COMUNICAÇÃO INTERCELULAR E TRANSMISSÃO INTRACELULAR DE SINAIS

(Sinopse dos slides de sala de aula)

A sobrevivência das células de um organismo depende de estímulos externos provenientes de outras células. O organismo é projetado para funcionar integralmente e não como a soma de células individuais e a comunicação entre as células é, portanto, fundamental. Nos organismos multicelulares  cada célula depende de outra! As inter-relações celulares ocorrem desde as primeiras fases da vida embrionária.

AS CÉLULAS SÃO ATIVADAS POR LIGAÇÃO DA SUBSTÂNCIA INDUTORA  AO SEU RECEPTOR

As células se comunicam por moléculas e, em alguns casos, por sinais elétricos. A célula que emite a “mensagem” é responsável pela síntese da molécula sinalizadora ou indutor, ou ainda, ligante. A molécula que recebe o sinal deve ter um receptor adequado que reconhece o ligante, ou nãoperceberá o sinal.

Figura 1: Esquema representativo da produção de um sinal (ligante) por uma célula indutora e sai recepção pela célula-alvo (ou célula induzida). O ligante pode estar na superfície da célula indutora, mas pode ser secretado/excretado e encontrar células próximas ou mesmo muito distantes.

As consequências de um estímulo são as mais diversas. Na figura abaixo há um quadro geral do que pode ocorrer com uma célula após ser induzida. Há três classes gerais de resposta, embora outras classificações sejam possíveis.

Figura 2. Possíveis respostas à indução. A lista não esgota as possibilidades, que se multiplicam de forma notável nos organismos multicelulares.  Uma primeira classe de consequência do estímulo é a multiplicação, diferenciação e morte celular. Uma segunda classe de estímulos está relacionada à contração muscular, alterações rápidas do citoesqueleto e condução de sinais elétricos pelas células (via despolarização de membrana), A terceira classe de respostas está relacionada à degradação ou síntese de substâncias e ao trânsito de solutos e macromoléculas pela membrana.

Há uma variedade de moléculas e íons que servem de sinal, isto é, atuam como indutores.

Ø  proteínas,

Ø  pequenos peptídeos,

Ø  aminoácidos,

Ø  nucleotídeos,

Ø  esteroides,

Ø  retinoides,

Ø  ácidos graxos,

Ø  óxido nítrico e monóxido de carbono.

O sinal pode ser elétrico, em certos casos.

Já as moléculas que compõem os receptores nas células alvo mostram menos variedade composicional e costumam ser proteínas ancoradas na membrana ou livres no citosol.  Mais adiante discutiremos os tipos de resposta divididas de acordo com a localização do receptor.

Em conformidade com o que mostra a Figura 2, os alvos da estimulação podem ser:

ü  proteínas regulatórias de genes - levam à síntese de novas proteínas ou sua inibição

ü  canais iônicos – provocam a entrada/saída de íons na célula

ü  componentes de vias metabólica;

ü   citoesqueleto

Em síntese, o mecanismo de comunicação depende de três componentes, mostrados esquematicamente na Figura 3 abaixo:

Figura 3. Os três componentes principais para a comunicação celular.  As moléculas sinalizadores extracelulares são os indutores ou ligantes. As proteínas celulares de superfície são os receptores. As proteínas sinalizadores intracelulares fazem parte da cascata de resposta na célula induzida. Em alguns casos o ligante atravessa a membrana plasmática e encontra seu receptor no citosol. Em outros casos, o sinal pode ser elétrico (despolarização de membrana).

TIPOS DE INDUÇÃO

Podemos esquematicamente dividir os tipos de indução celular de acordo com a distância entre a célula indutora e a célula. A Figura 4 abaixo mostra a classificação de acordo com a distância entre as células.

