SINALIZAÇÃO MOLECULAR

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SINALIZAÇÃO MOLECULAR

Departamento de Biologia Molecular (Edifício 1, 5º piso) Vítor Costa: vcosta@ibmc.up.pt

Vítor Costa: vcosta@ibmc.up.pt

Objetivos

compreensão dos mecanismos moleculares utilizados pelas células para receber, processar, amplificar e integrar diversos sinais.

aplicação a problemas biológicos específicos

SINALIZAÇÃO MOLECULAR

aplicação a problemas biológicos específicos analisar, apresentar e discutir artigos científicos

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Programa

Mecanismos gerais de sinalização molecular: modificações pós- traducionais, interação entre proteínas, formação de complexos, e alterações na localização subcelular, conformação e atividade enzimática.

Cascatas de sinalização: recetores de membrana e citosólicos; proteínas G

SINALIZAÇÃO MOLECULAR

Cascatas de sinalização: recetores de membrana e citosólicos; proteínas G e Ras; nucleótidos cíclicos; proteína cinases e fosfatases; mobilização de cálcio; lípidos como mensageiros secundários.

Vias específicas: resposta metabólica, sinalização imunológica, resposta ao stress, morte celular, cancro.

Bibliografia

Biochemistry of Signal Transduction and Regulation. 4th Edition, Gerhard Krauss. WILEY-VCH. ISBN978-3-527-31397-6.

Molecular Biology of the Cell. 5th Edition, Bruce Alberts, Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, Peter Walter. Garland Science. ISBN: 978-0-8153-4105-5.

SINALIZAÇÃO MOLECULAR

Textbook of Biochemistry With Clinical Correlations. Thomas M. Devlin;

Drexel University School of Medicine, Philadelphia, Pennsylvania, 2006. ISBN:

978-0-471-67808-3.

Lehninger Principles of Biochemistry. David L. Nelson, Michael M. Cox;

W.H. Freeman, 2008. ISBN: 978-0-7167-7108-1.

Biochemistry. Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko, Lubert Stryer; W. H.

Freeman, 2007. ISBN: 0-7167-8724-5.

Artigos científicosrecentes sobre tópicos relacionados com o programa.

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Aula Nº Dia Tópico Docente 01

02

16/2 18/2

Apresentação/Programa Mec. Gerais Sinalização

V. Costa

“ 03

04

23/2 25/2

Mec. Gerais Sinalização

"

V. Costa

“ 05

06

02/3 04/3

Imunologia Artigos 1-3

A. Carmo V. Costa 07

08

09/3 11/3

Imunologia Artigos 4-6

A. Carmo V. Costa 09

10

16/3 18/3

PKC Artigos 7-9

L. Saraiva V. Costa 11

12

23/3 25/3

Sistema 2-componentes Artigos 10-12

M. Mendes V. Costa ---

--- 30/3-03/4 Férias de PáscoaFérias de Páscoa ------ ---

--- 13

06/4 08/4

Férias de Páscoa Férias de Páscoa Aula de revisões/dúvidas

--- V. Costa

13 08/4 Aula de revisões/dúvidas V. Costa

14 15

13/4 15/4

1ª Frequência Cancro

V. Costa C. Reis 16

17

20/4 22/4

Artigos 13-15 Cancro

V. Costa P. Soares 18

19

27/4 29/4

Artigos 16-18 Sinal. Redox

V. Costa

"

---

--- 04-08/5 Queima das FitasQueima das Fitas ------ 20

21

11/5 13/5

Artigos 19-21 Sinal. Redox

V. Costa

“ 22

23

18/5 20/5

Artigos 22-24 Envelhecimento

V. Costa

“ 24

25

25/5 27/5

Esfingolípidos + Artigo 25 ---

V. Costa --- 26

27

01/6 03/6

Aula de revisões/dúvidas 2ª Frequência

V. Costa

“

Avaliação

Apresentação e discussão de artigo científico (25%) - 20 min Apresentação + 10 min Discussão

Frequências / Exame escrito final (75%)

SINALIZAÇÃO MOLECULAR

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Sinalização Molecular

1. Princípios gerais

1.1 Tipos Transdução de sinal

Transdução de sinal entre células e tecidos

Intercelular:

transmissão de um sinal de uma célula para células alvo

Intracelular:

descodificação de um sinal recebido pelas células alvo descodificação de um sinal recebido pelas células alvo

envolve a regulação de proteínas sinalizadoras e alteração da atividade de proteínas

Permite a células num orgão/tecido responder a alterações na função em células de outros orgãos/tecidos

Homeostasia do organismo

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Sinalização intercelular

Justacrina

envolve duas células em contacto direto células comunicam através de:

