Sinalização celular

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Sinalização celular
As células tipicamente se comunicam utilizando sinais químicos. Estes sinais químicos, que são proteínas ou outras moléculas produzidas por uma célula emissora, são geralmente secretados na célula e liberados no espaço extracelular. Lá eles podem flutuar - como mensagens em uma garrafa - até células vizinhas.
Célula emissora: esta célula secreta um ligante.
Célula-alvo: esta célula tem um receptor que pode se ligar ao ligante. O ligante se liga ao receptor e desencadeia uma cascata de sinalizações no interior da célula, levando a uma resposta.
Célula não alvo: esta célula não tem receptor para o ligante (apesar de poder ter outros tipos de receptores). A célula não percebe o ligante e, portanto, não responde a ele.
Nem todas as células podem "perceber" uma mensagem química em particular. Para poderem detectar um sinal (isto é, serem uma célula alvo), uma célula vizinha deve ter o receptor correto para aquele sinal. Quando uma molécula sinalizadora se liga a seu receptor, altera a forma ou atividade do receptor, acionando uma mudança dentro da célula. Moléculas sinalizadoras são geralmente chamadas de ligantes, um termo geral para moléculas que se ligam especificamente a outras moléculas (como os receptores).
A mensagem carregada por um ligante é geralmente retransmitida por uma cadeia de mensageiros químicos dentro da célula. Em última análise, isso leva a uma mudança na célula, como a alteração da atividade de um gene ou até mesmo a indução de todo um processo inteiro, como a divisão celular. Assim, o sinal intercelular (entre células) original é convertido em sinal intracelular (dentro das células) que aciona uma resposta.
Formas de sinalização
A sinalização célula - célula envolve a transmissão de um sinal de uma célula emissora para uma célula receptora. No entanto, nem todas as células emissoras e receptoras são vizinhas próximas, e nem todos os pares de células trocam sinais da mesma forma.
Há quatro categorias básicas de sinalização química encontradas em organismos multicelulares: sinalização parácrina; sinalização autócrina, sinalização endócrina e sinalização por contato direto. A principal diferença entre as diferentes categorias de sinalização é a distância que o sinal percorre no organismo para alcançar a célula alvo.
· Sinalização parácrina
Muitas vezes, as células que estão perto uma da outra se comunicam por meio da liberação de mensageiros químicos (ligantes que podem difundir-se através do espaço entre as células). Esse tipo de sinalização, na qual as células se comunicam em distâncias relativamente curtas, é conhecida como sinalização parácrina.
A sinalização parácrina permite que células coordenem localmente atividades com suas células vizinhas. Embora elas sejam usadas em muitos tecidos e contextos diferentes, sinais parácrinos são especialmente importantes durante o desenvolvimento, quando permitem que um grupo de células comunique a um grupo de células vizinhas, qual identidade devem assumir. 
[Exemplo: desenvolvimento da medula óssea]
· Sinalização sináptica
Um único exemplo de sinalização parácrina é sinalização sináptica, na qual células nervosas transmitem sinais. Este processo é chamado de sinapse, que é a junção entre duas células nervosas, onde ocorre a transmissão de sinal.
Quando o neurônio emissor dispara, um impulso elétrico move-se rapidamente pela célula, viajando por uma fibra de longa extensão chamada axônio. Quando o impulso alcança a sinapse, ele provoca a liberação de ligantes chamados neurotransmissores, os quais rapidamente cruzam o pequeno espaço entre as células nervosas. Quando os neurotransmissores chegam na célula receptora, eles ligam-se a receptores e causam uma alteração química dentro da célula (muitas vezes, abrindo canais iônicos e mudando o potencial elétrico através da membrana).
· Sinalização sináptica. O neurotransmissor é liberado de vesículas no final do axônio da célula emissora. Ele se difunde através do pequeno espaço entre os neurônios, emissor e alvo, e se liga aos receptores no neurônio-alvo. Os neurotransmissores que são liberados na sinapse química são rapidamente degradados ou retomados pela célula emissora. Isto "reinicia" o sistema, assim, sinapse fica preparada para responder rapidamente ao próximo sinal.
· Sinalização parácrina: a célula visa uma célula vizinha (uma que não esteja ligada a ela por junções comunicantes). A imagem mostra uma molécula sinalizadora produzida por uma célula, difundindo-se por uma curta distância até uma célula vizinha.
· Sinalização autócrina: a célula visa a si mesma, liberando um sinal que pode se ligar a receptores localizados em sua própria superfície.
· Sinalização autócrina
Na sinalização autócrina, um sinal celular por si só, liberando um ligante que se liga a receptores em sua própria superfície (ou, dependendo do tipo de sinal, em receptores dentro da célula). Isto pode parecer uma coisa estranha para a célula fazer, mas a sinalização autócrina tem papel importante em muitos processos.
Por exemplo, a sinalização autócrina é importante durante o desenvolvimento, ajudando as células a assumir e reforçar suas identidades corretas. Do ponto de vista médico, a sinalização autócrina é importante no câncer e acredita-se que tenha papel chave na metástase (a difusão do câncer do seu local de origem para outras partes do corpo). Em muitos casos, um sinal pode ter tanto efeitos autócrinos quanto parácrinos, ligando-se à célula que envia o sinal bem como a outras células semelhantes na região.
