canal B Ca2 canal C K canal D Cl canal Cl G Canal fechado com nucleotídeo cíclico Canais dependentes de ligante Figura 4 Canais iônicos dependentes de voltagem e dependentes de ligantes Fonte NEUROSCIENCE 2001 Adaptado BIOQUÍMICA GERAL 192 Receptores enzimáticos 822 Um receptor ligado à enzima também conhecido como receptor catalítico é um receptor transmembrana em que a ligação de um ligante extracelular causa atividade enzimática in tracelular Tem dois domínios importantes um domínio de ligação ao ligante extracelular e um domínio intracelular que tem uma função catalítica e uma única hélice transmembrana A molécula de sinalização ligase ao receptor do lado de fora da célula e faz com que o receptor dimerize Os resíduos de tirosina no domínio intracelular são então autofosforilados desenca deando uma resposta celular O sinal é terminado por uma fosfatase que remove os fosfatos dos resíduos de fosfotirosina Repare na Fig 5 a sequência de eventos e de cascata de fosforilação que ocorre após a in serção do ligante Veja que a cada fosforilação ocorre a ativação de uma enzima anteriormente inativa o que gera a ativação de outra até o processo fi nal que na Fig 5 é a transcrição gênica Os canais de sódio controlados por voltagem são responsáveis pela iniciação e propagação do potencial de ação em células excitáveis incluin do os tipos de células nervosas musculares e neuroendócrinas permitindo uma despolariza ção rápida e coordenada em resposta ao acio namento da mudança de tensão Encontrados ao longo do axônio e na sinapse canais de íons dependentes de voltagem propagam sinais elé tricos direcionalmente Os canais iônicos depen dentes de voltagem são geralmente específi cos para determinados íons tais como sódio Na potássio K cálcio Ca2 e cloreto Cl A abertura e o fechamento dos canais são desencadeados pela alteração da concentração de íons e portanto do gradiente de carga entre os lados da membrana celular Os canais iônicos dependentes de ligante são críticos para o controle dos eventos sinápticos mais rápidos no sistema nervoso pois a ação do transmissor atinge um pico em uma fração de um milis segundo e geralmente decai em poucos milissegundos Canais iônicos dependentes de ligante po dem ser encontrados na membrana celular em sítios póssinápticos e présinápticos em uma varie dade de tipos de células incluindo células nervosas musculares e epiteliais Eles interagem com uma gama de neurotransmissores químicos principalmente a acetilcolina ACh o glutamato Glu o ácido γaminobutírico GABA a 5hidroxitriptamina 5HT e o 5trifosfato de adenosina ATP BIOQUÍMICA GERAL 193 Proteínas receptoras da membrana plasmática 823 Os receptores transmembranas também chamados de receptores acoplados à proteína G ou GPCRs G proteincoupled receptors são proteínas integrais de membrana que contêm sete hélices que atravessam a membrana Como o nome sugere eles são acoplados às proteí nas G no lado intracelular da membrana As proteínas G fazem parte de uma superfamília de proteínas que hoje compreende mais Exemplos da atividade enzimática incluem o receptor de tirosina quinase como no receptor do fator de crescimento de fi broblastos a proteína quinase específi ca para serinatreonina como na proteína morfogenética óssea e o guanilato ciclase como no receptor do fator natriurético atrial A Fator de crescimento Mudança de conformação dimerização Vários fatores de transcrição Transcrição gênica Domínio receptor Cascata das quinases Autofosforilação da tirosina α Hélice transmembrana Raf Fosforilação de Grb2 NÚCLEO Domínio tirosina quinase Mek Ativação de Ras troca GDPGTP GDP GTP Ativação Fosforilação Fosforilação Fosforilação Resíduo de tirosina MAPquinase MEMBRANA Ligação da proteína de domínio SH2 Grb2 Grb2 Grb2 P P P P P Ras Figura 5 Esquema de ação após ligação de um ligante de receptores enzimáticos Fonte RANG e DALE 2016 BIOQUÍMICA GERAL 194 Receptor 1 Agonista não ligados 2 Hidrólise do GTP 1 Difusão de αGTP para o efetor 2 Ativação do efetor 3 Reconstituição da proteína G heterotrimérica 1 Ligação do agonista 2 Troca de GTPGDP 3 Ativação da proteína G Efetor Efetor ativado Agonista α β α Y β α Y β Y GTP GDP GDP GTP GTP A B C de 50 membros descritos São proteínas que no estado inativo encontramse acopladas a