Figura 4. Na comunicação dependente de contato as células devem estar muito próximas, Entre elas se forma o que é chamado de “gap junction” e é neste espaço que ocorre a interação entre o ligante (preso na membrana plasmática da célula sinalizadora) e o receptor (na membrana plasmática da célula alvo). Na comunicação (ou indução) parácrina as células está relativamente próximas e a difusão do indutor se dá a pequena distância.  Na comunicação sináptica o indutor trafega dentro de vesículas do Golgi até a sinapse, região especializada da célula que contacta outra célula nervosa ou uma célula muscular; as vesículas se fundem na membrana plasmática da célula indutora (um neurônio) e despejam seu conteúdo no espaço sináptico, onde vão se ligar aos seus receptores na membrana da célula alvo. No quarto tipo de comunicação celular, a indução endócrina, o sinal excretado ou secretado pela célula sinalizadora alcança as células alvo através da circulação, ganhando assim todo o corpo. É o caso de muitos hormônios. A indução autócrina é aquela na qual o indutor produzido e excretado por uma célula termina por induzi-la. Neste sentido, ela guarda muita semelhança à indução parácrina, mas a célula indutora e a célula alvo são a mesma célula.

A indução também pode ser dividida de outra forma, isto é, de acordo com o local da célula onde ocorre o encontro do indutor e do receptor. Na figura abaixo podemos ver que a comunicação celular acontece pelo encontro do receptor pelo indutor no citosol (e para isso o indutor tem que ser lipofílico para poder cruzar a membrana plasmática) ou pelo encontro do receptor na membrana plasmática. Quando a indução se faz pela ligação em receptores de membrana plasmática, a ligação determina uma mudança conformacional no receptor que pode abrir ou fechar canais iônicos, ativar enzimas (em geral cinases ou ciclases) ou ainda interagir com uma proteína G do lado citosólico da membrana plasmática. Nos dois casos (receptor citosólico ou de membrana), a consequência da interação pode depender de uma complexa cadeia de reações, embora em certos casos, comoo dos canais iônicos, a resposta estará na própria mudança de conformação do receptor.

Figura 5. Divisão esquemática dos tipos de indução celular de acordo com a localização do receptor (primeiro nível) e de acordo com a atividade associada ao receptor ativado (segundo nível).

Há algumas características da indução que são bastante gerais e que merecem ser ressaltadas:

·         Cada substância indutora atua apenas sobre a célula alvo – De fato, apenas as células que possuem o receptor específico para o ligante respondem ao estímulo da célula indutora, como comentado no próximo item.

·         A especificidade está relacionada com o receptor, que é uma molécula ou uma associação de moléculas.

·         Para ligação ao receptor, é necessária uma adaptação estrutural recíproca entre as duas moléculas – quando o ligante e o receptor se acoplam, as duas moléculas sofrem pequenas alterações estruturais.

·         A quantidade de receptores em cada célula é limitada;

·         A ligação substância indutora-receptor é reversível – uma vez desligado do receptor o ligante pode muitas vezes ligar-se a um novo receptor (igual ao anterior), ma mesma célula ou em outra célula.

Após a ligação do ligante ao receptor, ocorrem reações químicas em cadeia no interior da célula, cuja resposta celular é o desfecho da série. A resposta da célula alvo ao estímulo pode variar muito, tanto em termos bioquímicos como em tempo de duração (veja Figura 2 e Figura 6 abaixo).

Figura 6. A indução pode determinar uma reação rápida da célula alvo quando não depende da síntese de novas proteínas. A resposta é especialmente rápida quando envolve canais iônicos. Entretanto, quando a indução envolve a ativação de genes no núcleo, a resposta irá da síntese da nova proteína, o que pode levar várias horas ou mesmo dias.

Vamos em seguida aprofundar um pouco em cada tipo de indução, de acordo com a localização do receptor.

INDUÇÃO MEDIADA POR RECEPTORES CITOSÓLICO

Os hormônios esteroides e tireoideos, a vitamina D e o ácido retinoico são substâncias indutoras que se ligam aos receptores situados no citosol.  Esta classe de indutores deve ter uma natureza hidrofóbica (ou lipofílica) para que possa atravessar a membrana plasmática e encontrar seus receptores no citosol da célula alvo.  A Figura 7 sintetiza os passos que ocorrem após a ligação do indutor em seu receptor e a Figura 8 exemplifique esta via de ativação com o exemplo do cortisol.