· Sinalização endócrina
Quando células precisam transmitir sinais por longas distâncias, elas muitas vezes usam o sistema circulatório como uma rede de distribuição para as mensagens que elas enviam. Na sinalização endócrina de longa distância, os sinais são produzidos por células especializadas e liberados na corrente sanguínea, que transporta estes sinais para as células alvo em partes distantes do corpo. Sinais que são produzidos em uma parte do corpo e viajam através da circulação para atingir alvos distantes, são conhecidos como hormônios.
Em humanos, glândulas endócrinas que liberam hormônios incluem a tireoide, o hipotálamo, e a pituitária, assim como as gônadas (testículos e ovários) e o pâncreas. Cada glândula endócrina libera um ou mais tipos de hormônios, muitos dos quais são reguladores principais do desenvolvimento e da fisiologia.
Por exemplo, a hipófise libera hormônio do crescimento (GH), que promove crescimento, particularmente do esqueleto e da cartilagem. Como a maioria dos hormônios, o GH afeta muitos tipos diferentes de células por todo o corpo. No entanto, as células cartilaginosas são um exemplo de como o GH funciona: ele se liga aos receptores na superfície dessas células estimulando-as a se dividirem.
Sinalização endócrina: a célula visa uma célula distante através da corrente sanguínea. Uma molécula sinalizadora é liberada pela célula, e depois, ela percorre a corrente sanguínea até os receptores em uma célula-alvo distante, localizada em outra parte do corpo.
· Sinalização por meio do contato entre células
Junções comunicantes em animais e plasmodesmas em plantas são pequenos canais que conectam diretamente células vizinhas. Estes canais cheios de água permitem que pequenas moléculas sinalizadoras, chamadas mediadores intracelulares, se difundam entre as duas células. Pequenas moléculas, tais como íons cálcio, são capazes de se mover entre as células, mas grandes moléculas como proteínas e DNA não cabem nestes canais e para atravessá-los precisam de assistência especial.
A transferência de moléculas sinalizadoras transmite o estado atual de uma célula à sua célula vizinha. Isso permite que um grupo de células coordene a sua resposta a um sinal que somente uma delas possa ter recebido. Em plantas, há plasmodesma entre quase todas as células, tornando a planta inteira em uma rede gigante.
Sinalização através de junções comunicantes. A célula visa a célula vizinha conectada por meio das junções comunicantes. Os sinais vão de uma célula a outra passando pelasjunções comunicantes.
Em outra forma de sinalização direta, duas células podem se ligar uma à outra porque carregam proteínas complementares em suas superfícies. Quando as proteínas se ligam umas às outras, esta interação muda a forma de uma ou de ambas as proteínas, transmitindo o sinal. Este tipo de sinalização é especialmente importante no sistema imune, onde células do sistema imune usam marcadores de superfície celular para reconhecerem células "próprias" (as células do próprio corpo) e células infectadas por patógenos.
Ligantes e Receptores
A ligação entre uma molécula sinalizadora, ou ligante, e sua molécula receptora, ou receptor.
Receptores e ligantes possuem várias formas, mas todas têm uma coisa em comum: existem em pares estreitamente alinhados, com um receptor reconhecendo apenas um (ou poucos) ligantes específicos, e um ligante se ligando a apenas um (ou poucos) receptores alvos. A ligação de um ligante a um receptor muda sua forma ou atividade, permitindo-lhe transmitir um sinal ou produzir diretamente uma mudança dentro da célula
Etapas da transdução de sinais: ligação ligante-receptor, transmissão do sinal, resposta.
Este artigo centra-se no primeiro estágio (recepção do sinal)
Tipos de receptores
Receptores são de vários tipos, mas eles podem ser divididos em duas categorias: receptores intracelulares, os quais são encontrados dentro da célula (no citoplasma ou no núcleo), e receptores de superfície celular, os quais são encontrados na membrana plasmática.
Receptores intracelulares
Receptores intracelulares são proteínas receptoras encontradas dentro da célula, normalmente no citoplasma ou no núcleo. Na maioria dos casos, os ligantes de receptores intracelulares são pequenas moléculas hidrofóbicas (repelidas por água), pois elas precisam atravessar a membrana plasmática para alcançar seus receptores. Por exemplo, os receptores principais dos hormônios esteroides, tais como os hormônios sexuais estradiol (um estrógeno) e testosterona, são intracelulares.
Quando um hormônio entre em uma célula e se liga ao seu receptor, isto faz com que o receptor mude de forma, permitindo que o complexo hormônio-receptor entre no núcleo (se já não estava lá) e regule a atividade gênica. A ligação do hormônio expõe regiões do receptor que têm atividade de ligação ao DNA, o que significa que eles podem se ligar a sequências específicas do DNA. Estas sequências são encontradas próximas a certos genes no DNA da célula, e quando o receptor se liga próximo a estes genes, ele altera seu nível de transcrição. 
Diagrama de uma via de sinalização envolvendo um receptor intracelular. O ligante atravessa a membrana plasmática e se liga ao receptor no citoplasma, então, o receptor vai para o núcleo, onde se liga ao DNA para regular a transcrição.
Muitas vias de sinalização, envolvendo tanto receptores intracelulares como de membrana, causam alterações na transcrição gênica. No entanto, receptores intracelulares são únicos porque causam tais alterações muito diretamente, ligando-se ao DNA e alterando a transcrição eles mesmos.
Receptores de superfície celular
Receptores de membrana plasmática são proteínas ancoradas à membrana que se ligam a ligantes na superfície externa da célula. Neste tipo de sinalização, o ligante não precisa atravessar a membrana plasmática. Portanto, muitos tipos diferentes de moléculas (incluindo aquelas grandes, hidrofílicas ou "que são atraídas por água") podem agir como ligantes.
