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2 0 2 0 . 1 J Ú L I A M O R A I S 1 4 3 ( 2 0 1 9 . 2 ) | 1 BIOQUÍMICA II AULA 1 e 2 – SISTEMA ENDÓCRINO Mecanismos de Ação e Sinalização Celular INTRODUÇÃO O sistema nervoso e o sistema endócrino fazem o controle de todo o corpo humano, juntos eles mantêm a homeostase. No controle endócrino, as glândulas produzem os hormônios. Os hormônios são substâncias químicas produzidas por um grupo de células e secretadas na corrente sanguínea, agindo em células alvos, com receptores específicos. TIPOS DE SINALIZAÇÃO A sinalização endócrina depende da célula que produz, a distância da célula-alvo e dessas células reconhecerem os hormônios com seus receptores. • Parácrina: Células produzem e liberam o hormônio no líquido extracelular e eles agem em células próximas. • Autócrina: O hormônio age na própria célula que o produziu. Ex: IGFs e citocinas. • Justácrina: Ocorre pelo contato direto entre células. A macromolécula ligada a membrana da célula emissora se liga ao receptor da membrana da célula- alvo. • Endócrino: Os hormônios são secretados por uma célula e viajam pela corrente sanguínea até a célula- alvo. • Sináptica: Neurotransmissores são secretados na fenda sináptica. • Intrácrina: O precursor hormonal inativo chaga ao órgão alvo e é convertido em um hormônio ativo. Ex: Testosterona quando entra na célula mamária é convertida em estrogênio. • Criptócrina: A substância sinalizadora não sai para o meio extracelular. Ex: O AMPc pode passar de uma célula para outra através de junções GAP, sem passar pelo meio extracelular. • Ferócrina: Feromônios agem em animais da mesma espécie. Ex: Flora bacteriana vaginal produz feromônios na forma de ácidos graxos de cadeia curta. • Fotócrina: É a percepção de luminosidade. Está envolvida com o ciclo circadiano. • Comunicação via vesículas extracelulares: Comunicação feita através de estruturas extracelulares, que englobam substâncias, chamadas de vesículas. Elas são direcionadas a diferentes tipos de células com diferentes receptores, podendo causar uma reação positiva ou negativa. CÉLULAS NÃO GLANDULARES CÉLULAS / TECIDO SUBSTÂNCIA RENAL Eritropoieitina ATRIAL E VENTRICULAR Hormônio Natriurético Atrial ENDOTELIAL Endotelina LEUCÓCITO Interleucina e interferons PLACENTA Quase todos os tipos de hormônios TECIDO ADIPOSO Leptina, resistina e adiponectina TECIDO ÓSSEO Fator de crescimento dos fibroblastos ESTÔMAGO Grelina 2 0 2 0 . 1 J Ú L I A M O R A I S 1 4 3 ( 2 0 1 9 . 2 ) | 2 CARACTERÍSTICAS FÍSICO-QUÍMICAS SOLUBILIDADE CIRCULAÇÃO NO PLASMA MEIA-VIDA NO PLASMA CONCENTRAÇÃO NO PLASMA H. PROTEICOS Hidrofílicos Livre Curta (minutos) Muito baixa CATECOLAMINAS Hidrofílicos Livre Curta (minutos) Muito baixa H. ESTEROIDES Lipofílicos Ligado a proteínas Longa (horas ou dias) Baixa H. TIREOIDIANOS Lipofílicos Ligado a proteínas Longa (horas ou dias) Baixa HORMÔNIOS PROTEÍNA LIGANTE PORCENTAGEM APROXIMADA DE LIGAÇÃO OBSERVAÇÕES TIROXINA Globulina ligante dos hormônios tireoidianos (TBG) Albumina Transtirretina 75% 10% - 15% 10% - 15% Aumento clinicamente significativo na gravidez inicial TESTOSTERONA Globulina ligadora de hormônios sexuais (SHBG) 60% - 70% A SHBG é suprimida pela insulina e aumentada pelos hormônios tireoidianos CORTISOL Globulina ligante de cortisol (CBG) 75% As variações de quantidade da CBG podem ser enganosas, assim como é o caso da dosagem de cortisol total GH Proteína carreadora de hormônio do crescimento (GHBP) 50% A GHBP é um fragmento solúvel do receptor GH IGF-1 Proteína ligante ao fator de crescimento semelhante à insulina tipo III (IGFBP-III) 75% Há 6 IGFBPs que modulam a atividade parácrina do IGF-1 e podem ter papéis de sinalização por si próprias LOCALIZAÇÃO DOS RECEPTORES PROTEICOS Membrana Plasmática FATORES DE CRESCIMENTO Membrana Plasmática CATECOLAMINAS Membrana Plasmática GLICOCORTICOIDES Citosol ESTEROIDES Núcleo TIREOIDIANOS Núcleo CONCENTRAÇÃO HORMONAL A concentração hormonal na célula-alvo é indicada por cinco fatores: 1. Taxa de síntese e secreção dos hormônios. 