Bases bioquímicas das doenças neurodegenerativas

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Bases bioquímicas das doenças 
neurodegenerativas
Principais doenças neurodegenerativas 
Doença de Alzheimer (DA), doença de Parkinson (DP), doença priônica, doença de Huntington's, distrofia muscular, 
esclerose múltipla, escleorse lateral amiotrófica (ELA), atrofia muscular espinhal (AME)
A demência e o comprometimento cognitivo são as sequelas mais frequentes e preocupantes.
São caracterizadas por disfunção seletiva e perda progressiva de sinapses, neurônios associados e células gliais pela 
disposição de proteínas patologicamente alteradas principalmente no cérebro e ME.
A classificação é baseada na apresentação clínica, região anatômica, tipos celulares afetados, proteínas 
conformacionalmente alteradas envolvidas no processo aptogênico e a etiologia (variações genéticas ou por vias 
adquiridas - ex.: doença priônica)
Os estudos atuais mostram que a detecção precoce de doenças neurodegenerativas com métodos não invasivos é o 
principal foco dos pesquisadores e o desenvolvimento de biomarcadores visando tecidos periféricos estão em destaque.
Critérios diagnósticos 
Técnicas diagnósticas são baseadas em exames de imagem e biomarcadores de LCR.
A maioria das proteínas alteradas segue um padrão de distribuição sequencial no cérebro, sugerindo um mecanismo 
de propagação célula a célula
Algumas das proteínas associadas à neurodegeneração podem ser detectadas em órgãos periféricos (método não 
invasivo)
A presença concomitante de mais de uma proteína, todas associadas à neurodegeneração é comum em alguns casos
Biomarcadores periféricos para a detecção precoce de DA e DP 
VANTAGEM → uso métodos não invasivos; tecidos periféricos podem apresentar biomarcadores que não estão tão 
presentes no SNC; tecidos periféricos são constituídos por importantes indicadores cerebrais de alterações cognitivas e 
biológicas precoces
DA e DP são caracterizadas pela perda progressiva de estruturas e/ou funções neurais, resultando em morte neural.
Disfunção de vias metabólicas resulta em neuro-desordens em tecidos periféricos → pele, células sanguíneas, olhos, 
estômago, colon, coração, SNP etc
Doença de Alzheimer 
Causa mais comum de demência. Atualmente, cerca de 24 mi de pessoas. 
FASES:
1. DA PRÉ-CLÍNICA → sem sintomas
2. COMPROMETIMENTO COGNITIVO LEVE → sintomas leves que não interferem nas atividades diárias
3. DEMÊNCIA LEVE → sintomas interferem em algumas atividades diárias (lapso de memória, perda de equilíbrio etc)
4. DEMÊNCIA MODERADA → sintomas interferem em várias atividades diárias
5. DEMÊNCIA SEVERA → sintomas interferem na maioria das atividades diárias; não permitem a realização das 
atividades
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Marcadores de risco potencial 
Estresse oxidativo
Íons metálicos
Desordens vasculares
Alterações mitocondriais
Disfunção e alterações conformacionais em proteínas
Causas da neurodegeneração 
1. Acúmulo do peptídeo Abeta (beta-amiloide) no espaço extracelular do neurônio = formação de placas amiloides = 
dano e morte neuronal e neurodegeneração
2. Acúmulo anormal da proteína TAU modificada dentro dos neurônios = formação de emaranhados neurofibrilares = 
bloqueio de moléculas no neurônio = dano e morte neuronal e neurodegeneração
Logo, o acúmulo de peptídeo beta-amiloide predispõe o acúmulo de proteína TAU.
A perda da função cerebral é devido à incapacidade do cérebro metabolizar a glicose (principal nutriente), devido ao 
acúmulo de TAU
SINTOMAS MAIS GRAVES DA DA → perda de memória progressiva e dificuldade na fala
OUTRAS ALTERAÇÕES CEREBRAIS → inflamação e atrofia (perda celular) - ativação de micróglias
Mutação no gene de APP e mutações do peptídeo beta-amiloide predispõe para a DA.
Alterações conformacionais em proteínas - oligomerização do peptídeo beta-
amiloide 
As estruturas dos oligômeros e a formação das fibrilas são dependentes do ambiente celular.
Monômeros e oligômeros podem formar protofibrilas e fibrilas (formam as placas beta amiloides).
