(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 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 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).