receptores no meio intracelular e graças a propriedades funcionais e estruturais quando ati vadas por estímulos adequados podem migrar pelo citosol e ativar enzimas amplifi cadoras ou canais iônicos ativando eventos intracelulares por estímulos externos ESCLARECIMENTO Proteínas G são compostos de alto peso molecular e ditos heterotriméricos pois são formadas por três polipeptídios distintos α β e γ formando o complexo trans dutor de sinais Levam este nome por interagir com grupos guanílicos guanosina difosfato GDP e guanosina trisfosfato GTP são formadas por três polipeptídios distintos α β e γ formando o complexo trans são formadas por três polipeptídios distintos α β e γ formando o complexo trans Proteínas G são compostos de alto peso molecular e ditos heterotriméricos pois são formadas por três polipeptídios distintos α β e γ formando o complexo trans são formadas por três polipeptídios distintos α β e γ formando o complexo trans dutor de sinais Levam este nome por interagir com grupos guanílicos guanosina Proteínas G são compostos de alto peso molecular e ditos heterotriméricos pois Proteínas G são compostos de alto peso molecular e ditos heterotriméricos pois Proteínas G são compostos de alto peso molecular e ditos heterotriméricos pois são formadas por três polipeptídios distintos α β e γ formando o complexo trans dutor de sinais Levam este nome por interagir com grupos guanílicos guanosina são formadas por três polipeptídios distintos α β e γ formando o complexo trans dutor de sinais Levam este nome por interagir com grupos guanílicos guanosina dutor de sinais Levam este nome por interagir com grupos guanílicos guanosina Após ligação do ligante o GPCR sofre uma alteração conformacional que é transmitida para a proteína G causando ativação Existem duas vias principais de transdução de sinal envolvendo os receptores acoplados à proteína G a via do AMPc e a via do fosfatidilinositol Quando um li gante se liga ao GPCR ele causa uma alteração conformacional no GPCR que permite que atue como um fator de troca de nucleotídeo guanina GEF O GPCR pode então ativar uma proteína G associada trocando o GDP ligado à proteína G por um GTP Fig 6 Figura 6 Ativação da proteína G por ligante agonista e deslocamento da subunidade α Fonte GOLAN 2014 Adaptado BIOQUÍMICA GERAL 195 PAUSA PARA REFLETIR Muito se fala sobre o papel de receptores e transdutores de sinais no câncer Mas em se tratando exclusivamente da proteína G qual é seu papel e de seus receptores no câncer Também cabe observar o mecanismo de autoinativação da proteína G demonstrado na Fig 8 A subunidade α da proteína G juntamente com o GTP ligado pode dissociarse das subunida des β e γ para afetar ainda mais as proteínas sinalizadoras intracelulares ou afetar diretamente as proteínas funcionais alvo dependendo do tipo de subunidade α Gs Gq Gi G1213 Fig 7 GTP GTP GTP GTP β Y β Y Gα Giα GSα Gqα G12 13α I IV II V III Canal iônico IP3K Fosfolipase Adeniliciclase Receptor quinase VI VII Canal iônico Aumenta AMPc Aumenta DAG e IP3 Ativa Rho Inibe AMPc Fosfolipases GTP Fig 7 Proteínasalvo Fonte DE LA NUEZ VEULENS E RODRIGUES 2007 Adaptado BIOQUÍMICA GERAL 196 4 1 Gs está inativa quando ligada a GDP ela não pode ativar a adenililciclase 2 Contato entre Gs e o complexo hormô nioreceptor causa a substituição do GDP ligado por GTP 3 Gs ligada a GTP se dissocia em subunidades α e βy Gsa GTP é ativada ela pode ativar a adenililciclase GDP GDP β α β Y Y Gsα Gsα Gs GTP GTP Pi GDP O GTP Ligado a Gsa é hidrolisado pela atividade GTPásica intrínseca da proteína desta forma Gsa inativa a si mesma A subunidade α inativa reassociase à subunidade βy Mensageiros secundários 824 Os segundos mensageiros são mediadores intracelulares facilmente difusíveis cuja con centração dentro da célula muda rapidamente na ativação do receptor Desta maneira eles re gulam a atividade de outras moléculas de sinalização alvo O íon cálcio Ca2 é um exemplo de segundo mensageiro sendo liberado em grandes quantidades em resposta a um sinal ampli fi candoo e difundindose rapidamente pelo citosol Os íons Ca2 podem portanto transmitir o sinal rapidamente para todas as partes importantes da célula Outros segundos mensageiros solúveis em água como AMPc e GMPc atuam de forma semelhante ao