Um receptor de membrana plasmática típico tem três diferentes domínios, ou regiões de proteína: um domínio extracelular ("fora da célula") de ligação ao ligante, um domínio hidrofóbico que se estende através da membrana e um domínio intracelular ("dentro da célula"), o qual geralmente transmite um sinal. O tamanho e a estrutura destas regiões podem variar muito dependendo do tipo de receptor, e a região hidrofóbica pode consistir em vários resíduos de aminoácidos que cruzam a membrana. 
GPCR com sete domínios transmembranares. O N-terminal está fora da célula e o C-terminal está dentro.
Há muitos tipos de receptores de membrana, mas aqui nós veremos três tipos comuns: canais iônicos dependentes de ligantes, receptores acoplados à proteína G, e receptores tirosina quinases.
Canais iônicos dependentes de ligantes
Canais iônicos dependentes de ligantes são canais iônicos que podem abrir em resposta à ligação de um ligante. Para formar um canal, este tipo de receptor de membrana celular tem uma região intramembranal com um canal hidrofílico (atraído pela água) no meio dele. O canal permite que íons atravessem a membrana sem precisar tocar o núcleo hidrofóbico da camada fosfolipídica.
Quando um ligante se liga à região extracelular do canal, a estrutura da proteína se modifica de uma forma tal que íons de um tipo específico, tais como Ca+2 ou Cl-, podem passar. Em alguns casos, o inverso é verdade: o canal é normalmente aberto, e a ligação com o ligante faz com que ele feche. Alterações nos níveis de íons dentro da célula podem mudar a atividade de outras moléculas, como enzimas de ligação iônica e canais sensíveis à voltagem, para produzir uma resposta. Neurônios, ou células nervosas, possuem canais dependentes de ligantes que são ligados por neurotransmissores.
Receptores acoplados à proteína G
Receptores acoplados à proteína G (GPCRs) são uma grande família de receptores de membrana plasmática que compartilham uma estrutura e um método de sinalização comuns. Todos os membros da família GPCR têm sete diferentes segmentos de proteínas que atravessam a membrana, e transmitem sinais no interior da célula através de um tipo de proteína chamada de proteína G (mais detalhes abaixo).
GPCRs são heterogêneos e se ligam a diversos tipos de ligantes. Uma classe particularmente interessante de GPCRs é o dos receptores odoríferos (perfume). Existem cerca de 800800800 deles nos seres humanos e cada um se liga a uma "molécula de odor" própria - como uma determinada substância química no perfume, ou um certo composto liberado por peixe podre - e faz com que um sinal seja enviado para o cérebro, fazendo-nos sentir um cheiro!
Quando seu ligante não está presente, um receptor acoplado à proteína G permanece na membrana plasmática em um estado inativo. Para ao menos alguns tipos de GPCRs, o receptor inativo já está ancorado ao seu alvo de sinalização, uma proteína G
Proteínas G são de diferentes tipos, mas todos eles se ligam ao nucleotídeo guanosina trifosfato (GTP), o qual ele pode quebrar (hidrolisar) para formar o GDP. Uma proteína G ligada ao GTP está ativa, ou "ativada", enquanto uma proteína G que está ligada ao GDP está inativa, ou "desativada". As proteínas G que se associam com GPCRs são compostas por três subunidades, conhecidas como proteínas G heterotriméricas. Quando elas estão conectadas a um receptor inativo, estão sob a forma "desativada" (ligada ao GDP).
Diagrama do ciclo da sinalização de GPCR.
1. Quando uma molécula sinalizadora se liga ao GPCR, a subunidade alfa da proteína G troca GDP por GTP.
2. A subunidade alfa se dissocia das subunidades beta e gama e interage com outras moléculas, acionando, ao final, a resposta celular. (As subunidades betas e alfa podem, em alguns casos, também participar na sinalização).
3. GTP é hidrolisado em GDP, e a molécula sinalizadora se solta do receptor.
4. A subunidade alfa se liga novamente ao receptor e às subunidades beta e gama.
O ciclo pode, então, repetir-se quando um novo evento de ligação a ligantes ocorrer.
A ligação ao ligante, no entanto, muda a figura: o GPCR é ativado e faz com que a proteína G mude de GDP para GTP. A proteína G agora ativa separa-se em duas partes (uma chamada subunidade α, a outro composto por duas subunidades β e γ), que são liberadas do GPCR. As subunidades podem interagir com outras proteínas, acionando uma via de sinalização que leva a uma resposta.
Eventualmente, a subunidade α hidrolisará GTP de volta a GDP, nesse momento a proteína G se torna inativa. A proteína G inativa remonta-se como uma unidade de três peças associada como GPCR. A sinalização celular usando os receptores acoplados à proteína G é um ciclo, que pode se repetir várias vezes em resposta ao ligante.
Receptores acoplados à proteína G têm diversos papéis no corpo humano, e o distúrbio na sinalização de GPCR pode causar doenças. 
Receptores tirosina quinases
Receptores ligados a enzimas são receptores de membrana plasmática com domínios intracelulares que estão associados com uma enzima. Em alguns casos, o domínio intracelular do receptor na verdade é uma enzima que catalisa a reação. Outros receptores ligados à enzima têm um domínio intracelular que interage com uma enzima.