2. Proximidade da célula-alvo em relação a fonte do hormônio (efeito de diluição). 3. Afinidade (constante de dissociação Kd) se o hormônio apresentar afinidade grande pelas proteínas transportadoras ele terá dificuldade de se ligar a célula-alvo, se for baixa ele é liberado mais facilmente, tendo uma maior quantidade de hormônio para se ligar a célula-alvo. 4. Conversão de formas inativas ou parcialmente ativas do hormônio na forma totalmente ativa. Se tivermos uma alta quantidade de enzimas de conversão teremos mais hormônios ativos. 5. Taxa de depuração do hormônio a partir do plasma, seria a perda do hormônio para outros tecidos ou por digestão, metabolismo ou excreção. A observação desses fatores é importante para regulação dos efeitos hormonais, uma vez que atuações muito prolongadas ou muito rápidas de determinados hormônios poderiam causas disfunções. Os hormônios hidrossolúveis circulam livremente pelo plasma, no entanto, precisam de um mecanismo de segundo mensageiro intracelular para realizar sua função. Enquanto isso, os hormônios lipossolúveis conseguem atravessar a membrana e atuar diretamente em receptores dentro da célula. 2 0 2 0 . 1 J Ú L I A M O R A I S 1 4 3 ( 2 0 1 9 . 2 ) | 3 MECANISMOS DE AÇÃO E REGULAÇÃO O mecanismo de ação hormonal se inicia por sinais ambientais ou internos, transmitidos ao SNC e podendo envolver o sistema límbico e o hipotálamo. O hipotálamo é estimulado a produzir os fatores hormonais, que vão atuar em outras glândulas, como a hipófise. Essa também produz hormônios que agem em diferentes células do corpo. Como estão intimamente relacionados, existem alças de retroalimentação negativa, podendo elas serem longas ou curtas. Essas alças são responsáveis pela inibição de uma parte da cascata de produção hormonal. Os hormônios que não entram nas células-alvo atuam em receptores da membrana plasmática, os quais iniciam uma cascata de sinalização estimulando a ação dos segundos mensageiros (AMPc, GMPc, IP3, diacilglicerol e cálcio). Os receptores são específicos para cada molécula, no entanto, em células diferentes eles podem gerar uma resposta diferente. Essa pode ser a secreção de substâncias, estímulo a expressão gênica, contração, catálise enzimática e permeabilidade de membrana. TRANSDUÇÃO DE SINAL • Especificidade: Molécula sinalizadora se encaixa no sítio de ligação do receptor complementar, outros sinais não se encaixam. • Amplificação: Quando enzimas ativam enzimas, o número de moléculas afetadas aumenta geometricamente na cascata enzimática. • Modularidade: Proteínas com afinidades multivalentes formam diversos complexos de sinalização a partir de partes intercambiáveis. A fosforilação fornece pontos de interação reversíveis. • Dessensibilização ou adaptação: A ativação do receptor dispara um circuito de retroalimentação que desliga o receptor ou o remove da superfície celular. Internaliza ou destrói o receptor. • Integração: Quando dois sinais apresentam efeitos opostos sobre uma característica metabólica, como, por exemplo, a concentração de um segundo mensageiro X, a regulação é consequência da ativação integrada dos dois receptores. Comoa insulina e o glucagon e a norepinefrina e o cortisol. ENZIMAS MODIFICADORAS DE HORMÔNIO HORMÔNIO ENZIMA SUBSTRATO EFEITO