Sinalização Celular: Mensageiros Químicos e Receptores

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P2M1 MURILLO VIEIRA - XXI
SINALIZAÇÃO CELULAR
· Todas as células podem receber e processar informação. Sendo que sinais externos, como moléculas odoríferas, substâncias que refletem o estado metabólico, íons, hormônios, fatores de crescimento e neurotransmissores, podem todos servir como mensageiros químicos, associando células vizinhas ou distantes.
· A maioria dos mensageiros químicos interage com receptores de superfície celular específicos e dispara uma cascata de eventos secundários, o que inclui a mobilização de sistemas de segundo mensageiro intracelulares difusíveis que medeiam a resposta da célula àquele estímulo.
· Mensageiros hidrofóbicos podem-se difundir através da membrana plasmática e interagir com receptores citosólicos ou nucleares.
· A comunicação intercelular pode envolver a produção, por um tipo celular, de um “hormônio” ou sinal químico que atua de um modo dentre os três seguintes: em tecidos distantes (endócrino), em célula vizinha no mesmo tecido (parácrino), ou na mesma célula que liberou a molécula sinalizadora (autócrino).
SINALIZADORES QUÍMICOS: Quatro tipos de substâncias químicas podem servir como moléculas sinalizadoras extracelulares: aminas, como epinefrina; peptídeos e proteínas, como angiotensina II e insulina; esteroides, como aldosterona, estrógenos e ácido retinoico; e outras pequenas moléculas, como aminoácidos, nucleotídeos, íons (p. ex., Ca2+) e gases (p. ex., óxido nítrico).
RECEPTORES: Um receptor é uma proteína (ou em alguns casos uma lipoproteína), na superfície ou dentro da célula, que se liga especificamente a uma molécula sinalizadora (o ligante). 
· OBS: A habilidade de uma célula ou de um tecido em responder a um sinal específico é ditada pelo conjunto de receptores que esta célula ou tecido possui, e pela cadeia de reações intracelulares que se inicia a partir da união de qualquer ligante ao seu receptor.
· 1 - Canais iônicos controlados por ligantes. Proteínas integrais de membrana, estes híbridos receptor/canal estão envolvidos na sinalização entre células eletricamente excitáveis.
· 2 - Receptores acoplados a proteína G. Essas proteínas integrais de membrana plasmática funcionam indiretamente — por meio de um intermediário —, para ativar ou inativar uma enzima ou um canal associados à membrana e que não compõem o receptor.
· 3 - Receptores catalíticos. Quando ativadas por um ligante, essas proteínas integrais de membrana plasmática são elas próprias enzimas ou são parte de um complexo enzimático.
· 4 - Receptores nucleares. Essas proteínas, localizadas no citosol ou no núcleo, são fatores de transcrição ativados por ligante. Esses receptores vinculam sinais extracelulares à transcrição gênica.
SINALIZAÇÃO: Os eventos de sinalização podem geralmente ser divididos em seis etapas:
1. Reconhecimento do sinal por seu receptor. OBS: A união de um ligante ao seu receptor envolve os mesmos três tipos de interações não covalentes, fracas, que caracterizam as interações substrato-enzima. (Ligações iônicas, interações de van der Waals e interações hidrofóbicas).
2. Transdução da mensagem extracelular em um sinal intracelular ou segundo mensageiro.
3. Transmissão do sinal do segundo mensageiro ao efetor apropriado. (enzimas, canais iônicos e fatores de transcrição).
4. Modulação do efetor. Esses eventos frequentemente resultam na ativação de proteinoquinases (que inserem agrupamentos fosfato em proteínas) e fosfatases (que removem tais agrupamentos), alterando, desse modo, a atividade de outras enzimas e proteínas.
5. Resposta da célula ao estímulo inicial.
6. Término da resposta por mecanismos de retroalimentação em um dos níveis da via de sinalização ou em todos eles.
INTERAÇÕES DIRETAS:
· Junções Comunicantes: formadas entre membranas celulares apostas que facilitam a passagem de íons inorgânicos e pequenas moléculas; e são também vias excelentes para o fluxo de corrente elétrica entre células adjacentes.
· Junções Aderentes e Oclusivas: As junções aderentes se formam como resultado das interações dependentes de Ca2+ entre os domínios extracelulares de proteínas transmembranares denominadas caderinas. As caderinas no ponto de interação com uma célula adjacente causa um agrupamento secundário de proteínas intracelulares conhecidas como cateninas, que servem como pontos de ligação para o citoesqueleto de actina intracelular. Assim, fornecem arranjos importantes para a manutenção da arquitetura celular normal. Quando a a concentração de b-catenina livre aumenta por meio da ruptura de junções aderentes por certos fatores de crescimento, ela promove a translocação para o núcleo e regula a transcrição de vários genes.