Receptores tirosina quinases (RTKs) são uma classe de receptores ligados a enzima encontrados em humanos e em muitas outras espécies. Uma quinase é apenas um nome para uma enzima que transfere grupos fosfato para uma proteína ou outro alvo, e um receptor tirosina quinase transfere grupos fosfato especificamente para o aminoácido tirosina.
Como a sinalização por RTK funciona? Um exemplo típico, moléculas sinalizadoras primeiro se ligam a domínios extracelulares de dois receptores tirosina quinase próximos. Os dois receptores vizinhos então se juntam, ou dimerizam. Os receptores então anexam fosfatos a tirosinas nos domínios intracelulares um do outro. A tirosina fosforilada pode transmitir o sinal para outras moléculas na célula.
Diagrama de receptores tirosina quinase, mostrando a ligação com o ligante e a auto fosforilação do receptor.
Quando duas moléculas sinalizadoras se ligam a dois receptores próximos, os receptores dimerizam-se (formam pares).
Os receptores pareados fosforilam os resíduos de tirosina um do outro no domínio intracelular (a porção da proteína localizada no interior da célula).
Os receptores fosforilados podem interagir com outras proteínas no interior da célula para desencadear vias de sinalização que provoquem respostas.
Em muitos casos, os receptores fosforilados servem como uma plataforma de encaixe para outras proteínas que contém tipos especiais de domínios de ligação. Uma variedade de proteínas contém estes domínios, e quando uma destas proteínas se liga, ela pode iniciar uma cascata de sinalização a jusante que leva a uma resposta celular.
Receptores tirosina quinases são cruciais para muitos processos de sinalização em humanos. Por exemplo, eles se ligam a fatores de crescimento, moléculas de sinalização que promovem divisão celular e sobrevivência. Fatores de crescimento incluem fator de crescimento derivado de plaquetas (PDGF), que participa da cicatrização de feridas, e fator de crescimento de nervos (NGF), que deve ser fornecido continuamente para certos tipos de neurônios para mantê-los vivos. Por causa de sua função na sinalização de fator de crescimento, os receptores tirosina quinase são essenciais para o corpo, mas sua atividade deve ser mentida em balanço: receptores de fator de crescimento superativos estão associados com alguns tipos de cânceres.
Tipos de ligantes
Ligantes, que são produzidos por células sinalizadoras e interagem com receptores no interior ou na superfície das células alvo, são de grande variedade. Alguns são proteínas, outros são moléculas hidrofóbicas como esteroides, e outros ainda são gases como óxido nítrico. Aqui, nós veremos alguns exemplos de diferentes tipos de ligantes.
Ligantes que podem entrar na célula
Pequenos ligantes hidrofóbicos podem passar através da membrana plasmática e se ligar a receptores intracelulares no núcleo ou no citoplasma. No corpo humano, alguns dos mais importantes ligantes deste tipo são os hormônios esteroides.
Hormônios esteroides familiares incluem o hormônio sexual feminino estradiol, que é um tipo de estrogênio, e o hormônio sexual masculina testosterona. A vitamina D, uma molécula sintetizada na pele usando energia da luz, é outro exemplo de hormônio esteroide. Porque eles são hidrofóbicos, estes hormônios não têm problema em atravessar a membrana plasmática, mas eles devem se ligar a proteínas carreadoras para viajar pela corrente sanguínea (aquosa).
Estruturas químicas do estradiol e da testosterona. Ambos têm quatro anéis de hidrocarboneto fundidos. Os dois hormônios diferem nos padrões de ligação dupla dos anéis e nos grupos funcionais ligados a eles.
Óxido nítrico (NO) é um gás que age como um ligante. Como os hormônios esteroides, pode se difundir diretamente através da membrana plasmática graças ao seu pequeno tamanho. Um dos seus papéis chave é ativar uma via de sinalização no músculo liso em torno dos vasos sanguíneos, aquela que faz o músculo relaxar e permite que os vasos sanguíneos se expandam (dilatação). De fato, a droga nitroglicerina trata doenças do coração desencadeando a liberação de NO, dilatando os vasos para restaurar o fluxo sanguíneo para o coração.
NO tem se tornado melhor conhecido recentemente porque a via que ele afeta é alvo de medicamentos prescritos para disfunção erétil, como o Viagra.
Ligantes que ligam do lado externo da célula
Ligantes solúveis em água são polares ou carregados e não podem atravessar a membrana plasmática facilmente. Portanto, a maioria dos ligantes solúveis em água se ligam aos domínios extracelulares dos receptores de membrana plasmática, ficando na superfície exterior da célula.
Ligantes de peptídeo (proteína) compõem a maior e mais diversa classe de ligantes solúveis em água. Por exemplo, fatores de crescimento, hormônios como a insulina, e certos neurotransmissores são classificados nesta categoria. Ligantes de peptídeo podem variar de apenas alguns aminoácidos de comprimento, como as encefalinas supressoras de dor, a uma centena ou mais de aminoácidos de comprimento.
Encefalina: Um ligante peptídico curto, com sequência Tyr-Gly-Gly-Phe-Met.
Como mencionado acima, alguns neurotransmissores são proteínas. Muitos outros neurotransmissores, contudo, são pequenas moléculas orgânicas, hidrofílicas (que têm afinidade pela água). Alguns neurotransmissores são formados por aminoácidos padrão como o glutamato e a glicina, e outros são aminoácidos modificados ou atípicos.
Caminhos de retransmissão de sinais
Quando uma molécula sinalizadora (ligante) de uma célula se liga a um receptor de outra célula, o processo de sinalização está completo?