Figura 7. O receptor  encontra-se inicialmente no citosol e não entra no núcleo. Entretanto, depois de ligado a indutor, ele tem a capacidade de entrar no núcleo complexado ao indutor. O complexo se liga diretamente ao DNA ou em proteínas que se ligam a promotores (proteínas reguladoras da transcrição). Esta ligação ativa o gene alvo da indução, que determina a síntese de uma nova proteína, que pode ser a forma final da resposta à indução.

Figura 8. Exemplo da ativação de um gene induzida por uma substância cujo receptor é citosólico. O indutor é, neste caso, o cortisol e o receptor, citoplasmático (ou, em algumas células, também nuclear). Os passos da indução estão explicados na figura. O complexo gerado liga-se ao elemento regulador dos glicocorticóides induzindo ou reprimindo a transcrição gênica. A resposta genética é variável de célula para célula. Adaptado de The Science of Biology, 8ª. edição, Sinauer

INDUÇÃO MEDIADA POR RECEPTORES DE MEMBRANA

Receptores de superfície atuam como transdutores de sinal, que convertem a ligação do ligante em sinais intracelulares, alterando  o comportamento da célula. Todos os receptores de superfície são proteínas integrais de membrana, que têm um domínio voltado para o lado externo e um domínio citosólico.

Pertencem a três classes, como mostrado na Figura 5:

·         Receptores ligados a canais iônicos;

·         Receptores ligados à proteína G;

·         Receptores ligados à enzimas (guanilato ciclase, serina treonina cinase, tirosinocinase).

Podemos resumir as propriedades destas três classes de receptores como mostrado abaixo:

a)      Receptores ligados a canais iônicos

Sinalização mediada por neurotransmissores, que abrem e fecham canais formados pelas proteínas e alteram a permeabilidade iônica da membrana promovendo a excitabilidade pós sináptica.

b)      Receptores ligados à proteína G

A interação entre o receptor e o alvo é mediada por uma terceira proteína formada por três subunidades,  a proteína G (GTP binding Protein).

Indiretamente, regula a atividade da proteína  alvo de membrana  que pode ser uma enzima ou um canal iônico.

c)       Receptores ligados à enzimas

 Funcionam como enzima ou são associados com as enzimas  que ativam.

A figura 9 abaixo representa as três classes de receptores mencionadas acima.

Figura 9. (A) A ligação do indutor (molécula sinal ou ligante) ao receptor determina uma mudança conformacional deste, que tem como consequência a abertura (e mais raramente o fechamento) de um canal para íons, que é na verdade o próprio receptor. (B) A ligação do indutor ao receptor faz com que este atraia para si a proteína G, que é então ativada. A proteína G difunde pela membrana e vai ativar outras enzimas de membrana. (C) A ligação do indutor reúne subunidades inativas do receptor. A união das subunidades determina a ativação do receptor que funciona então, ele mesmo, como uma enzima, ou alternativamente, ativa uma enzima que está associada a ele na face interna da membrana plasmática. Adaptado de Molecular Biology of the Cell (Alberts et al.)

CONCEITO DE SISTEMA DE SEGUNDO MENSAGEIRO

Sistemas em que um sinal intracelular é gerado em resposta a um mensageiro primário intercelular, como um hormônio ou neurotransmissor. São sinais intermediários presentes em processos celulares como o metabolismo, secreção, contraçãoe crescimento celular. São exemplos de sistemas de segundo mensageiro o sistema adenil ciclase-AMP cíclico, o sistema fosfatidilinositol difosfato-inositol trifosfato, e o sistema de GMP cíclico.

De onde surge o segundo mensageiro? O indutor (primeiro mensageiro) produz mudanças no receptor que são transmitidas à segunda molécula do sistema. A segunda molécula atua sobre uma terceira... e por aí em diante até que a resposta à indução seja completada. Algumas vezes a segunda molécula da resposta (aquela modificada pelo receptor) é uma molécula pequena que se difunde pelo citosol ou no plano da membrana. Neste caso, estas moléculas são chamadas segundos mensageiros. Porque se difundem rapidamente, são eficientes na propagação dos sinais.

