Mecanismos de Sinalização Celular

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Mecanismos de Sinalização Celular
De acordo com a evolução, desde os organismos procariontes até os multicelulares demorou cerca de 2.5 bilhões de anos. Demora reflete a dificuldade para o desenvolvimento de sistema de comunicação e maquinaria celular que permitissem que células com o mesmo genoma se especializassem de maneira diferente e coordenassem seu comportamento de modo que as suas chances de sobrevivência estivesse subordinadas aos interesses do organismo todo.
Células respondem a sinais extracelulares produzidos por outras células ou por elas mesmas. Assim, na superfície celular há sistemas proteicos (receptores) que reconhecem moléculas solúveis (sinais, ligantes) de tal maneira que o sinal ao ser reconhecido desencadeia uma resposta no interior da célula mediada por uma proteína de membrana ou receptor. 
Sinalização celular - Processos pelos quais sinais da superfície das células são convertidos em respostas celulares específicas. Envolve uma serie de etapas.
Categorias de sinalização química
Conexões citoplasmáticas entre as células: Junções GAP foram poros hidrofílicos, permitindo a passagem de íons e pequenas moléculas hidrofílicas. Assim, se em uma célula há determinada quantidade de uma substância, essa substância passará para a outra célula pelas junções. Além das junções, pode ser feita por plasmodesmos. 
Mediada por contato célula-célula: Uma célula com um constituinte é reconhecida por outra célula com receptores específicos para esse constituinte. Predominante no sistema imune e no desenvolvimento embrionário. 
Mediada por substâncias sinalizadoras solúveis: A sinalização pode ser local ou à distância. 
- Sinalização local: Uma célula produz mediadores que agem nas células vizinhas. Ex: mastócitos. Ocorre a nível tecidual. Ex: células intestinais neuroendórinas agem no epitélio intestinal.
SINÁPTICA: A própria junção GAP pode ser um tipo de sinapse, mas em muitos casos ocorre em células nervosas. A célula nervosa libera neurotransmissores, os quais se difundem pela sinpse para estimular outra célula nervosa. Esse tipo pode ser local ou à distância, visto que é um estímulo rápido, mas deve haver um sistema de remoção do neurotransmissor. 
ENDÓCRINA: Via corrente sanguínea. Células endócrinas secretam hormônios na corrente sanguínea para agir em outra célula. Possui ação lenta e a concentração do hormônio normalmente é muito baixa na corrente sanguínea. 
AUTÓCRINA: É quando a célula secreta uma molécula e a molécula age nela própria, induzindo a proliferação. 
Velocidade da Resposta
A maioria das moléculas sinalizadoras tem duas respostas:
- Rápida (segundos a minutos): Ativação de vias de proteínas já conhecidas, alterando a função da molécula. Atua na contração muscular, transmissão impulso nervoso, liberação da secreção, migração.
- Lenta (minutos a horas): Resposta relacionada à transcrição gênica. Ocorre síntese da secreção/hormônios e processos de diferenciação celular. 
Para a célula se manter, é necessário que ela seja estimulada por fatores específicos. Na presença desses fatores, as células sobrevivem. Caso ela receba outros fatores além dos essenciais, ela cresce e se divide. Se receber outros fatores ainda, ela irá se diferenciar (fatores de diferenciação). Se a célula for privada desses sinais, ocorre indução da apoptose, fazendo com que a célula morra. Além disso, a mesma molécula pode produzir respostas distintas em células-alvo diferentes.
Assim, a resposta de cada tipo celular é programada, de modo que a resposta depende do tipo de receptores que apresentam (algumas células expressam mais de 100 tipos de receptores de membrana) e das vias efetoras e genes ativados internamente.
Diferenciação Celular
Cada célula está exposta à várias moléculas diferentes, mas a resposta depende dos receptores que ela possui e das vias disponíveis. A mesma molécula sinalizadora pode produzir respostas diferentes. 
Morfógenos – moléculas sinalizadoras durante o desenvolvimento, induzindo modificações (testosterona – mudança da genitália). O mesmo sinal agindo na mesma célula pode ter efeitos diferentes dependendo da sua concentração. Assim, as células seguem destinos diferentes dependendo de suas posições em um gradiente de morfógeno. Diferentes concentrações induzem a expressão de grupos diferentes de genes, resultando em diferentes destinos celulares. 
Centro de sinalização – células mais próximas expressam mais receptores.
A resposta depende da sua especialização durante o desenvolvimento embrionário.
Por exemplo, a acetilcolina quando se liga ao receptor da célula muscular cardíaca, induz diminuição da taxa de contração muscular. Se a mesma molécula se ligar numa célula muscular esquelética, ela induzirá a contração. Se ela se ligar à glândula salivar, irá induzir secreção. 