Se estamos falando de receptores intracelulares, que unem seu ligante dentro da célula e ativam diretamente os genes, a resposta pode ser sim. Na maioria dos casos, contudo, a resposta é não—não mesmo! Para receptores localizados na membrana celular, o sinal deve ser passado por outras moléculas, numa espécie de jogo celular do "telefone."
As cadeias de moléculas que transmitem sinais dentro de uma célula são conhecidas como vias de transdução de sinal intracelular. Aqui, olharemos para as características gerais das vias de transdução de sinal intracelular, assim como alguns mecanismos de transmissão comumente utilizados nessas vias.
Ligações que iniciam a via de sinalização
Quando um ligante se acopla à um receptor na superfície celular, o domínio intracelular do receptor (na parte de dentro da célula) modifica-se de alguma forma. Geralmente, assume uma nova forma que o tornará ativo como enzima ou deixará que outras moléculas se associem.
A mudança no receptor desencadeia uma série de eventos de sinalização. Por exemplo, o receptor ativa outra molécula de sinalização dentro da célula que ativará seu próprio alvo. Essa reação em cadeia pode, eventualmente, levar a mudanças no comportamento ou características da célula como é mostrado no desenho abaixo.
Diagrama em forma de quadrinhos mostrando como os componentes de uma via hipotética de sinalização são ativados sequencialmente, onde um elemento liga o próximo para produzir uma resposta celular.
Por causa do fluxo direcional da informação, o termo a montante é frequentemente usado para descrever moléculas e eventos que vêm no início da cadeia de transmissão, enquanto a jusante deve ser usada para descrever aqueles que vêm depois (relativo a uma molécula particular de interesse). Por exemplo, no diagrama, o receptor é a jusante do ligante, porém amontante das proteínas no hialoplasma. Muitas vias de transdução de sinal intracelular amplificam o sinal inicial, para que uma molécula de ligante possa guiar para a ativação de muitas moléculas de um alvo à jusante.
As moléculas que transmitem um sinal muitas vezes são proteínas. No entanto, moléculas não proteicas, como íons e fosfolipídios, podem também desempenhar papéis importantes.
Fosforilação
O desenho acima caracteriza um grupo de partículas (sinalizando moléculas) rotuladas como "ligadas" e "desligadas". O que realmente significa para uma partícula estar ligada ou desligada? Proteínas podem ser ativadas ou desativadas de diversas maneiras. No entanto, um dos artifícios mais comuns para alterar a atividade das proteínas é a adição de um grupo fosfato a um ou mais locais na proteína, um processo chamado fosforilação.
Diagrama de uma proteína fosforilada, com um grupo fosfato ligado a um resíduo de serina, mostrando a verdadeira estrutura química da ligação.
Os grupos de fosfato não podem ser anexados a qualquer parte de uma proteína. Em vez disso, eles normalmente são ligados a um dos três aminoácidos que apresentam grupos hidroxila (-OH) em suas cadeias laterais: serina, treonina e tirosina. A transferência do grupo fosfato é catalisada por uma enzima chamada quinase, e as células contêm muitas quinases diferentes que fosforilam alvos diferentes.
A fosforilação muitas vezes age como um interruptor, mas seus efeitos variam entre as proteínas. Às vezes, a fosforilação deixará uma proteína mais ativa (por exemplo, aumentando a catálise ou deixando-a vincular a um parceiro). Em outros casos, a fosforilação pode inativar a proteína ou fazê-la romper-se. 
[Como o grupo fosfato faz tudo isso?]
Em geral, a fosforilação não é permanente. Para fazer as proteínas voltarem ao seu estado não-fosforilado, as células têm enzimas chamadas fosfatases, que removem um grupo fosfato de seus alvos.
Diagrama em forma de quadrinhos mostrando como uma proteína é fosforilada por uma quinase pela adição de um fosfato do ATP, produzindo ADP como subproduto, e desfosforilada por uma fosfatase, liberando Pi (fosfato inorgânico) como subproduto. As duas reações compõem um ciclo no qual a proteína se alterna entre dois estados.
Exemplo de fosforilação: cascata de sinalização de MAPK
Para entender melhor como a fosforilação ocorre, vamos examinar um exemplo real de uma via de sinalização que usa essa técnica: a sinalização do fator de crescimento. Especificamente, olharemos para uma parte da via do fator de crescimento epidérmico (FCE) que atua através de uma série de quinases para produzir uma resposta celular.
Este diagrama mostra uma parte da via de sinalização do fator de crescimento epidérmico:
A fosforilação (assinalada como F) é importante em muitos estágios desta via.
· Quando os ligantes do fator de crescimento se ligam a seus receptores, estes se alinham e atuam como quinases, ligando grupos fosfato às caudas intracelulares uns dos outros. Leia mais sobre o assunto no artigo sobre receptores e ligantes.
· Os receptores ativos disparam uma série de eventos (pulados aqui porque eles não envolvem fosforilação). Esses eventos ativam a quinase Raf.
· Raf ativa fosforila e ativa MEK, que fosforila e ativa as ERKs.
ERKs fosforilam e ativam uma variedade de moléculas-alvo. Essas incluem os fatores de transcrição, como c-Myc, assim como os alvos citoplasmáticos. Os alvos ativados promovem divisão e crescimento celular.