(i) gap junctions - permitem a passagem direta de moléculas pequenas (iões, metabolitos, mensageiros secundários) entre células vizinhas (por ex., sinais metabolitos, mensageiros secundários) entre células vizinhas (por ex., sinais elétricos em sistemas excitáveis, como coração e cérebro)

(ii) interação de uma proteína expressa à superfície da célula (sinal) com um recetor à superfície da célula alvo

Sinalização intercelular

Moléculas secretadas

por ex. neurotransmissor, hormona, fator de crescimento

difundem-se através do meio extracelular até à célula alvo onde interagem com proteínas recetoras, alterando a sua atividade

4 modos (endócrina, parácrina, sináptica e autócrina) em função de:

(i) distância entre a célula que envia o sinal e a célula alvo (ii) natureza bioquímica das moléculas secretadas

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Sinalização entre células separadas por distâncias curtas ou longas

Hormonas sintetizadas por células especializadas em tecidos glandulares são secretadas no sangue e transportadas até células alvo em vários tecidos Apenas as células que expressam recetores específicos para a hormona são

células alvo.

A concentração das hormonas no sangue e espaço intersticial é baixa (picomolar a nanomolar) as células alvo contêm recetores com elevada afinidade e seletividade

Célula que envia sinal secreta as moléculas no ambiente local células alvo na vizinhança

Moléculas secretadas são designadas mediadores locais

A concentração destas moléculas perto das células alvo é nanomolar a micromolarrecetores têm baixa afinidade (dissociam-se rapidamente quando a concentração extracelular do mediador diminui).

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tipo extremo de sinalização parácrina

neurotransmissores são secretados nas sinapses entre um neurónio e a célula alvo (geralmente outro neurónio ou célula muscular)

a concentração dos neurotransmissores no volume sináptico é micromolar a milimolarrecetores têm baixa afinidade (dissociam-se rapidamente quando a concentração extracelular do mediador diminui); essencial para terminar rapidamente (milisegundos) a neurotransmissão.

outro tipo de sinalização parácrina a célula que envia o sinal é a célula alvo

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Ligando

- qualquer molécula que se liga a um recetor

Agonista

– ativa transdução de sinal Antagonista

Fisiológico

Farmacológico– molécula sintética Antagonista

– inibe transdução de sinal

Sinalização intracelular: ativação e inibição de proteínas sinalizadoras

output Proteína

sinalizadora Sinal

Estado basal

Estado ativado

Sinal Processamento de múltiplos sinais

a ativação completa de proteínas sinalizadoras requer frequentemente a receção de vários sinais

- Contém vários domínios de sinalização que reconhecem diferentes sinais.

permite uma regulação fina da sinalização

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Mecanismos de ativação de proteínas sinalizadoras

• ligação de outras moléculas sinalizadoras

• alterações conformacionais

• modificações covalentes

• associação a membranas

• eliminação de inibidores

Mecanismos de inibição de proteínas sinalizadoras

• ligação de inibidores

• modificações inibitórias

• eliminação de modificações ativadoras

Tipos celulares distintos podem conter variantes de vias de sinalização Subtipos ou isoformas de proteínas sinalizadoras:

Aumentam a variabilidade da sinalização

Têm propriedades de sinalização semelhantes mas não idênticas:

- diferem no reconhecimento do substrato e na regulação

São codificados por genes específicos e podem formar-se por splicing alternativo

ex., neurotransmissores (acetilcolina, serotonina e dopamina) reconhecem diferentes subtipos de recetor

Cada subtipo de recetor pode ser diferencialmente expresso em diferentes tecidos/células ou co-expresso no mesmo tecido/célula Diferentes subtipos de recetor podem induzir respostas opostas

- dificuldades no uso de fármacos sintéticos - explica efeitos nocivos secundários

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Sinalização Molecular

1. Princípios gerais

1.2. Recetores para moléculas secretadas 1.2.1. recetores intracelulares

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Recetor Transdutor

Amplificador

Via de sinalização

Proteínas G

Enzimas(pode ser componente intrínseco do recetor):

- nucleótido ciclase

Respostas celulares Mensageiro

Sensores e efetores

sinalização - nucleótido ciclase - fosfolipase

- proteína cinase - proteína fosfatase

Fig. 1.8: Principles of signal transduction by TM receptors and nuclear receptors Biochemistry of Signal Transduction and Regulation, Fourth Edition. Edited by Gerhard Krauss 2008 WILEY-VCH

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Ligandos naturais de recetores intracelulares:

- Hormonas esteroides: cortisol, estradiol, progesterona, testoterona e aldosterona - derivados de amino ácidos: hormona T3 - vitamina D e derivados do ácido retinóico