São segundos mensageiros:

·         AMPc, um produto da degradação do ATP;

·         GMPc, um produto da degradação do GTP;

·         Ca++ - transporte para o interior da célula é feito através de canais controlados;

·         trifosfato de inositol (IP3) e o diacilglicerol (DAG), produtos da degradação do fosfatidilinositol-4,5-bifosfato (PIP2), fosfolipídio de membrana;

Não há segundo mensageiro para hormônios esteroides e tireoideos porque os receptores são intracelulares.

RECEPTORES COM ATIVIDADE ENZIMÁTICA OU QUE ATIVAM ENZIMAS

A atividade enzimática pode ser de:

·         guanilato ciclase: interage com moléculas de GTP transformando em GMPc (um segundo mensageiro);

·         serina-treonina cinase: fosforila serinas e treoninas dos domínios citosólicos de outras unidades protéicas; isso ativa ou inibe a atividade das proteínas modificadas

·         tirosinocinase: fosforila tirosinas (atividade de tirosinocinase) em domínios citosólicos de proteínas. Mesmo efeito anterior.

Esta atividade é restrita ao domínio citosólico do receptor ou de uma proteína associada a ele, que é ativada na presença do indutor quando este se liga ao domínio externo do receptor.

RECEPTORES COM ATIVIDADE GUANILATO CICLASE

A figura a seguir sintetiza e exemplifica o funcionamento de um receptor com função de enzima guanilato ciclase. Quando o receptor é ativado pelo indutor (neste caso, o ANP – peptídeo natriurético atrial), ele ganha esta atividade enzimática e converte a GTP em sua proximidade em GMPc. Esta molécula difunde pela célula e pode interagir com muitas outras moléculas alvo.  Um destes alvos nas células renais é a cinase G.

Figura 10. Do lado esquerdo da figura está sinteticamente representada a forma como o indutor determina que o domínio citoplasmático do receptor ganhe uma atividade de guanilato ciclase. Os demais quadros exemplificam como o indutor (ANP, uma molécula sinalizadora que circula pelo sangue e tem, por isso, características de hormônio, mas que não atravessa a membrana plasmática, mas se liga a um receptor de superfície nas células alvo) determina a redução da pressão arterial.

RECEPTORES COM ATIVIDADE SERINA-TREONINA CINASE

A figura a seguir sintetiza e exemplifica o funcionamento de um receptor com função de enzima serina-treonina cinase. Quando o receptor é ativado pelo indutor (neste caso, moléculas da família do TGF-b, uma citocina), ele ganha esta atividade enzimática e adiciona fosfatos a resíduos de serina e treonina em enzimas alvo. A fosforilação geralmente leva a uma ativação da enzima.

A via SMAD deste exemplo é a via de sinalização canônica que os membros da família TGF-β usam para sinalizar. Nesta via, os dímeros de TGF-β se ligam a um receptor de tipo II, que recruta e fosforila um receptor de tipo I. O receptor de tipo I, em seguida, recruta e fosforila uma proteína SMAD regulada por receptor (R-SMAD). O R-SMAD liga-se então ao SMAD comum (coSMAD), denominado SMAD4 e forma um complexo heterodimérico. Este complexo, em seguida, entra no núcleo da célula onde atua como um fator de transcrição de vários genes, incluindo aqueles para ativar a via da proteína cinase 8 ativada por mitógeno, o que desencadeia a apoptose.

Figura 11. Do lado esquerdo da figura está sinteticamente representada a forma como o indutor determina que o domínio citoplasmático do receptor ganhe uma atividade de serina-treonina cinase. Os demais quadros exemplificam como o indutor (TGF-β, uma citocina que se liga a um receptor de superfície nas células alvo) determina a transcrição de vários genes e pode levar à apoptose celular.