Ca2 difundindose pelo citosol enquanto os segundos mensageiros como o diacilglicerol DAG são lipossolúveis e difusos ao longo da membrana plasmática nos quais são ancoradas várias outras proteínaschave de sinalização De modo geral um ligante se liga a uma molécula de proteína receptora que atravessa a membrana A ligação de um ligante ao receptor provoca uma alteração de conformação no receptor Essa mudança de conformação pode afetar a atividade do receptor e resultar na produção de segundos mensageiros ativos No caso de receptores acoplados à proteína G a alteração na conformação expõe um local de ligação para uma proteína G A proteína G denominada pelas moléculas de GDP e GTP que Figura 8 Mecanismo de autoinativação da proteína G Fonte NELSON 2017 BIOQUÍMICA GERAL 197 se ligam a ela está ligada à membrana interna da célula e consiste em três subunidades alfa beta e gama A proteína G é conhecida como o transdutor Quando a proteína G se liga ao re ceptor ela se torna capaz de trocar uma molécula de GDP guanosina difosfato em sua subu nidade alfa por uma molécula de GTP guanosina trifosfato Uma vez que essa troca ocorre a subunidade alfa do transdutor de proteína G se liberta das subunidades beta e gama todas as partes permanecem ligadas à membrana A subunidade alfa agora livre para se mover ao lon go da membrana interna eventualmente entra em contato com outra proteína ligada à mem brana o efetor primário O principal efetor então tem uma ação que cria um sinal que pode se difundir dentro da célula Este sinal é chamado de segundo mensageiro ou secundário O mensageiro secundário pode então ativar um efetor secundário cujos efeitos dependem do sistema especial de mensageiro secundário Os íons de cálcio são um tipo de segundo men sageiro e são responsáveis por muitas funções fisiológicas importantes incluindo contração muscular fertilização e liberação de neurotransmissores Fig 9 Os íons são normalmente ligados ou armazenados em componentes intracelulares como o retículo endoplasmático e podem ser liberados durante a transdução de sinal A enzima fosfolipase C produz diacilglicerol e inositol trisfosfato o que aumenta a permeabilidade do íon cálcio na membrana A proteína G ativa abre canais de cálcio para permitir a entrada de íons de cálcio na membrana plasmáti ca O outro produto da fosfolipase C o diacilglicerol ativa a proteína quinase C que auxilia na ativação do AMPc outro segundo mensageiro DAG AA EnzimasAlvo Ca2 Eicosanoides Proteínas quinases PKG Segundos mensageios PKA GMPc PKC Liberados como hormônios locais AMPc Efetores IP3 Enzimas proteínas de transporte etc Proteínas contráteis Canais iônicos Proteínas G Receptores Guanilil ciclase Adenilil ciclase Fosfolipase C Figura 9 Controle dos sistemas efetores celulares pela proteína G e segundos mensageiros AA ácido araquidônico DAG diacilglicerol IP3 inositol trifosfato Fonte RANG E DALE 2016 BIOQUÍMICA GERAL 198 Regulação da transcrição por hormônios esteroides 832 Os hormônios esteroides regulam uma ampla variedade de processos fi siológicos tais como desenvolvimento crescimento e processos metabólicos que exigem maior gasto de Mecanismos regulatórios 83 Um denominador comum nas transduções de sinal é a regulação fi nal da atividade de uma proteína quinase uma enzima que fosforila uma proteína O número de proteínas quinases co nhecidas tem crescido consideravelmente desde sua descoberta por Edwin G Krebs e Edmond H Fischer em 1959 O genoma da levedura codifi ca 120 proteínas quinases diferentes repre sentando 2 de todo o genoma deste organismo Outros eucariotos provavelmente possuem pelo menos todos esses genes de proteínas quinases cada um com um ativador específi co e suas proteínasalvo Fosforilação 831 A fosforilação é uma importante modifi cação nas vias de sinalização celular A modifi cação é um processo reversível catalisado por proteínas quinases Esta alteração se dá através de um resíduo de aminoácido que é fosforilado por uma proteína quinase por meio da adição de um grupo fosfato ligado covalentemente A fosforilação altera a conformação estrutural de uma pro teína fazendo com que ela se torne ativada ou desativada ou modifi cando sua função A reação reversa da fosforilação é chamada de desfosforilação e é catalisada pelas