O complexo hormona-recetor liga-se a elementos específicos no promotor de genes elementos específicos no promotor de genes regulados para controlar a sua taxa de transcrição:

HRE = Hormone-Responsive Element 2 cópias de um hexâmero: 5’-AGGTCA-3’

O complexo hormona-recetor também regula respostas não genómicas

Fig. 4.2: Genomic and nongenomic signaling by nuclear receptors and their ligands Biochemistry of Signal Transduction and Regulation, Fourth Edition. Edited by Gerhard Krauss 2008 WILEY-VCH

Elementos de transativação em recetores intracelulares:

Fig. 4.3: Domain structure of the nuclear receptors

Biochemistry of Signal Transduction and Regulation, Fourth Edition. Edited by Gerhard Krauss 2008 WILEY-VCH

AF-1 (activation function-1):

- localizado na região A/B

- envolvido em transativação independente de ligando

- contém locais de fosforilação e locais de interação com coativadores e corepressores AF-2:

- localizado na região E e por vezes na região F - envolvido em transativação dependente de ligando - contém locais de ligação a coativadores e corepressores

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Fig. 4.12: Functions of nuclear receptor domains.

Regulação de sinalização por recetores nucleares

1. Regulação da concentração do ligando - via:

biossíntese

secreção e transporte modificação e degradação

2. Regulação do recetor por fosforilação : 2. Regulação do recetor por fosforilação :

catalisada por proteína cinases (ex. MAPK, Akt, JNK)

ocorre em resíduos de Ser/Thr e Tyr (principalmente na região AF-1) modula:

- ligação ao DNA e atividade de transativação - necessidade de ligando

- distribuição nuclear/citoplasmática - localização membranar

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3. Regulação do recetor por coativadores e corepressores:

a) coativatoresrecrutam proteínas envolvidas na remodelação da cromatina, que libertam estruturas repressoras, tornando-as competentes para o início da transcrição

b) coativatoresrecrutam enzimas modificadoras necessárias para descompactar a cromatina – ex. metilases (CARM) e histona acetilases (p300)

c) corepressores recrutam histona deacetilases (HDAC), promovendo a compactação da cromatina e repressão da transcrição

d) o complexo TRAP/mediador interage com a maquinaria basal da transcrição Regulação de sinalização por recetores nucleares

Fig. 4.10: Functional states of nuclear receptors with selected examples of associated proteins Biochemistry of Signal Transduction and Regulation, Fourth Edition. Edited by Gerhard Krauss 2008 WILEY-VCH

4. Interação com outros ativadores da transcrição

recetores nucleares regulam a atividade de outros fatores de transcrição (ex., AP-1, em promotores contendo HRE e elementos de ligação do AP-1)

5. Regulação por ubiquitinação

recetor nuclear interage com proteínas envolvidas na ubiquitinação Regulação de sinalização por recetores nucleares

recetor nuclear interage com proteínas envolvidas na ubiquitinação e degradação proteassomal

NOTA: Corepressores e coativatores também são regulados por:

- fosforilação - ubiquitinação

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Recetores de hormonas esteroides encontram-se no citosolsob a forma de um complexo inativo (Aporecetor) com Hsp90, Hsp56 e p23.

A ligação da hormona ativa o

Fig. 4.13: Principle of signal transduction by steroid hormone receptors

A ligação da hormona ativa o recetor e permite a sua translocação para o núcleo.

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Recetores para ácido retinóico, hormona T3 e vitamina D

encontram-se no núcleo, ligados ao seu HRE.

Na ausência de ligando, estes recetores podem reprimir a

transcrição através do recrutamento de corepressores.

Fig. 4.14: Model of repression and activation of T₃R.

de corepressores.

A ligação da hormona induz uma alteração conformacional e

exposição do local de ligação a coativadores.

TRE = T₃-responsive element

O recetor de estrogénio (ER) é fosforiladoem resíduos de Ser por proteína cinases em resposta a sinais que ativam recetores tirosina cinase (RTK) ou recetores acoplados à proteína G (GPCR).

Fig. 4.15: Ligand-independent linkage of the ER to major signaling pathways of the cell.

proteína G (GPCR).

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A hormona esteroide 17β-estradiol (E2) pode iniciar sinalização via o GPCRGp30 ou via o seu recetor (ER).

A ligação de E2 ao ER estimula transcriçãode genes ou ativa de modo não genómico outras proteínas sinalizadoras (proteína cinases,

Fig. 4.16: Nongenomic functions of the ER and estrogen.

sinalizadoras (proteína cinases, recetores transmembranares).

O crosstalkcom outras vias de sinalização pode requerer proteínas adaptadoras (Shc ou MNAR).