· Ligantes Associados à Membrana: podem fornecer guias espaciais a células migratórias. 
SISTEMA DE SEGUNDO MENSAGEIRO: 
· O envolvimento de segundos mensageiros em cascatas catalíticas fornece numerosas oportunidades para amplificar um sinal.
· A modulação envolve comumente a conversão de uma espécie inativa em uma molécula ativa ou vice-versa. Um exemplo de tal cascata é a concentração intracelular aumentada do segundo mensageiro AMPc.
· A ocupação do receptor ativa uma proteína G, que, por sua vez, estimula uma enzima associada à membrana, a adenilato ciclase.
· Essa enzima catalisa a síntese de AMPc a partir de trifosfato de adenosina (ATP), e um aumento de cinco vezes na concentração intracelular de AMPc é alcançado em ∼5 segundos.
· Essa elevação súbita nos níveis de AMPc é rapidamente neutralizada por sua quebra em 5’-monofosfato de adenosina pela fosfodiesterase de AMPc.
· Os sistemas de segundo mensageiro também permitem especificidade e diversidade.
RECEPTORES QUE SÃO CANAIS IÔNICOS:
Os canais iônicos controlados por ligante transduzem um sinal químico em um sinal elétrico:
· Esses receptores são também chamados receptores ionotrópicos para distingui-los dos receptores metabotrópicos, que atuam por meio de vias “metabólicas”.
· O receptor de ACh (AChR), nicotínico presente em músculo esquelético, é um canal catiônico que consiste em quatro subunidades integradas à membrana, a, b, g e d, em uma estequiometria de 2:1:1:1 
· OBS: O AChR muscarínico não é um canal controlado por ligante.
· Há também o receptor para IP3 e o canal de liberação de Ca2+ (canal de rianodina).
RECEPTORES ACOPLADOS A PROTEÍNAS G (GPCRs):
A estrutura que consiste em uma cadeia polipeptídica única, com sete segmentos em alfa-hélice que atravessam a membrana, uma região aminoterminal extracelular glicosilada, uma grande alça citoplasmática composta principalmente de aminoácidos hidrofílicos entre as hélices 5 e 6, e um domínio hidrofílico carboxiterminal citoplasmático. 
· As hélices 5 e 6 parece ser o ponto principal de interação com a proteína G intracelular.
PROPRIEDADES GERAIS DAS PROTEÍNAS G:
· As proteínas G são membros de uma superfamília de proteínas de ligação a GTP.
· Ambas as proteínas G, heterotriméricas e pequenas, podem hidrolisar GTP e alternar entre um estado ativo ligado a GTP e um estado inativo ligado a difosfato de guanosina (GDP).
· As proteínas G heterotriméricas são compostas de três subunidades alfa, beta e gama e estão presentes em tecidos de mamíferos. A subunidade a liga e hidrolisa GTP e também interage com proteínas efetoras “à jusante”, como a adenilato ciclase.
· O complexo beta-gama também funciona na transdução do sinal, por interagir com certas moléculas efetoras.
· As muitas classes de proteínas G, em conjunto com a presença de vários tipos de receptores para um único ligante, fornecem um mecanismo por meio do qual um sinal comum pode provocar as mudanças fisiológicas apropriadas em diferentes tecidos. 
· Por exemplo, quando epinefrina se liga a receptores b1-adrenérgicos no coração, ela estimula a adenilato ciclase, o que aumenta a frequência cardíaca e a força de contração. Entretanto, na periferia, a epinefrina atua em receptores a2-adrenérgicosacoplados a uma proteína G que inibe a adenilato ciclase, aumentando, desse modo, a resistência vascular periférica e, consequentemente, aumentando o retorno venoso e a pressão sanguínea.
A ativação da proteína G segue um ciclo:
As subunidades a ativadas acoplam-se a uma variedade de efetores à jusante, incluindo-se enzimas, canais iônicos e a maquinaria de tráfego de membrana:
Efeitos à jusante de subunidades a de proteína G ativadas. A, Quando um ligante se une a um receptor acoplado a alfaS, adenilato ciclase (AC) é ativada, ao passo que, quando um ligante se liga a um receptor acoplado a alfa-i, a enzima é inibida. A enzima ativada converte ATP em AMPc, o qual pode, então, ativar a proteína quinase A (PKA). B, Na fototransdução, um fóton interage com o receptor e ativa a proteína G transducina. A subunidade alfaT ativa fosfodiesterase (PDE), a qual, por sua vez, hidrolisa GMPc, diminui as concentrações intracelulares de GMPc e, portanto, fecha os canais ativados por GMPc. C, Neste exemplo, o ligante se une a um receptor que está acoplado a alfaQ, a qual ativa fosfolipase C (PLC). Essa enzima converte PIP2 em IP3 e diacilglicerol (DAG). O IP3 leva à liberação de Ca2+ dos estoques intracelulares, ao passo que o diacilglicerol ativa a proteína quinase C (PKC). RE, retículo endoplasmático.