fosfatases proteicas A forte carga negativa em um grupo fosfato muda a maneira como uma proteína é moldada e como ela interage com a água Uma proteína que normalmente não interage com a água se tornará hidrofílica quando fosforilada Essa alteração resulta em modifi cações nas proprieda des físicas e bioquímicas de uma proteína A modifi cação da fosforilação tem principalmente dois mecanismos reguladores para as proteínasalvo 1 a fosforilação pode causar uma alteração conformacional na estrutura das proteínas modifi cadas tais como enzimas e receptores ativando ou desativando a função e 2 a fosforilação altera a afi nidade das proteínas para seu efetor e ao fazêlo as proteínas fosforiladas podem recrutar ou liberar seus efetores a jusante Portanto é concebível que a modifi cação da fosforilação regule uma ampla gama de atividades biológicas tais como cres cimento celular metabolismo celular divisão celular e assim por diante Em organismos euca rióticos a fosforilação pode ocorrer em resíduos de serina treonina tirosina e histidina BIOQUÍMICA GERAL 199 Regulação do ciclo celular por proteínas quinases 833 As ciclinas estão entre os mais importantes reguladores do ciclo celular Tratamse de um grupo de proteínas relacionadas sendo que existem quatro tipos básicos encontrados em humanos e na maioria dos outros eucariotos ciclina G1 ciclinas G1S ciclinas S e ciclinas M Como os nomes sugerem cada ciclina está associada a uma fase específi ca transição ou conjunto de fases no ciclo celular e ajuda a conduzir os eventos dessa fase ou período Por exemplo a ciclina M promove os eventos da fase M como a quebra do envelope nuclear e a condensação cromossômica Os níveis das diferentes ciclinas variam consideravelmente ao longo do ciclo celular Uma ciclina típica está presente em níveis baixos durante a maior parte do ciclo mas aumenta fortemente na fase em que é necessária A ciclina M por exemplo atinge um pico intenso na transição da fase G2 para a fase M celular A fi m de impulsionar o ciclo celular uma ciclina deve ativar ou inativar muitas proteínasalvo dentro da célula As ciclinas conduzem os eventos do ciclo celular por meio de parcerias com uma família de enzimas denominadas quinases dependentes de ciclina Cdks Uma Cdk sozi energia Entre os hormônios esteroides os glicocorticoides desempenham um papel impor tante na sobrevivência durante o estresse traumático e lesões que requerem energia Os gli cocorticoides estimulam a degradação proteica no músculo na pele e no tecido linfoide e os aminoácidos liberados são usados para a síntese de glicose e glicogênio Os receptores de hormônios esteroides são proteínas que possuem um sítio de ligação para uma molécula esteroide particular Seus elementos de resposta são sequências de DNA ligadas pelo complexo do esteroide unido ao seu receptor O elemento de resposta é parte do promotor de um gene A ligação pelo receptor ativa ou reprime conforme o caso o gene controlado por esse promotor É através desse mecanismo que os hormônios esteroides ligam ou desligam os genes Para um hormônio esteroide regular ativar ou desativar a transcrição do gene seu receptor deve 1 Ligarse ao hormônio cortisol no caso do receptor de glicocorticoide 2 Ligarse a uma segunda cópia de si mesmo para formar um homodímero 3 Estar no núcleo movendose do citosol se necessário 4 Ligarse ao seu elemento de resposta 5 Ligarse a outros cofatores de proteínas Cada uma destas funções depende de uma região particular da proteína por exemplo os dedos de zinco para ligação ao DNA Mutações em qualquer região podem perturbar a função daquela região sem necessariamente interferir com outras funções do receptor BIOQUÍMICA GERAL 200 Oncogenes genes supressores e apoptose 834 O câncer é um processo invasivo decorrente da transformação celular que ocorre em res posta a distúrbios genéticos provocados por mutações ou amplifi cações de alguns genes que codifi camse para proteínas capazes de controlar a proliferação e divisão celular Tais genes mu tados são chamados oncogenes ou seja oncogenes referemse àqueles genes cujas alterações causam efeitos de ganho de função enquanto genes supressores de tumor TSGs causam efei tos de perda de função que contribuem para o fenótipo maligno Os oncogenes e os genes