Juntos, Raf, MEK e as ERKs compõem uma via de sinalização da quinase em três níveis chamada cascata de proteína quinase ativada por mitógeno (MAPK). (Um mitógeno é um sinal que faz com que as células se submetam à mitose ou se dividam). Como os genes que codificam o receptor do fator de crescimento, Raf e c-Myc , desempenham um papel central na promoção da divisão celular, eles são proto-oncogenes, significando que formas hiperativas dessas proteínas são associadas ao câncer
As vias de sinalização MAP quinase são comuns na biologia: Elas podem ser encontradas em uma ampla gama de organismos desde humanos até leveduras e plantas. A similaridade das cascatas MAPK nos diversos organismos sugerem que essa via surgiu cedo na história evolutiva da vida e já estava presente no ancestral comum dos animais, plantas e fungos modernos.
Segundos mensageiros
Apesar de as proteínas serem importantes para as vias de transdução de sinal, outras moléculas podem participar da mesma forma. Inúmeras vias envolvem segundos mensageiros, moléculas pequenas e não proteicas que repassam um sinal iniciado pela ligação do ligante (o “primeiro mensageiro”) a seu receptor.
Segundos mensageiros incluem íons AMP cíclico (AMPc), um derivado do ATP; e inositol fosfatos que são sintetizados a partir de fosfolipídios.
Íons de cálcio
Os íons de cálcio são um tipo de segundo mensageiro amplamente utilizado. Na maioria das células, a concentração dos íons de cálcio no hialoplasma é muito baixa, visto que as bombas de íons na membrana plasmática trabalham continuamente para removê-los. Com a finalidade de sinalização, pode ser armazenado em compartimentos, com o retículo endoplasmático.
Nas vias que utilizam os íons de cálcio como segundo mensageiro, eventos de sinalização a montante liberam um íon ligante que se vincula e abre os canais de receptores inotrópicos. Estes canais se abrem e permitem que os altos níveis de * presentes fora da célula (ou em compartimentos de armazenamento intracelular) fluam para o citoplasma, elevando a concentração plasmática de *
Como é que o * liberado ajuda a passar junto ao sinal? Algumas proteínas na célula possuem sítios de ligação para íons, e os íons liberados se unem a essas proteínas e mudam sua forma (e, portanto, sua atividade). As proteínas presentes e a resposta produzida são diferentes em diferentes tipos de células. Por exemplo, a sinalização de * nas células-β do pâncreas leva à liberação de insulina, enquanto a sinalização de * em células musculares leva à contração muscular.
AMP cíclica (cAMP)
Outro segundo mensageiro usado em diversos tipos de células é a adenosina monofosfato cíclica (AMP cíclica ou cAMP), uma molécula pequena produzida a partir de ATP. Em resposta aos sinais, uma enzima chamada Adenil ciclase converte ATP em cAMP, removendo dois fosfatos e ligando o fosfato remanescente ao açúcar em forma de anel (por isso, o nome "cíclica"). 
Depois de produzida, a cAMP pode ativar uma enzima chamada proteína quinase A (PKA), possibilitando que esta fosforile seus alvos e passe o sinal adiante. A proteína quinase A é encontrada em uma variedade de tipos de células e, em cada tipo, suas proteínas-alvo variam. Desta forma, o mesmo segundo mensageiro cAMP pode produzir diversas respostas em diferentes contextos.
Diagrama de uma via que usa AMP cíclico (AMPc) como um mensageiro secundário. Um ligante conecta-se a um receptor, levando indiretamente à ativação de adenilil ciclase, que converte ATP em AMPc. AMPc liga-se a proteína quinase A e a ativa, permitindo que a PKA fosforile os fatores posteriores para produzir uma resposta celular.
A sinalização de cAMP é desligada por enzimas chamadas fosfodiesterases, que quebram a estrutura em anel da cAMP e a transformam em adenosina monofosfato normal, não cíclica (AMP).
Inositol fosfatos Embora usualmente pensarmos nos lipídeos de membrana plasmática como componentes estruturais da célula, eles também podem ser participantes importantes na sinalização. Fosfolipídeos denominados de fosfatidilinositóis podem ser fosforilados e quebrados ao meio, liberando dois fragmentos que podem atuar como segundos mensageiros.
Um lipídeo desse grupo que é particularmente importante na sinalização é denominado de *. Em resposta a um sinal, uma enzima denominada de fosfolipase C cliva em dois fragmentos: DAG. Esses fragmentos sintetizados podem atuar como segundos mensageiros. 
DAG permanece na membrana plasmática e pode ativar uma proteína-alvo denominada de proteína quinase C (PKC), permitindo que ela fosforile seus próprios alvos.  * se difunde pelo citoplasmae pode se acoplar à canais de cálcio ligante-dependentes no retículo endoplasmático, liberando * que continua a cascata de sinalização.
Imagem de uma via de sinalização que utiliza inositol trifosfato e íons cálcio como mensageiros secundários. Depois que um ligante se conecta a um receptor na membrana, a fosfolipase C é ativada indiretamente. Ela divide PIP2 para produzir IP3 e DAG. O DAG permanece na membrana e ativa a proteína quinase C, que fosforila seus alvos. O IP3 é liberado no hialoplasma e liga-se a um canal de íons cálcio no retículo endoplasmático, fazendo o canal se abrir. Íons cálcio armazenados no retículo endoplasmático saem para o hialoplasma, onde se ligam a proteínas ligadoras de cálcio. As proteínas ligadoras de cálcio desencadeiam uma resposta celular.
E... é ainda mais complicado do que isso!
As vias de sinalização podem ficar bastante complicadas muito rapidamente. Por exemplo, a versão completa da via de sinalização do fator de crescimento epidérmico que vimos anteriormente parece uma enorme bola de pelos e ocupará um cartaz inteiro se você tentar retirá-la! Você mesmo pode ver isso no vídeo de Sal via de MAPK.