RECEPTORES COM ATIVIDADE TIROSINOCINASE

As substâncias indutoras que tem este tipo de atividade são membros da família dos fatores estimuladores de crescimento  (ex: EGF, FGF, HGF, insulina). O receptor se autofosforila por adição de fosfato das moléculas de ATP e promove três vias de ativação de sinais que participam:

·         A proteína Ras (rat sarcoma virus)

·         A fosfolipase C-g

·         A fosfatidilinositol 3-cinase

Figura 12. Do lado esquerdo da figura está representada a sequência de eventos que leva da ligação do sinal ao receptor até a ativação dos genes no núcleo. A união de subunidades do receptor mediada pela ligação do indutor ativa a proteína RAS que determina uma sucessão de eventos que leva à ativação de ERK, que passa ao núcleo e determina a transcrição de genes. O quadro pequeno ao centro e ao alto mostra como a fosfolipase C quebra um lipídio de membrana (PIP2) produzindo DAG e IP3, os segundos mensageiros comentados anteriormente nesta apresentação. Por fim,o quadro da direita mostra como a fosfatidil-inositol 3 cinase transforma o mesmo PIP2 no segundo mensageiro PIP3. A ação destas duas enzimas é determinada pela ligação do indutor ao receptor.

Receptores com atividade tirosinocinase também são ativados por indutores como:

·         hormônio do crescimento (GH),

·         prolactina,

·         eritropoetina,

·         algumas citocinas e antígenos quando se ligam aos linfócitos T e B.

·          

Proteínas citosólicas denominadas de STAT (Signal Transducer and Activation of Transcription) se dimerizam, depois de ativadas pela tirosinocinase, e ingressam no núcleo onde se combinam com outras proteínas e ativam diversos genes.

RECEPTORES LIGADOS À PROTEÍNA G

Várias moléculas se ligam a receptores ligados à proteína G,  incluindo drogas, hormônios, neurotransmissores e mediadores  locais.

·         A subunidade a da proteína G comporta-se como uma GTPase, semelhante a Ras;

·         A proteína G inicia diferentes vias de sinais intracelulares depois que interage com a:

v Adenilato ciclase para produzir AMP cíclico;

v Fosfolipase C- que quebra o fosfatidilinositol 4,5-difosfato (PIP2) formando inositol 1,4,5-trifosfato (IP3) e diacilglicerol (DAG);

v Fosfatidilinositol 3-cinase (PI 3-K) que acrescenta um fosfato ao PIP2 e o converte em fosfatidilinositol 3, 4,5-trifosfato (PIP3).

AMP cíclico, Ca 2+ , IP3, DAG e PIP3 são, como dissemos antes, segundos mensageiros

Na figura abaixo representamos de forma muito esquemática como se dispõem o receptor e as três subunidades da proteína G na membrana plasmática e de que forma a ativação do receptor pelo indutor leva à separação das subunidades da proteína G e sua ativação. Observe que a proteína G está ancorada na membrana por duas caudas de ácidos graxos, enquanto o receptor, como dissemos antes, é uma proteína integral de membrana. As duas moléculas podem se deslocar no plano da membrana.

Figura 13. Ilustração da ativação das subunidades da proteína G pela ligação do indutor ao receptor.

O passo seguinte na resposta ao indutor mediada pela proteína G e, em geral, a ativação de uma enzima. A figura a seguir ilustra como a proteína G pode ativar uma fosfolipase, que vai clivar o PIP2 na membrana, liberando os segundos mensageiros DAG e IP3, que vão mediar respostas em locais diversos da célula. No exemplo, as duas moléculas estão relacionadas à liberação de cálcio do lúmen (ou luz) do retículo endoplasmático para o citosol.

Figura 14. Esquema representativo da resposta a um estímulo mediada pelo receptor ligado a proteína G.  Aqui participam os segundos mensageiros PIP3 e DAG, produzidos pela ação da fosfolipase C ativada pela proteína G.

RECEPTORES LIGADOS A CANAIS IÔNICOS

Por enquanto, disponibilizamos apenas esta animação: http://www.youtube.com/watch?v=QP4ABaY2rpU&feature=related.

Por fim, a figura abaixo mostra que, em muitos casos, um mesmo indutor pode ter vários tipos de receptor na superfície da célula, cada um atuando por uma via um pouco distinta, mas levando muitas vezes à mesma consequência final. O exemplo usa as bem conhecidas vias ativadas pela adrenalina (ou epinefrina).