Fragmento do peptídeo beta-amiloide 1-42 com 42 resíduos de aa forma fibrilas, as quais são hidrofóbicas e neurotóxicas 
= formação de placas beta-amiloides
Fragmento do peptídeo beta-amiloide 1-40 com 40 resíduos de aa formam monômeros e sua associação ao cobre acelera 
a formação de dímeros → oligêmeros fibrilares → fibrilas amiloides maduras (insolúveis - constituem as placas beta-
amiloides)
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A formação de oligômeros do pepídeo Abeta pode dar origem a micelas, TABFOs, PFOs, globulômeros, protofibrilas 
(pouco solúveis), APFs
Patogênese da DA 
1. Acúmulo de peptídeos beta-amiloides = formação de placas neuríticas/senis = ativação de cascata neurotóxica e 
alterações no citoesqueleto neuronal
2. Hiperfosforilação da proteína TAU = formação de emaranhados neurofibrilares
Proteína APP (precursora do peptídeo beta-amiloide) sofre sucessivas clivagens proteolíticas por enzimas beta-secretases 
(bace-1) e gama-secretases. O descontrole dessas clivagens resulta no acúmulo dos peptídeos beta-amiloides e 
formação de oligômeros. 
Sua clivagem resulta na ativação da cascata neurotóxica da proteína Ras, que ativa ERK (age no núcleo celular, ativando a 
transcrição de genes, diferenciação e proliferação celular). Em excesso, a cascata é superativada.
Essa clivagem excessiva ocorre pela ativação concomitante da cascata da proteína GSK3 (glicogênio sintase quinase 3 - 
prevalente no cérebro), que promove a fosforilação da APP e aumenta a ação das beta e gama-secretases e, logo, há 
maior acúmulo de peptídeos beta-amiloides.
Ao mesmo tempo, a proteína GSK3 atua, intracelularmente, na fosforilação da proteína Tau, a qual, fosforilada, forma 
emaranhados neurofibrilares, comprometendo o fluxo de nutrientes e oxigênio = dano e morte neuronal.
FUNÇÕES DA APP NOS NEURÔNIOS → desenvolvimento de neurônios, formação e reparo de sinapses, plasticidade 
neuronal e ativação de GSK3.
Fatores relacionados à idade, fatores genéticos e ambientais, contribuem para o favorecimento da via metabólica de 
processamento da APP - a via amiloidogênica.
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Sintomas e biomarcadores 
PRIMEIROS SINTOMAS → perda de memória frequente, capacidade reduzida de planejamento e julgamento, dificuldades 
coma atividades diárias, desorientação de tempo e espaço, perda de objetos, mudanças de comportamento e humor e 
problemas na comunicação e linguagem.
BIOMARCADORES PERIFÉRICOS:
SANGUE → níveis de PKC, níveis de peptídeo beta-amiloide, níveis de APP, níveis de GSK-3
CÉREBRO:
NÍVEIS ELEVADOS → Ras-Erk; GSK-3, APP, peptídeo Abeta1-42
NÍVEIS REDUZIDOS → nPKCε; MnSOD, BDNF
PROTEÍNAS → níveis plasmáticos de proteína beta-amiloide, alfa-1-antitripsina
OLHOS → deposição Abeta, fluxo de sangue na retina, placas retinoidas, degradação de células ganglionares retinais
FIBROBLASTOS DÉRMICOS → fosforilação ERK1 e ERK, liberação intracelular Ca2+
PKC - via de sinalização importante para funções neurais 
PKC pertence à família das quinases serina/treonina.
As isoformas de PKC (a, bl, bll, d, e, g, i, h, l, m, q, z, a, beta, ε) são classificadas em 3 grupos:
PKC convencionais (cPKC) → cálcio-dependentes, ativadas pela fosfatidil-serina e pelo DAG
PKC originais/novas (nPKC) → cálcio-dependentes, ativadas pela fosfatidil-serina e pelo DAG; prevalente nos 
neurônios
PKC atípicos (aPKC) → cálcio-independentes, não requerem DAG para ativação, mas fosfatidil-serina para regular sua 
atividade
obs.: DAG → ativador metabólico intracelular que ativa a cascata de PKC
obs.: o grupos cPKC e nPKC são os mais prevalentes nas junções neuromusculares (JNM)
ETAPAS DE ATIVAÇÃO E VIA DE SINALIZAÇÃO DA PKC:
1. Geração de diferentes estímulos (neuronais, hormonais ou fatores de crescimento) e ativação da cascata de ativação 
da PKC (hiperglicemia, estresse oxidativo etc)
2. Sensibilização de um GPCr na superfície celular e ativação da proteína Gq 
3. Ativação da FLP C e degradaçãodo fosfolípidio de membrana (fosfatidilserina, com liberação de DAG (ativação PKC) 
e IP3
4. Ativação de PKC gera ativação de proteínas intracelulares (enzimas, receptores ou segundos mensageiros) = 
modulação gênica específica
Isoforma nPKCε
Altamente expressa no cérebro. 
Alterações nessa isoforma está relacionada com atividade sináptica e sua regulação ocorre pela contração muscular. 