Essa complexidade surge porque as vias podem interagir, e muitas vezes o fazem, com outras vias. Quando as vias interagem, elas basicamente permitem que a célula realize operações lógicas e "calcule" a melhor resposta às múltiplas fontes de informação. Por exemplo, os sinais de duas vias diferentes podem ser necessários para ativar uma resposta, que é como um "e" lógico. Por outro lado, qualquer uma das duas vias pode desencadear a mesma resposta, que é como um "OU" lógico.
Diagrama à esquerda: lógica "E" em uma via de sinalização celular. O intermediário deve ser fosforilado em dois resíduos diferentes, sendo cada um o alvo de uma das vias, a fim de tornar-se ativo e produzir uma resposta. A resposta apenas ocorrera se a primeira via E a segunda estiverem ativas.
Diagrama à direita: lógica "OU" em uma via de sinalização celular. Um intermediário deve ser fosforilado em um único resíduo para tornar-se ativo e produzir uma resposta, e qualquer uma das duas vias podem fosforila o mesmo resíduo. A resposta ocorre se a primeira via OU a segunda via estiver ativa.
Outra fonte de complexidade na sinalização é que a mesma molécula de sinalização pode produzir resultados diferentes dependendo de quais moléculas já estão presentes na célula^33cubed. Por exemplo, a ligante acetilcolina provoca efeitos opostos nos músculos esqueléticos e cardíacos porque esses tipos de células produzem diferentes tipos de receptores de acetilcolina que desencadeiam percursos diferentes.
Especificidade do tipo celular em resposta à acetilcolina.
Painel esquerdo: célula muscular esquelética. A molécula de acetilcolina se liga um canal iônico controlado por ligante, fazendo-o abrir e permitindo a entrada na célula de íons carregados positivamente. Este evento promove a contração muscular.
Painel direito: célula muscular cardíaca. A molécula de acetilcolina se liga ao receptor acoplado a proteína G, disparando uma resposta sequencial que leva à inibição da contração muscular.
Esses são apenas alguns exemplos das complexidades que tornam as vias de sinalização desafiadoras, mas também fascinantes, para se estudar. As vias de sinalização célula-célula, especialmente a via do fator de crescimento epidérmico que vimos anteriormente, são um foco de estudo para pesquisadores que desenvolvem novos medicamentos contra o câncer.
Resposta a um sinal
As vias de sinalização celular variam muito. Sinais (conhecidos como ligantes) e receptores são de muitas variedades, e a ligação pode desencadear uma ampla gama de cascatas de transmissão de sinal dentro da célula, de curtas e simples a longas e complexas.
Apesar destas diferenças, as vias de sinalização compartilham um objetivo comum: produzir algum tipo de resposta celular. Isto é, um sinal é liberado pela célula emissora fim de efetuar mudança na célula receptora de uma maneira específica.
Diagrama generalizado de ligação receptor-ligante, transdução de sinal intracelular, e resposta celular. A etapa resposta celular está representada no interior do retângulo.
Em alguns casos, nós podemos descrever uma resposta celular tanto em nível molecular quanto em nível macroscópico (larga escala, ou visível).
· Em nível molecular, nós podemos ver alterações tais como um aumento na transcrição de certos genes ou a atividade de determinadas enzimas.
· Em nível macroscópico, nós podemos ver alterações no comportamento exterior ou aparência da célula, tais como crescimento celular ou morte celular, que são causadas por alterações moleculares.
Neste artigo, nós veremos exemplos de respostas celulares à sinalização que acontecem tanto em nível "micro" quanto em nível "macro".
Expressão gênica
Muitas vias celulares causam uma resposta celular que envolve uma mudança na expressão gênica. Expressão gênica é o processo pelo qual a informação de um gene é usada pela célula para produzir um produto funcional, geralmente uma proteína. Isto envolve dois passos principais, transcrição e tradução.
· Transcrição faz um transcrito (cópia) de RNA a partir da sequência de DNA de um gene.
· Tradução lê a informação de um RNA e a usa para fazer uma proteína.
Vias de sinalização podem ter como alvo um ou ambos os passos para alterar a quantidade de uma proteína em particular produzida em uma célula.
Exemplo: Sinalização de fator de crescimento
Nós podemos usar a via de sinalização de fator de crescimento do artigo sobre transmissão de sinais como um exemplo para ver como as vias de sinalização alteram a transcrição e a tradução.
Esta via de fator de crescimento tem muitos alvos, os quais ela ativa por meio de uma cascata de sinalização que envolve a fosforilação (adição de grupos fosfato a moléculas). Alguns dos alvos da via são fatores de transcrição, proteínas que aumentam ou diminuem a transcrição de certos genes. No caso da sinalização de fator de crescimento, os genes têm efeitos que levam ao crescimento celular e à divisão. Um fator de transcrição que é alvo da via é a c-Myc, uma proteína que pode levar ao câncer quando é muito ativa ("boa demais" em promover a divisão celular).
Imagem mostrando duas formas pelas quais a via de sinalização do fator de crescimento regula a expressão genética para produzir uma resposta celular de crescimento e proliferação celular. A sinalização de fatores de crescimento atua por meio de uma cascata para ativar a ERK quinase, e a imagem mostra dois tipos de alvos sobre os quais a ERK quinase atua. (Na verdade, há muitos outros alvos. Vamos ver esses dois casos como exemplos).