TIROXINA Deiodinase tipo 2 Tri-iodotironina Gera T3 a partir de T4 quase inativa nos tecidos-alvo TESTOSTERONA Aromatase Estrogênio Desempenha papel importante no ovário, gerando estrogênio TESTOSTERONA 5α-redutase Di-hidrotestosterona Produz um ligante mais potente para o receptor de androgênio CORTISOL 11β- hidroxiesteroide desidrogenase tipo II Cortisona Converte o cortisol em cortisona. A ação hormonal não é linear, sendo assim, os hormônios são lançados na corrente sanguínea, atingem diversos órgãos. Por isso, a ingestão de hormônios exógenos causa efeitos colaterais. 2 0 2 0 . 1 J Ú L I A M O R A I S 1 4 3 ( 2 0 1 9 . 2 ) | 4 RECEPTORES ACOPLADOS A PROTEÍNA G (metabotrópicos) A proteína G é um heterotrímero (α, β, γ e GDP), relacionado a uma proteína intra e transmembranar composta por 7 α-hélices. Quando ativada, o GDP é trocado por GTP e ocorre a formação do monômero α-GTP. Esse se separa das demais estruturas e age estimulando ou inibindo a atividade de uma enzima produtora de segundo mensageiro. A ação da proteína G pode ser estimulatória, formando uma subnunidade Gαs, ou inibitória formando uma subunidadade Gis. A quantidade e potência delas, definem se terá muita ou pouca produção de AMPc. • Receptores β-adrenérgicos (músculo, fígado e tecido adiposo): 1. A ligação da adrenalina promove a alteração conformacional da estrutura intracelular do receptor, a proteína G. 2. Ocorre a formação do monômero α-GTP, sendo chamado de proteína G estimulatória ou Gαs. 3. A Gαs se move, no plano da membrana plasmática, e estimula a adenilil-ciclase próxima. 4. A adenilil-ciclase é uma proteína integral de membrana, com sítio ativo no citoplasma. Ela é estimulada a catalisar AMPc a partir de ATP. 5. A Gαs é uma GTPase e inativa a si mesma por meio da conversão do GTP em GDP. Ela dissocia-se da adenilil-ciclase e se reassocia com o dímero βγ, podendo ser ativada novamente. 6. O AMPc ativa a proteína-cinase A (PKA), em sua forma inativa essa enzima contém duas subunidades catalíticas idênticas (C) e duas subunidades de regulação (R). O AMPc se ligada as subunidades R, causando alterações conformações e separando-os das subunidades C. 7. A PKA fosforila e ativa a cinase da fosforilase b, a qual ativa a glicogênio-fosforilase b, levando a rápida mobilização de glicose através do glicogênio. • Receptores em diversos tecidos: 1. O glucagon se liga a um receptor de membrana acoplado com a proteína G e ativa a adenilil- ciclase através da Gαs. 2. O AMPc ativa a PKA, separando as subunidades regulatórias das catalíticas. 3. As subunidades catalíticas adentram o núcleo e fosforilam a proteína de ligação do elemento de resposta a AMPc (CREB), a qual altera a expressão de genes específicos regulados por AMPc. AMPc COMO SEGUNDO MENSAGEIRO Corticotropina (ACTH) Hormônio luteinizante (LH) Hormônio liberador de corticotropina (CRH) Hormônio estimulante de melanócitos (MSH) Dopamina Odorantes Adrenalina Hormônio da paratireoide Moléculas de sabor Prostaglandinas Glucagon Serotonina Histamina Somatostatina Hormônio folículo- estimulante (FSH) Hormônio estimulante da tireoide DESSENSIBILIZAÇÃO DO β-ADRENÉRGICO A proteína GSBY recruta a β-ark para a membrana plasmática, onde ela fosforila os resíduos de serina encontrados na extremidade carboxiterminal do receptor. Com isso, a β-arrestina pode se conectar ao receptor e “sequestrá-lo” da membrana plasmática, armazenando-o em vesículas endocíticas. Após sua dissociação o receptor pode voltar para a membrana plasmática. 2 0 2 0 . 1 J Ú L I A M O R A I S 1 4 3 ( 2 0 1 9 . 