As subunidades beta-gama de proteínas G podem também ativar efetores à jusante:
· A ligação de ACh ao receptor M2 muscarínico no átrio ativa uma proteína G heterotrimérica, resultando na geração tanto de G-alfa-i ativada, como de um complexo de subunidades beta-game livres. O complexo beta-gama interage, então, com uma classe particular de canais para K+, aumentando sua permeabilidade. Esse aumento na permeabilidade a K+ conserva o potencial de membrana em um valor relativamente negativo e assim torna a célula mais resistente à excitação.
· O complexo de subunidades beta-gama também modula a atividade de adenilato ciclase e de fosfolipase C e estimula a fosfolipase A2.
· Tais efeitos de beta-gama podem ser independentes da ação da subunidade alfa, mas também sinérgicos com esta ação ou antagônicos a ela.
· Alguns complexos beta-gama se ligam a uma proteinoquinase especial denominada quinase de receptor beta-adrenérgico (bARK). bARK se transloca para a membrana plasmática, onde fosforila o complexo ligante–receptor isso resulta no recrutamento, para o GPCR, de beta-arrestina, a qual, por sua vez, medeia a dissociação do complexo receptor–ligante e, assim, atenua a atividade dos mesmos receptores beta-adrenérgicos que deram origem ao complexo beta-gama primeiramente. (essensibilização do receptor).
Pequenas proteínas de ligação a GTP:
· Foram divididas em cinco grupos incluindo as famílias Ras, Rho, Rab, Arf e Ran.
· Elas podem ser associadas à membrana (p. ex., Ras) ou podem translocar-se entre a membrana e o citosol (p. ex., Rho).
· As três isoformas de Ras (N, Ha e Ki) retransmitem sinais da membrana plasmática para o núcleo por meio de uma elaborada cascata de quinases, regulando, desse modo, a transcrição gênica. 
· Os membros da família Rho estão principalmente envolvidos no rearranjo do citoesqueleto de actina e as proteínas Rab e Arf regulam o tráfego de vesículas.
· As pequenas proteínas de ligação a GTP alternam entre uma forma ligada a GDP inativa e uma forma ligada a GTP ativa.
SEGUNDOS MENSAGEIROS DE PROTEÍNA G: NUCLEOTÍDEOS CÍCLICOS:
O AMPc exerce, geralmente, seu efeito aumentando a atividade de proteinoquinase A:
AMPc exerce muitos de seus efeitos por meio da proteinoquinase dependente de AMPc (PKA). Essa enzima catalisa a transferência do fosfato terminal de ATP para certos resíduos de serina ou treonina em determinadas proteínas. A fosforilação pode influenciar a localização ou a atividade do substrato. Por exemplo, a fosforilação do receptor b2-adrenérgico causa a sua dessensibilização em neurônios. 
Essa série coordenada de reações de fosforilação e desfosforilação possui várias vantagens fisiológicas. Primeiramente, ela permite que uma única molécula (p. ex., AMPc) regule uma gama de reações enzimáticas. Em segundo lugar, ela permite uma grande amplificação de um pequeno sinal.
As proteínas fosfatases revertem a ação das quinases:
As células podem encerrar um sinal de AMPc consiste em usar uma fosfodiesterase que degrada AMPc. Outro modo potente de se encerrar a ação do AMPc é desfosforilar essas proteínas efetoras.
· Quatro grupos de fosfoproteínas fosfatases de serina e treonina (PP) são conhecidos: 1, 2a, 2b, e 2c. Essas enzimas são reguladas por fosforilação em seus resíduos de serina, treonina e tirosina.
· PP1 desfosforila muitas proteínas fosforiladas por PKA, contudo, o inibidor 1 de fosfoproteína fosfatase (I-1), pode-se ligar a PP1 e inibi-la. OBS: PKA fosforila e consequentemente ativa I-1, inibindo desse modo PP1 e conservando os agrupamentos fosfato primeiramente adicionados por PKA.
· PP2a, que é menos específica do que PP1, parece ser a principal fosfatase responsável por reverter a ação de outras proteínas quinases de serina e treonina.