su pressores de tumor desempenham um papel na oncogênese por meio de mecanismos opostos Os protooncogenes promovem o crescimento celular normal Ocasionalmente uma mutação aumenta sua atividade ou uma duplicação e a translocação ou outro evento genético aumenta sua expressão Observe na Fig 10 alguns mecanismos gerais de geração de oncogênes nha é inativa mas a ligação de uma ciclina ativaa tornandoa uma enzima funcional e permi tindo que modifi que as proteínasalvo Cdks são quinases enzimas que fosforilam anexam grupos fosfato proteínasalvo específi cas O grupo fosfato ligado age como um interruptor tornando a proteínaalvo mais ou menos ativa Quando uma ciclina se liga a uma Cdk ela tem dois efeitos importantes ativa a Cdk como uma quinase mas também direciona a Cdk para um conjunto específi co de proteínasalvo apro priadas ao período do ciclo celular controlado pela ciclina As ciclinas G1S por exemplo enviam Cdks para alvos de fase S como a promoção de replicação de DNA enquanto M ciclinas enviam Cdks para alvos de fase M como o processo de fazer a membrana nuclear quebrar Em geral os níveis de Cdk permanecem relativamente constantes ao longo do ciclo celular mas a atividade de Cdk e as proteínasalvo mudam à medida que os níveis das várias ciclinas são alterados para mais ou para menos Figura 10 Mecanismos de geração de oncogenes Fonte SERRANO 2014 Adaptado Protooncogene Translocação Fator de crescimento em excesso Fator de crescimento em excesso Fator de crescimento em excesso Oncogene Em um elemento de controle DNA Novo promotor Amplifi cação gênica Mutação pontual No gene Oncogene Proteína hiperativa ou resistente à de gradação BIOQUÍMICA GERAL 201 Sob tais condições esses genes agora chamados de oncogenes causam um crescimento ce lular anormal e descontrolado Exemplos de protooncogenes incluem fatores de crescimento tirosina quinases GTPases reguladoras e fatores de transcrição Os TSGs inibem o crescimento celular em células normais No entanto diminuições na atividade desses genes frequentemente causadas por mutação ou hipermetilação do promotor impedem sua capacidade de parar o crescimento celular anormal Exemplos de TSGs incluem genes que regulam a apoptose adesão celular ou sinalização de dano ao DNA Os genes podem ter propriedades oncogênicas propriedades supressoras de tu mor ou ambos Estas propriedades dependem não apenas do tipo de tumor mas também das diferenças conhecidas ou observadas na expressão gênica ou nas marcas epigenéticas Diferenças genéticas em oncogenes eou TSGs em amostras tumorais podem se correlacio nar com fenótipos biológicos ou desfechos clínicos como estadiamento seleção de terapia me tástase ou taxa de sobrevida A análise desses genes pode fornecer informações sobre os meca nismos moleculares e os caminhos biológicos por trás da oncogênese e da patologia do câncer incluindo a desregulação da apoptose o ciclo celular a adesão celular e o dano e reparo do DNA Proposta de Atividade Agora é a hora de pôr em prática tudo o que você aprendeu neste capítulo Elabore um mapa conceitual inserindo todas as rotas de transdução de sinal estudadas neste capítulo Ao produzir seu mapa conceitual considere as leituras básicas e complementares realizadas Recapitulando Todas as células possuem mecanismos de transdução de sinais específicos e altamente sensíveis que têm sido conservados durante a evolução Uma grande variedade de estímu los incluindo hormônios neurotransmissores e fatores de crescimento atua por meio de receptores proteicos específicos na membrana plasmática Esses receptores ligamse às moléculas amplificam o sinal integramse com outros sinais vindos de outros receptores e transmitem para dentro da célula Se o sinal persistir à dessensibilização do receptor reduzse ou finalizase a resposta Entre os mecanismos principais de transdução de si nal destacamse canais iônicos na membrana plasmática enzimas com domínio catalítico para dentro das células e um receptor extracelular para o sinal proteínas de membrana que estimulam proteínasalvo específicas pela ativação de proteína G e proteínas nuclea res que se ligam a esteroides e atuam como fatores de transcrição BIOQUÍMICA GERAL 202 Em relação aos receptores sensoriais específicos vimos que podemos classificálos de