2 ) | 5 • Receptores dos hormônios acetilcolina, GRH serotonina, TRH, antidiurético, angiotensina II, ocitocina e glutamato: 1. O hormônio se liga ao receptor de membrana e altera a conformação da proteína G, formando uma subunidade Gαq. 2. A Gαq ativa a fosfolipase C (PLC), uma proteína da membrana plasmática específica para um fosfolipídio de membrana (PIP2). 3. A PLC catalisa o PIP2 produzindo dois segundos mensageiros, o diacilglicerol e o IP3. 4. O IP3 age no retículo endoplasmático, se ligando aos canais de Ca2+ e abrindo-os. Com isso, temos aumento da concentração de Ca2+ citosólico, o qual age como segundo mensageiro, junto com o diacilglicerol, ativando a proteína-cinase C (PKC). 5. A PKC fosforila proteínas do citoesqueleto, enzimas e proteínas nucleares que regulam a expressão gênica. DIACILGLICEROL, INOSITOL TRIFOFASTO E CÁLCIO COMO SEGUNDO MENSAGEIRO Acetilcolina Serotonina Agonistas α-adrenérgicos Ocitocina Angiogenina Glutamato Angiotensina II Luz ATP Histina Auxina Hormônio antidiurético Peptídeo liberador de gastrina Hormônio liberador de gonadotropina (GRH) Fator de crescimento derivador de plaquetas (PDGF) Hormônio liberador de tireotropina (TRH) TIROSINA-CINASE Os receptores tirosina-cinase (RTK) possuem uma região extracelular da membrana plasmática e uma região enzimática no citoplasma celular, denominadas região α e β, respectivamente. A interação do ligante no domínio α, ativa o domínio β, o qual corresponde a uma proteína-cinase que realiza autofosforilação quando ativada. • Receptores proteicos de insulina ativando Grb2 (INRS) (cascata das MAPK): 1. Uma molécula de insulina se ligada ao domínio α, proporcionando a ativação da atividade cinásica e cada subunidade β fosforila três resíduos de tirosina, localizados na extremidade citosólica desse domínio. 2. A autofosforilação expõe os sítios de reconhecimento dessa enzima, para que ela possa fosforilar os resíduos tirosina de outras proteínas. 3. O INRS fosforila o IRS-1. 4. O IRS-1 se liga ao domínio SH2 da proteína Grb2, uma proteína adaptadora, que tem como função aproximar a IRS-1 a Sos. 5. IRS-1 e Sos ligadas atuam como fator de troca de nucleotídeos de guanosina (GEF), catalisando a substituição do GDP na proteína Ras em GTP. 6. A Ras atua como um monômero atrelado a GTP, ela pode ativar uma proteína-cinase, a Raf-1. 7. A Raf-1 ativa a MEK, por fosforilação, e a MEK ativa a ERK, também por fosforilação. 8. A ERK age no núcleo controlando alguns efeitos biológicos da insulina, como o estímulo a transcrição de proteínas essenciais para a divisão celular. Cerca de metade das drogas agem nos receptores acoplados a proteína G. Os receptores β-adrenérgicos sofrem ação dos β- bloqueadores prescritos em casos de hipertensão, arritmia cardíaca, glaucoma, ansiedade. 2 0 2 0 . 1 J Ú L I A M O R A I S 1 4 3 ( 2 0 1 9 . 2 ) | 6 • Receptores proteicos de insulina ativando PI3K (INRS): 1. Uma molécula de insulina se ligada ao domínio α, proporcionando a ativação da atividade cinásica e cada subunidade β fosforila três resíduos de tirosina, localizados na extremidade citosólica desse domínio. 2. A autofosforilação expõe os sítios de reconhecimento dessa enzima, para que ela possa fosforilar os resíduos tirosina de outras proteínas. 3. O INRS fosforila o IRS-1. 4. O IRS-1 se liga ao domínio SH2 da PI3K. 5. A PI3K ativada converte o lipídio de membrana PIP2 em PIP3. 6. A PKB ligada ao PIP3 é fosforilado pela PDK1. 7. A PKB age fosforilando e desativando a GSK3, uma enzima responsável pela fosforilação e inativação da glicogênio-sintase (GS), que promove a síntese de glicogênio a partir de glicose. Dessa forma, temos o estímulo a síntesede glicogênio. 