Classes de Moléculas Sinalizadoras
Fatores de crescimento, citocinas, hormônios (hidrofóbico), morfógenos (hidrofóbico), óxido nítrico (homeostase vascular - hidrofóbico), gás carbônico (hidrofóbico), imunoglobulinas, neurotransmissores, etc.
Se essas moléculas forem hidrofílicas, não passarão pela membrana, tendo que se ligar a receptores da superfície. Então, a maioria das moléculas é hidrofóbica, atravessando a membrana. 
Tipos de Receptores
Receptores de superfície celular: para moléculas hidrofílicas.
Receptores intracelulares: para moléculas hidrofóbicas, as quais se ligam ao receptor no interior da célula – no núcleo ou no citoplasma. O próprio receptor se liga ao gene e induz a transformação (transcrição). 
Os receptores nucleares possuem ligantes lipossolúveis: testosterona, estrógeno, glicocorticoides, mineralocorticoides, vitamina D, ácido retinoico, hormônios da tireoide.
Todo receptor nuclear tem um domínio de ligação ao DNA, um domínio de interação com o ligante e um domínio de ativação de transcrição. Quando esses receptores estão no citoplasma, ficam ligados a proteínas inibitórias, que impedem que o receptor se ligue ao gene antes do estímulo. Quando o ligante reconhece o receptor, a proteína inibitória é eliminada. 
Os receptores formam dímeros quando são ativados e estão ligados ao ligante, vão para o núcleo e se ligam ao elemento de transcrição, se acoplando a proteínas coativadoras que trazem o complexo enzimático para iniciar a transcrição. 
Um receptor pode ser específico para determinado ligante, mas outras moléculas diferentes também podem se ligar, gerando uma resposta semelhante. 
Etapas da Sinalização Celular
Recepção do Sinal: Moléculas sinalizadoras reconhecem o receptor na superfície celular ou intracelular. 
Transdução do Sinal: Eventos intracelulares propagam o sinal da membrana para dentro da célula – Reações de sinalização intracelular. Aí, são ativadas enzimas comutadoras e ocorre produção de pequenas moléculas (mensageiros secundários). 
Resposta celular: Alterações celulares. Transporte de íons, movimento celular, metabolismo, expressão gênica. Realizado por proteínas efetoras. 
Transdução de Sinal
- Inclui várias etapas – cascata de reações ou via de sinalização.
- Leva a transmissão do sinal para o citoplasma.
- Resulta em Amplificação do sinal.
- Permite um ajuste fino à resposta ao ligante.
Mecanismos: 
1) Ativação de enzimas que produzem pequenas moléculas ou íons - mensageiros secundários (mensageiros secundários modificam a resposta e passam para dentro da célula).
2) Ativação de proteínas pela adição ou remoção de grupamentos fosfatos: atuam como comutadores celulares.
Mensageiros Secundários: 
- Moléculas pequenas atuam como mediadoras
- Níveis são alterados após a ativação do receptor pela molécula ligante.
- Difusão rápida e amplificação do sinal.
Exemplos: Ca++ AMP cíclico – ativa proteína cinase A (PKA); GMP cíclico – ativa proteína cinase G (PKG); DAG (1,2 diacilglicerol) – ativa proteína cinase C (PKC); IP3 (1,4,5 Fosfatidil inositol) – abre canais de Ca no Retículo.
Produção
de AMP cíclico
Um dos produtos que a célula usa é o ATP, assim, ela sintetiza uma molécula sinalizadora onde os dois fosfatos são removidos e o último fosfato se liga à hidroxila, ficando cíclico a partir da adenilato ciclase. 
Essa enzima é controlada pela concentração de cálcio e a proteína G. A adenilato ciclase produz AMP cíclico quando ativada. Quando o AMP cíclido tá alto, há mais respostas celulares. Quando não há mais estímulo, a fosfadiesterase quebra a ligação e transforma a molécula em AMP não cíclico. 
Proteínas Cinases (Pk)
A maioria das Proteínas é ativada ou inativada por fosforilação (ganho ou perda de grupos P). A atividade de qualquer proteína regulada por fosforilação depende do equilíbrio entre as atividades das cinases e das fosfatases.
Proteína-cinases (PKs) – adicionam fosfatos.
Fosfatases – removem fosfatos.
- 30% das proteínas humanas têm sítios para fosforilação.
- Genoma humano 520 proteínas cinases, 150 fosfatases.
Se há uma proteína inativa, ela recebe o estímulo e é ativada a proteína cinase. Assim, ela pega um fosfato do ATP e transfere em ADP. Quando o resíduo de fosfato é removido, ela se torna inativa. 
As cinases trabalham em conjunto com as fosfatases. O grupo fosfato se liga à cadeia polipeptídica, mudando a conformação. 
Cinases Comutadores Celulares
Exemplos de cinases: proteína cinase A (PKA), proteína cinase C (PKC), proteína cinase G (PKG), Proteína cinase ativada por mitógeno (MAPK).