· Já a proteína dependente de Ca2+ PP2b, também conhecida como calcineurina, é predominante no cérebro, musculatura esquelética e musculatura cardíaca e é também o alvo dos reagentes imunossupressores FK-506 e ciclosporina. 
SEGUNDOS MENSAGEIROS DE PROTEÍNA G: PRODUTOS DA QUEBRA DE FOSFOINOSITÍDEOS:
A fração glicídica, inositol, das moléculas de PI pode ser fosforilada, produzindo os dois principais fosfoinositídeos que estão envolvidos em transdução de sinal: fosfatidilinositol 4,5-bifosfato e fosfatidilinositol 3,4,5-trifosfato. 
· Certos receptores associados à membrana atuam por meio de proteínas G que estimulam fosfolipase C, as quais clivam PIP2 em inositol 1,4,5-trifosfato (IP3) e diacilglicerol (DAG).
· DAG permanece no plano da membrana e ativa a proteína quinase C, a qual migra do citosol e se liga a DAG na membrana. O IP3 hidrossolúvel se propaga pelo citosol e estimula a liberação de Ca2+ dos estoques intracelulares.
· O receptor de IP3 (ITPR) é um canal para Ca2+ controlado por ligante, localizado na membrana do retículo endoplasmático e é estruturalmente semelhante ao canal de liberação de Ca2+ (ou receptor de rianodina).
· A interação de IP3 com seu receptor resulta no efluxo passivo de Ca2+ do retículo endoplasmático e consequentemente em rápido aumento na concentração de Ca2+ citosólico livre.
· A elevação em [Ca2+]i pode ser breve ou persistente e pode oscilar de modo repetitivo, se propagar em espirais ou ondas em uma célula, ou, ainda, se propagar através de grupos de células que estão acopladas por junções comunicantes.
· Parece que tanto a propagação, como a oscilação, dependem de mecanismos de retroalimentação positiva, nos quais baixa [Ca2+]i facilita a liberação de Ca2+, assim como de mecanismos de retroalimentação negativa, nos quais alta [Ca2+]i inibe uma liberação adicional de Ca2+.
· A desfosforilação de IP3 provoca o término da liberação de Ca2+ dos estoques intracelulares; uma bomba para Ca2+ sustentada por ATP (SERCA) move, então, o Ca2+ de volta ao retículo endoplasmático.
O cálcio ativa proteínas quinases dependentes de calmodulina:
Por exemplo, a ligação do complexo Ca2+-CaM ativa a enzima que degrada AMPc, a fosfodiesterase de AMPc.
Uma importante CaM quinase em células musculares lisas é a quinase de cadeia leve de miosina (MLCK)
Diacilgliceróis e Ca2+ ativam a proteína quinase C:
A função mais importante de DAG é ativar a proteína quinase C (PKC), uma quinase de serina e treonina.
Consequentemente, os sinais gerados pela via de
PKC dependem das isoformas da enzima que uma célula expressa, bem como dos níveis de Ca2+ e de DAG em locais específicos da membrana celular.
PKC pode também modular diretamente ou indiretamente fatores de transcrição e, desse modo, acentuar a transcrição de genes específicos.
Calmodulina. Após quatro íons Ca2+ intracelulares se ligarem à calmodulina, o complexo Ca2+-CaM pode-se unir a outra proteína e ativá-la. Nesteexemplo, a proteína ativada é a quinase dependente de Ca2+-CaM.
JUNÇÃO NEUROMUSCULAR
· As fibras musculares são inervadas por grandes neurônios motores que se originam nos cornos ventrais da medula espinhal. Cada fibra nervosa, depois de penetrar no feixe muscular, se ramifica e estimula de três a varias centenas de fibras musculares. Cada terminação nervosa faz uma junção neuromuscular.
PLACA MOTORA:
· É a estrutura formada pelo complexo de terminais nervosos ramificados que se invaginam na superfície extracelular da fibra muscular.
· A membrana invaginada é chamada goteira sináptica ou canaleta sináptica, e o espaço entre o terminal e a membrana da fibra é chamado espaço sináptico ou fenda sináptica.
· As fendas subneurais são as inúmeras pequenas dobras da membrana muscular que aumentam em muito a área em que o transmissor sináptico pode agir.
· No terminal axonal há muitas mitocôndrias que fornecem ATP, a fonte de energia que é usada para a síntese de acetilcolina no citoplasma. A acetilcolina é absorvida rapidamente por muitas pequenas vesículas sinápticas, cerca de 300.000, as quais se encontram normalmente nos terminais de uma única placa motora.
· A acetilcolina excita a membrana da fibra muscular.