8. Além disso, a PKB inicia o movimento mediado por clatrina dos transportadores de glicose (GLUT-4) de vesículas internas para a membrana plasmática, estimulando a capitação de glicose. • Receptor de eritropoietina (JACK-STAT): 1. A eritropoietina se liga ao receptor de membrana, promovendo a ligação entre eles e a autofosforilação. 2. A JAK ativada fosforila resíduos de tirosina no domínio citoplasmático, os quais serviram como receptores para outras proteínas. 3. As STATs se ancoram nesses receptores e são fosforiladas e ativadas pelas JAKs. 4. As STATs se dimerizam via seus domínios SH2. 5. Dessa forma, elas expõem um sinal que faz com que sejam transportadas para o núcleo, onde elas agem induzindo a expressão de genes para a maturação dos eritrócitos. 6. A JAK ativada também pode agir por meio da ligação de uma proteína adaptadora, a SHC, que permite a ligação da JAK com a Grb2, ativando a cascata das MAPK, como na insulina. • Receptores do tipo TGFβ: 1. O receptor se liga ao receptor tipo II, o qual faz a fosforilação do receptor tipo I. 2. O receptor tipo I fosforilado recruta e fosforila a smad2 ou smad3. 2 0 2 0 . 1 J Ú L I A M O R A I S 1 4 3 ( 2 0 1 9 . 2 ) | 7 3. A smad dissocia-se do receptor e se oligomerizam com o smad4. 4. O oligômero smad2 ou smad3 e smad4 migram para o núcleo e recrutam outras proteínas reguladoras. GUANILIL-CICLASE A interação do ligante ao domínio extracelular estimula a formação do GMP cíclico (GMPc), como segundo mensageiro, a partir de GTP pela gualinil- ciclase. CANAIS IÔNICOS (ionotrópicos) Abrem-se e fecham-se em resposta a concentração do ligante sinalizador ou potencial de membrana. Eles geralmente são alvos de neurotransmissores. A acetilcolina, serotonina e o glutamato, por exemplo, são neurotransmissores excitatórios, que abrem os canais de sódio e desencadeiam a despolarização da membrana dos neurônios. Já a glicina, é inibitória, abrindo os canais de cloro e causando a hiperpolarização da membrana. COMUTADORES Os comutadores biológicos recebem um sinal e são ativados, até que outro processo as inative. Eles auxiliam na transmissão do sinal pela geração de segundo mensageiros ou pela ativação da proteína seguinte na via sinalizadora. A maior classe de comutadores moleculares são proteínas ativadas ou inativadas por fosforilação, pela ação de proteínas-cinase e proteínas-fosfatase. DOPAMINA E COCAÍNA A dopamina é um neurotransmissor que produz a sensação de prazer, ele fica apenas por um período no organismo, promovendo uma sensação temporária. A cocaína age impedindo que a dopamina retorne ao neurônio que a eliminou. Com isso, temos a sensação de prazer e euforia contínua. O uso prolongado dela pode fazer com que o cérebro se adapte a esse estado, de forma que ele começa a depender desta substância para funcionar normalmente, reduzindo a quantidade de dopamina nos neurônios. Quando o indivíduo para de usar a cocaína, já não existe dopamina suficiente nas sinapses, por isso, ele tem sintomas como fadiga, depressão e o humor alterado. TÉRMINO DA TRANSDUÇÃO DE SINAL A interrupção da ação de transdução de sinal pode ocorrer através da dessensibilização do receptor por desacoplação da cascata de sinalização; internalização do receptor por conexão de um agonista; supressão do receptor, o qual é internalizado e destruído pela ação dos lisossomos; inativação de proteínas, as quais participam da cascata de sinalização e pela produção de proteínas inibidoras por parte de proteínas da própria cascata sinalizatória. UMA MESMA MOLÉCULA PROMOVE EFEITOS DIFERENTES O neurotransmissor acetilcolina, por exemplo, diminui a velocidade do potencial de ação das células cardíacas e estimula a produção de saliva pelas glândulas salivares, apesar dos