- Amplificação do Sinal Inicial
Sinalização mediada por mensageiros secundários
Receptores de Membrana Plasmática
Tipos:	
1) Receptores de canais iônicos
2) Receptores Acoplados a proteína G
3) Receptores Associados a enzimas
RECEPTORES ACOPLADOS A PROTEÍNA G
- GPCR 
- Maior família de receptores de superfície celular 
- Moléculas-sinais altamente variadas em estrutura e função – hormônios, neurotransmissores, fatores parácrinos 
- Atuam na maioria das respostas a sinais externos (visão, paladar, olfato)
- Estrutura: única cadeia polipeptídica que atravessa 7 vezes a Membrana Plasmática – 7 alfa-hélices; ligação a proteína G
- Envolvidos na maioria dos processos
- Proteína multipasso. Os domínios alfa-hélices se arranjam formando uma estrutura compacta, que é o receptor
- No lado citosólico, ele se associa à proteína G
Proteínas G
- Três subunidades: alfa, Beta e Gama
- Alfa e gama – ligadas covalentemente a lipídeos da membrana
- Alfa: liga GTP e tem atividade Gtpásica
- Beta : prende o domínio com atividade Gtpásica inativando-o
- Se difunde no plano da membrana – propagando sinal
- Tem proteínas G diferentes, mas a maioria dos receptores se liga à trimérica
- Alfa e gama se ancoram à membrana covalentemente por um fosfolipídio, que se desloca no plano da membrana, propagando a sinalização. 
Ativação da proteína G pelo GPCR
Interação do ligante ao receptor GPCR altera sua conformação
Ligação da subunidade α a GTP – Ativa PtG Dissociação da subunidade α do dímero β/γ
Tanto a subunidade α ativada, quanto o dímero β/γ, interagem e regulam alvos celulares distintos (proteínas efetoras)
Inativação da PtG ocorre quando a subunidade α hidrolisa GTP a GDP, voltando a conformação inativa
Receptores Acoplados à proteína G
Um receptor ligado à proteína G com GDP associado na membrana plasmática. Quando vem o ligante, ele ativa a proteína G que ativa uma enzima próxima, que leva à uma resposta celular. Quando o receptor se desliga, ela para de ativar a enzima e diminui o AMP cíclico. Quando a proteína G é ativada, várias vias são ativadas. Por exemplo:
Adenil ciclase: Produção de AMPc – ativa a proteína cinase dependente de AMPc (PKA)
Fosfolipase C – Precisa de um aumento na produção de cálcio. Produção de Fosfatidil-inositol 1, 4, 5, bifosfato (IP3); IP3 – liga-se a Canais de Ca++ do retíiculo – libera Ca++ e ativa a proteína cinase dependente de Calcio (PKC).
Vias dependentes de AMPc e PKA
- CPCR ativado - Subunidade α da ptG ativada (GTP ligado)
- Ativa a adenilil ciclase - Síntese de AMPc
- AMPc ligam-se a subunidades regulatória da PKA – liberando as subunidades catalíticas – ativando- as subunidade catalítica
- PKA ativada, ativa outros alvos citoplasmáticos , inclusive outras PKAs – RESPOSTA RÁPIDA
- PKA ativada, no núcleo, fosforila CREB (fator de transcrição), ativando-o
- CREB ativo liga CRE (elemento de resposta ao AMPc) - induz transcrição gênica . 
- Posterior síntese de hormônio
PKA tem 4 subunidades, sendo 2 regulatórias e 2 com atividade catalítica. Com o aumento do AMPc, ele se liga às subunidades regulatórias, modificando as cargas e liberando as subunidades catalíticas. 
PKA ativada sai do citoplasma e vai para o núcleo, onde os genes já tem uma região reguladora (CRE). O gene estimulado precisa de um fator de transcrição, que é uma proteína. 
Via dependente de proteína cinase C (PKC)
Moléculas-sinais: vários hormônios e fatores de crescimento. Via comum para contração músculo liso, crescimento e diferenciação celular. Ativadas pelos 2 segundos mensageiros:
- IP3 (1,4,5 trifosfato de inositol)
- DAG (diacilglicerol)
RECEPTORES ASSOCIADOS A ENZIMAS
- Seu domínio citosólico tem atividade enzimática
- Seis classes diferentes
- Receptor tirosina- cinases
- Mais de 60 genes para RTK em humanos
- Fatores de crescimento (GF): Estimulam a proliferação e diferenciação de tipos celulares específicos
- Mutações nesses receptores relacionadas ao cancer - Estimulam a proliferação mesmo sem GF ativo constantemente
Ligante induz dimerização Dimerização aproxima domínios cinases Cinase – causa trans-auto-fosforilação em tirosinas Formam plataformas de sinalização Ativa Fosfolipase – produção IP3 – via PKC