1) Regulação transcricional. A ERK quinase fosforila e ativa o fator de transcrição c-Myc, o c-Myc se liga ao DNA para alterar a expressão de genes-alvo, ativando os genes que promovem o crescimento e a proliferação celular. Os genes são transcritos em RNAm, que pode ser traduzido no hialoplasma para produzir proteínas.
2). Regulação da tradução. A ERK quinase fosforila o MNK1, uma proteína no hialoplasma que aumenta a tradução de RNAms, especialmente aqueles com estrutura secundária complexa (com formação de grampos). Mais tradução desses RNAms resulta em níveis maiores das proteínas correspondentes.
A via de fator de crescimento também afeta a expressão gênica em nível de tradução. Por exemplo, um de seus alvos é um regulador de tradução chamado MNK1. O MNK1 ativo aumenta a taxa de tradução de RNAm especialmente para certos RNAms que se dobram sobre si mesmos formando estruturas em grampo (as quais normalmente bloqueariam a tradução). Muitos genes chave que regulam a divisão e sobrevivência celular têm RNAms que formam estruturas em grampo, e o MNK1 permite que estes genes sejam altamente expressos, impulsionando o crescimento e a divisão.
Notavelmente, nem a c-Myc nem o MNK1 é um "produto final" na via de fator de crescimento. Em vez disso, estes fatores regulatórios, e outros como eles, promovem ou reprimem a produção de outras proteínas (as bolhas laranja na ilustração acima)que estão mais diretamente envolvidas na realização do crescimento celular e divisão.
Metabolismo celular
Algumas vias de sinalização produzem uma resposta metabólica, na qual enzimas metabólicas na célula se tornam mais ou menos ativas. Nós podemos ver como isto funciona considerando a sinalização da adrenalina nas células musculares. Adrenalina, também conhecida como epinefrina, é um hormônio (produzido pela glândula adrenal) que prepara o corpo para emergências de curto prazo. Se você estiver nervosa antes de uma prova ou competição, sua glândula adrenal estará provavelmente liberando epinefrina.
Quando a epinefrina se liga a seu receptor em uma célula muscular (um tipo de receptor acoplado à proteína G), dispara uma cascata de sinalização envolvendo a produção do segundo mensageiro AMP cíclico (cAMP). Esta cascata leva à fosforilação de duas enzimas metabólicas - isto é, adição de um grupo fosfato, causando uma mudança no comportamento da enzima.
A primeira enzima é a glicogênio fosforilase (GP). O papel desta enzima é quebrar o glicogênio em glicose. Glicogênio é uma forma de armazenamento de glicose, e quando energia é necessária, glicogênio deve ser quebrado. Fosforilação ativa a glicogênio fosforilase, provocando a liberação de muita glicose.
A segunda enzima que é fosforilada é a glicogênio sintase (GS). Esta enzima está envolvida na formação do glicogênio, e a fosforilação inibe sua atividade. Isto garante que nenhuma molécula nova de glicogênio seja produzida quando há necessidade de que glicogênio seja quebrado.
Através da regulação destas enzimas, a célula muscular obtém rapidamente uma grande quantidade disponível de moléculas de glicose. A glicose está disponível para uso pela célula muscular em resposta à uma súbita onda de adrenalina — a resposta "luta ou fuga".
Resultados da sinalização celular em perspectiva mais geral
Os tipos de respostas que nós discutimos acima são eventos em nível molecular. Contudo, uma via de sinalização geralmente dispara um evento molecular (ou um conjunto inteiro de eventos moleculares) a fim de produzir um resultado mais amplo.Por exemplo, a sinalização de fator de crescimento causa uma variedade de mudanças moleculares, incluindo ativação de fator de transcrição c-Myc e regulador da tradução MNK1, para promover uma resposta mais geral de proliferação celular (crescimento e divisão). Similarmente, epinefrina dispara a ativação da glicogênio-fosforilase e a quebra do glicogênio de modo a proporcionar à célula muscular combustível para uma resposta rápida.Outros resultados de grande escala importantes da sinalização celular incluem a migração celular, mudanças na identidade celular, e indução de apoptose (morte celular programada).
Exemplo: Apoptose
Quando uma célula é danificada, desnecessária, ou potencialmente perigosa para um organismo, ela pode sofrer morte celular programada, ou apoptose. A apoptose permite que uma célula morra de uma maneira controlada que previne a liberação de moléculas potencialmente perigosas de dentro da célula.
Sinais internos (tais como aqueles disparados por DNA danificado) podem levar à apoptose, mas também o podem sinais vindos do exterior da célula. Por exemplo, a maioria das células animais tem receptores que interagem com a matriz extracelular, uma rede de apoio de proteínas e carboidratos. Se a célula se move para longe da matriz extracelular, a sinalização por meio destes receptores para, e a célula entra em apoptose. Este sistema evita que as células fiquem viajando pelo corpo e proliferando fora de controle (e está "quebrado" em células cancerosas que metastizam, ou se espalham para novos lugares).A apoptose é também essencial para o desenvolvimento embrionário normal. Em vertebrados, por exemplo, estágios iniciais de desenvolvimento incluem a formação de tecido entre as estruturas que se tornarão dedos individuais das mãos e dos pés. Durante o curso do desenvolvimento normal, estas células desnecessárias devem ser eliminadas, permitindo formação de dedos das mãos e dos pés completamente separados. Um mecanismo de sinalização celular dispara a apoptose, que destrói as células entre os dedos em desenvolvimento.