Diretamente envolvida na liberação do neurotransmissor ACh na JNM. 
A atividade da isoforma nPKCε requer que as células musculares se contraiam se o nível de membrana pré-sináptica de nPKCε 
deve ser mantido ou aumentou (provavelmente com o envolvimento da ação estabilizadora de HSP70). Finalmente, considera-se 
a hipótese de que nPKCε está funcionalmente relacionada no mecanismo de neurotransmissão nas JNM
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nPKCε aumenta a expressão proteína Hu e de BDNF (brain derived neurotrophic fator) = crescimento e manutenção das 
redes neurais.
Além disso, a expressão proteína Hu, pela nPKCε, aumenta a expressão de MnSOD = metabolismo de EROs.
Logo, na DA, com a diminuição de nPKCε, há um comprometimento da manutenção das redes neurais.
Formação de emaranhados neurofibrilares pelas alterações do citoesqueleto, devido à hiperfosforilação das proteínas 
associadas aos microtúbulos, como a proteína TAU. Isso ocorre devido à ativação da GSK3 e CDK, que promovem 
hiperfosforilação da proteína TAU = interfere na metabolização da glicose e aporte energético.
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Cascata amiloide
DA x doença cérebro vascular (DCV) 
DCV → injúria de tecidos e vasos sanguíneos cerebrais que comprometem o fluxo sanguíneo e, consequentemente, o 
suprimento de oxigênio e nutrientes necessários ao metabolismo cerebral.
5-10% de pacientes são diagnosticados apenas com demência vascular.
SINTOMAS → alterações de funções cognitivas (dificuldade de planejamento e para tomar decisões) e funções motoras 
(marcha lenta e equilíbrio deficiente)
Maioria apresenta patologia neurodegenerativa mista - alterações cerebrais da DA e DCV
A localização, o número e o tamanho das lesões cerebrais determinam se ocorrerá demência e como o pensamento e o 
funcionamento físico do indivíduo serão afetados.
Diagnóstico 
EXAME DE IMAGEM → à direita, o vermelho representa o acúmulo de proteína beta-amiloide
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Maior tendência de acúmulo = amígdala cerebelosa, hipocampo, córtex entorrinal
Doença de Parkinson (DP) 
Doença neurodegenerativa crônica que resulta em perda de dopamina, na substância negra compacta, e acúmulo de 
inclusões de proteína citoplasmática insolúvel "corpos de Lewis" (oligômeros de alfa-sinucleína)
Oligômeros de alfa-sinuclínea 
Alfa-sinucleína está localizada nos terminais pré-sinápticos de neurônios.
Afetam a função neuronal, pois interferem na homeostase mitocondrial e geram neuroinflamação. 
140 resíduos de aa, com 3 domínios → N-terminal (carregado positivamente), região central (hidrofóbica - tendência a formar 
agregados), C-terminal (altamente ácida)
Pode ficar nas estruturas: monômero desorganizado predominante no citoplasma e tetrâmero (alfa-hélice)
NEURÔNIOS DE PACIENTES COM DP → forma oligomérica solúvel > forma fibrilar insolúvel 
Forma oligomérica promove o rompimento de membranas (células e organelas) e morte celular. 
FUNÇÕES:
Plasticidade sináptica
Empacotamento e tráfego vesicular (regula a quantidade de vesículas sinápticas encaixadas na sinapse durante a 
liberação do neurotransmissor)
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Modificações pós-traducionais e agregação da alfa-sinucleína
Fosforilação e nitração favorecem a oligomerização (prevalentes em neurônios de pacientes com DP).
INDIVÍDUOS SAUDÁVEIS → ~4% de alfa-sinucleína (Ser-129)
DP → ≥90% alfa-sinucleína fosforilada no resíduo Ser-129, por caseínas kinases e polo-like dinakse 2 (PLK2) 
Fosfoproteína fosfatase SA (PP2A) desfosforila alfa-sinucleína
Hiperfosforilação da alfa-sinucleína pode afetar sua solubilidade, propriedades de ligação à membrana e distribuição 
subcelular, favorecendo o estado patogênico.
Disfunção lisossomal e agregação da alfa-sinucleína
Mutação em GBA1 (hidrolase) → redução de GCase (glicocerebrosidade) → aumento de oligômeros de sinucleína 
(fosforilados) → DP 
DP = menos GCase, mais GluCer = menos PPA2
Disfunção mitocondrial e DP 
A dinâmica mitocondrial (transporte, degradação autofágica - mitofagia) e biogênese são essenciais para a integridade celular
A desregulação da dinâmica mitocondrial tem sido associada à disfunção neuronal na DP.