acordo com o local de captação de estímulo mas também em relação à natureza do estí mulo Em relação à natureza do estímulo os receptores sensoriais podem ser classificados em quimiorreceptores que são capazes de detectar substâncias químicas e responsáveis pelos sentidos do paladar e olfato termorreceptores que detectam estímulos de natureza térmica como variação de temperatura através da pele da face dos pés e das mãos meca norreceptores que correspondem a estímulos mecânicos tais como nos ouvidos que são capazes de captar ondas sonoras e como órgãos de equilíbrio e os fotorreceptores que estão situados nos olhos e captam estímulos de luz Entre os transdutores de sinal discutimos a proteína G e a correlacionamos com sua atividade Na segunda pausa para refletir nos questionamos sobre qual o papel dessa proteína nos receptores para o câncer Considerando que o mesmo receptor GPCR pode interagir com várias isoformas da proteína G não é de surpreender que alterações em suas funções estejam relacionadas com doenças de importância proporcional à sua relevância fisiológica como nos casos de doenças vasculares diabetes e câncer Como exemplos de alterações somáticas nos genes que expressam proteínas dos GPCR podese citar a ativa ção constitutiva do receptor de hormônio estimulante da tireoide TSH que está associa da a adenomas tireoideanos hiperfuncionantes Existem achados de GPCR que são superexpressos em diversos carcinomas como por exemplo o receptor de estrogênio acoplado à proteína G que está em grande quantidade nos tumores de mama próstata pulmão e cérebro Um tipo de GPCR superexpresso em carcinomas espinocelulares localizados no pulmão colo do útero pele bexiga e testículo é o GPR87 um receptor de membrana relacionado à família dos receptores LPA Também relatase que o GPR87 desempenha um papel importante na sobrevivência de células neo plásicas e sua expressão está relacionada com o gene supressor de tumor p53 A diminui ção da atividade desse receptor leva à sensibilização apoptose e supressão do crescimento do tumor Levando em conta sua estrutura única elucidando seus ligantes naturais e suas vias de sinalização esse receptor pode ser um alvo para o tratamento contra certos tipos de câncer Algumas mutações no gene GNAS1 que codifica a subunidade Gα são respon sáveis pela formação do oncogene GSP sendo resultado da alteração de códons altamente conservados arginina e glicina Esse oncogene produz uma proteína Gα com baixa atividade GTPase levando a uma ativação constitutiva dessa subunidade estimulatória Essa ativação mantém os níveis de AMPc consideravelmente altos em alguns tecidos como a hipófise e a tireoide O AMPc promove proliferação diferenciação e secreção hormonal Alguns adenomas corticotrófi BIOQUÍMICA GERAL 203 cos também estão relacionados com o oncogene GSP sendo descritos em dois adenomas secretores de ACTH resultado de alterações do códon A superativação da proteína Gi leva à diminuição significativa do AMPc o que pode ativar a proliferação celular já que esse estado induz a ativação da proteína Raf1 uma cinase que forma parte da via proteínas cinase ativadas por mitógenos MAPK e finaliza seu sinal no núcleo onde ativa diversos fatores de transcrição alterando as vias de crescimento celular Mutações no gene GNAI2 nos códons que codificam arginina e glicina levam à formação do oncogene Gip2 que está relacionado a tumores ovarianos e adrenocorticais Desta forma a proteína G pode ser considerada um oncogene uma vez que mutações na sua expressão resultam em anorma lidades nas vias de transdução alterando os fatores que controlam o crescimento celular BIOQUÍMICA GERAL 204 Referências bibliográficas Alterar Referências para BARKER B S et al Ion Channels Conns Translational Neuroscience Academic Press v 1 2017 CLARK M A et al Lippincotts Illustrated Reviews Pharmacology v 5 Wolters Kluwer 2012 DE LA NUEZ VEULENS Ania RODRIGUEZ Rolando G Proteincoupled receptors as targets for drug design Biotecnologia Aplicada Habana v 26 n 1 2009 GOLAN D E et al Princípios de Farmacologia a base fisiopatológica da farmacologia 3 ed Guanabara Koogan 2014 GUREVICH V V GUREVICH E V GPCRs and signal transducers interaction stoichiometry Trends in 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