receptores em ambas as células serem os mesmos. No músculo esquelético, a acetilcolina causa a contração das células por se ligar a uma proteína receptora diferente. Os diferentes efeitos da acetilcolina nesses tipos celulares são o resultado de diferenças nas proteínas de sinalização intracelular, proteínas efetoras e genes que são ativados. Assim, o próprio sinal extracelular tem pouco conteúdo de informação, ele simplesmente induz a célula a responder de acordo com seu estado predeterminado, o qual depende da história de desenvolvimento da célula e dos genes específicos que ela expressa. TOXINAS BACTERIANAS • Cólera: Impede a hidrólise do GTP ligado a Gαs, ativando permanentemente a proteína G. Com isso, temos o aumento das concentrações de AMPc nos enterócitos, fosforilando os canais de cloro por meio da PKA, aumentando o efluxo de eletrólitos e água, o que causa a diarreia grave característica dessa patologia. • Enterotoxina termolábil: Secretada pela E. coli, causa a diarreia do viajante, resultante do consumo de alimentos e água em locais com falta de cuidados sanitários. 2 0 2 0 . 1 J Ú L I A M O R A I S 1 4 3 ( 2 0 1 9 . 2 ) | 8 INTEGRAÇÃO DAS VIAS SINALIZAÇÃO CRUZADA (CROSS-TALK) A sinalização cruzada ocorre entre diversos tipos de receptores, basicamente, a ação de um receptor pode afetar a de outro. Como exemplo, temos um receptor de insulina (INRS), com sua ativação ele sofre dimerização e autofosforilação. Posteriormente, temos a fosforilação e ativação da IRS-1, essa ativa a PKB, a qual fosforila a cauda de serina do receptor β- adrenérgico, promovendo sua internalização (sequestro do receptor). Além disso, o INRS afeta outros receptores, podendo estimular a cascata RAS e alterar a expressão gênica. A AKAPS é uma proteína de ancoragem, que promove a nucleação de complexos supramoleculares, reunindo as proteínas associadas a uma cascata de sinalização. GLUCOCORTICOIDES Os glucocorticoides se ligam ao receptor citoplasmático e são direcionados ao núcleo, onde estimulam a produção de um inibidor IkBα. Esse se liga ao NF-kB, o qual fica incapacitado de promover a formação de citocinas. Dessa forma, o glucocorticoide age suprimindo a ocorrência de processos inflamatórios. ARGININA E VASOPRESSINA ATUANDO NOS TÚBULOS DISTAIS DOS RINS Os osmorreceptores identificam a alta concentração osmótico no sangue, disparando a produção de vasopressinas no hipotálamo, as quais são levadas até a neuro-hipófise e são liberadas na circulação. Na célula-alvo a vasopressina atua em um receptor acoplado a proteína G e, consequentemente, ativando a PKA, a qual ativa a translocação de canais de água (aquaporinas). Com isso, temos o aumento da reabsorção de água, que é lançada na corrente sanguínea, reduzindo a concentração osmótica do sangue. SÍNDROME METABÓLICA E AGENTES INFLATOMATÓRIOS O aumento da quantidade de ácidos graxos, fazem com que eles se liguem ao receptor TOLL, responsáveis por perceber substâncias relacionadas a patógenos. Esses disparam as vias de sinalização e bloqueiam a PKB e a via IRS pela insulina. O receptor de substâncias pró-inflamatórias, como o TNF, também ativam vias que bloqueiam a via IRS pela insulina e PKB. Essas ações causam o aumento da glicemia, não adiantando a administração de insulina ou de aumento de transportadores de glicose, pois, como podemos ver, outros receptores afetam o receptor de insulina por cross-talk, causando resistência à insulina. A forma efetiva de tratamento seria o uso de medicamentos para a diminuição dos agentes inflamatórios locais, além de exercícios físicos, perda de peso e alimentação equilibrada.
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