Oligômeros fosforilados de alfa-sinucleína promove a fragmentação mitocondrial = diminuição da integridade celular.
Efeitos da alfa-sinucleína na mitocôndria
EFEITOS DELETÉRIOS:
Afeta a bioenergética mitocondrial
Afeta a atividade dos complexos I e EEE e prejudica cadeia transportadora de elétrons
Induz a permeabilidade mitocondrial (membrana mitocondrial interna)
Rompe o mecanismo de "troca de proteínas" entre mitocôndria e citoplasma
obs.: doença de Huntington → deficiência de importação de proteína mitocondrial resulta em morte neuronal
Complexo SYN-MTS é uma sequência sinalizadora que é reconhecida por translocases nas membranas mitocondriais e 
internalizada (permite a entrada de oligômeros fosforilados na matriz mitocondrial = efeitos deletérios)
Doença priônica 
Encefalopatias relacionadas a príons ou encefalopatias espongiformes transmissíveis (EET) são um grupo de doenças 
neurodegenerativas raras que são invariavelmente fatais com apenas 6 meses entre o diagnóstico e morte.
GRUPOS DE DOENÇAS PRIÔNICAS:
Kuru
Doença de Creutzfeldt-Jacob (CJD)
Síndrome de Gerstmann-Straussler (GSS)
Insônia familial fatal (IFF)
SINTOMAS → demência e disfunções motoras como a ataxia cerebelar
Características neuropatológicas 
Neurodegeneração espongiforme
Perda neuronal
Ativação glial
Acúmulo de agregados amiloides (mais proeminentes na GSS e no Kuru) = neurodegeneração espongiforme
PrPc - características moleculares, distruição, função 
PrPc = proteína priônica celular
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Glicoproteína (GPI-linked), ubíqua e altamente conservada em mamíferos.
SNC → amplamente dsitribuída em neurônios hipocampais, neocorticais, células cerebelares de Purkinje e neurônios 
motores espinhais
Localiza-se na membrana celular, exercer função na adesão célua-célula.
FUNÇÃO → transmissão sináptica e excitabilidade euronal, efeito neuroprotetivo
PrPc → atua como modulador do receptor serotoninérgico - na homeostase de neurônios serotoniérgicos; 
PrPc → atua metabolismo do cobre e cálcio:
Cu2+ estabiliza a estrutura do PrPc - região N-terminal mais estruturada
Regula a concentração de cobre na fenda sináptica
Reduz Cu2+ → Cu+ e previne formação de EROs
Participa da manutenção da homeostase de Ca2+, garantindo a integridade estrutural e funcional dos neurônios
Replicação do príon (PrPc)
PrPsc exerce função na encefalopatia espongiforme transmissível - desordem neurodegenerativa fatal.
Em pH 4,4-6, PrPc (proteína celular) → PrPsc (isoforma patogênica).
PrPc → solúvel, monoaminérica; degradada pela proteinase K; 0-3% conformação beta-sheets
PrPsc → agregados insolúveis que se acumulam no cérebro; resistente à proteinase K; 45% conformação beta-sheets
HIPÓTESE DE INDUÇÃO CONFORMACIONAL → a proteína alterada, PrPsc, induz a mudança de conformação da proteína 
normal PrPc (ciclo)
CAUSAS POSSÍVEIS → mutação (espontânea) ou participação de chaperonas moleculares
Síntese e processamento PrPc e PrPsc
Processamento ocorre no retículo endoplasmático.
Golgi leva à superfície celular.
Normalmente, há um controle lisossomal e proteossomal.
Estrutura de PrPc 
Ancorada na membrana celular pela glicosil-fosfatidil-inositol (GPI).
Peptídeo sinal = endereçamento para a superfície celular.
Predomínio de organizações em alfa-hélice, com sítios de glicolisação.
Região de domínio (HD) é amiloidogênicahidrofóbica, em que enzimas proteólíticas convertem PrPc para forma 
amiloidogênica. 
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Sítios de alfa-clivagem é atuante em indivíduos saudáveis, formando fragmentos M1, C1 e HD (potencial neurotóxico 
amiloidogênico = conversão em PrPsc).
Na doença priônica, há prevalência de beta-clivagem, preservando o fragmento HD e liberando fragmentos N2 e C2, 
favorecendo a conversão da PrPc em PrPsc e o acúmulo da forma amiloidogênica = sintomas da doença.
Considerações gerais 
Príons são agentes causadores da doença priônica patogênica, resultando em enovelamento anormal de proteínas 
cerebrais.
A forma infecciona PrPsc define todos os tipos de encefalopatia espongiforme.
Alteração conformacional e agregação de PrpC é favorecida na presença de mutações no gene PRNP ou PRP que torna a 
proteína mais propensa à agregação.