· No espaço sináptico há grandes quantidades da enzima acetilcolinesterase, que destrói a acetilcolina alguns milissegundos depois que ela foi liberada das vesículas sinápticas.
SECREÇÃO DE ACETILCOLINA PELOS TERMINAIS NERVOSOS:
Quando um impulso nervoso atinge a junção neuromuscular, cerca de 125 
vesículas de acetilcolina são liberadas dos terminais no espaço sináptico.
· Na superfície interna da membrana neural estão as barras
 densas lineares, nos dois lados de cada barra densa estão partículas proteicas, que penetram na membrana neural; são os canais de cálcio controlados por voltagem.
· O potencial de ação abre esses canais e permite que os íons cálcio se difundam do espaço sináptico para o interior do terminal nervoso.
· Os íons cálcio ativam a proteína cinase dependente da calmodulina-Ca2+ que fosforila as proteínas sinapsina, que ancoram as vesículas de acetilcolina ao citoesqueleto do terminal pré-sináptico, permitindo 
que as vesículas de acetilcolina se movam para a zona ativa da membrana neural pré-sináptica adjacente às barras densas. 
· As vesículas então se acoplam nos pontos de liberação, se fundem com a membrana neural e lançam a acetilcolina no espaço sináptico, pelo processo da exocitose.
A Acetilcolina Abre Canais Iônicos nas Membranas Pós-sinápticas:
Há receptores de acetilcolina na membrana da fibra muscular; são os canais iônicos controlados pela acetilcolina, e se localizam quase inteiramente próximos às aberturas das fendas subneurais, onde a acetilcolina é lançada no espaço sináptico.
· O complexo receptor de acetilcolina é composto por cinco subunidades proteicas, duas proteínas alfa e uma de cada uma das proteínas beta, delta e épsilon. Essas moléculas proteicas penetram por toda a extensão da membrana, situando-se lado a lado em círculo para formar o canal tubular que se mantém fechado até que duas moléculas de acetilcolina se liguem às duas subunidades proteicas alfa. Essa fixação provoca alteração conformacional que abre o canal. 
· O canal regulado pela acetilcolina é grande o suficiente para permitir que íons positivos importantes — sódio (Na+), potássio (K+) e cálcio (Ca++) – se movimentem facilmente pela abertura. Porém, íons negativos, tais como os íons cloreto, não passam pelo canal devido às fortes cargas negativas na abertura do canal que repelem esses íons negativos.
· O principal efeito da abertura dos canais controlados pela acetilcolina é permitir que grande número de íons sódio entre na fibra, levando com eles grande número de cargas positivas. Essa ação provoca alteração potencial local positiva, no lado interno da membrana da fibra muscular, chamado de potencial da placa motora. Por sua vez, esse potencial da placa motora inicia um potencial de ação que se propaga ao longo da membrana muscular, causando a contração muscular.
Destruição da Acetilcolina Liberada pela Acetilco-linesterase:
A acetilcolina é removida rapidamente por dois modos: (1) a maior parte da acetilcolina é destruída pela enzima aceticolinesterase e (2) uma pequena quantidade de acetilcolina se difunde para fora do espaço sináptico, e assim deixa de estar disponível para agir sobre a membrana da fibra muscular.
· A rápida remoção da acetilcolina evita a reexcitação continuada do músculo, depois que a fibra muscular se recuperou de seu potencial de ação inicial.
Potencial da Placa Motora e Excitação da Fibra Muscular Esquelética:
O influxo de íons sódio para a fibra muscular, quando os canais colinérgicos se abrem, causa variação do potencial elétrico no interior da fibra, no local da placa motora, para aumentar na direção positiva, por 50 a 75 milivolts, criando um potencial local chamado potencial da placa motora.
· A baixa amplitude do potencial da placa motora no ponto A foi causada por envenenamento da fibra muscular com curare, fármaco que bloqueia o efeito controlador da acetilcolina sobre os canais colinérgicos competindo pelos receptores da acetilcolina.
· A baixa amplitude do potencial da placa motora no ponto C resultou do efeito da toxina botulínica, veneno bacteriano que diminui a quantidade de acetilcolina liberada pelos terminais nervosos.
Fator de Segurança para a Transmissão na Junção Neuromuscular; Fadiga da Junção:
· Cada impulso provoca potencial da placa motora de amplitude três vezes maior que o necessário para estimular a fibra muscular, portanto, normalmente tem alto fator de segurança.
· No entanto, a estimulação da fibra nervosa com frequências maiores que 100 vezes por segundo, por vários minutos, muitas vezes diminui tanto o número de vesículas de acetilcolina que os impulsos não são mais transmitidos à fibra muscular (fadiga da junção neuromuscular).