Baixe Receptores e Sinalização celular I (PARTE 2 de 2) e outras Notas de aula em PDF para Biotecnologia, somente na Docsity! 14 Receptores de membrana e princípios de sinalização celular II Ao fi nal desta aula, você deverá ser capaz de: • Entender os mecanismos de geração de mensageiros secundários. • Entender a dinâmica de uma cascata de sinalização. • Entender as principais vias de sinalização por receptores enzimáticos. • Associar fenômenos como a resposta infl amatória e o câncer a fenômenos de sinalização. a u l a OBJETIVOS Aula_14C.indd 19 8/7/2004, 15:01:32 Biologia Celular I | Receptores de membrana e princípios de sinalização celular II CEDERJ20 Na aula anterior, vimos que a comunicação entre as células se baseia no reconhecimento de uma molécula sinalizadora (também chamada ligante) por uma proteína receptora. Vimos também que um sinalizador que seja uma molécula pequena e hidrofóbica pode atravessar a bicamada lipídica e ser reconhecido no citoplasma, ou mesmo chegar ao núcleo da célula. Já os ligantes hidrofílicos são reconhecidos por proteínas expostas na superfície da célula-alvo, desencadeando uma cascata de sinalização no citossol. Das três vias de sinalização desencadeadas por ligantes hidrofílicos, já foram estudadas na Aula 13 os canais ativados por ligantes e os princípios de sinalização via proteína G. O que estudaremos a partir de agora são os eventos que a proteína G dispara no meio intracelular. A seguir, abordaremos o funcionamento das vias enzimáticas de sinalização de receptores. INTRODUÇÃO Adenilciclase Volte à Figura 13.10. Note que as proteínas ali esquematizadas parecem estar brincando de telefone sem fi o, aquela brincadeira em que o primeiro da fi la diz uma frase para o segundo, que repete para o terceiro e assim por diante até o último da fi la repetir a frase inicial. Na brincadeira, o engraçado é a distorção da mensagem inicial; já na vida celular, a mensagem deve ser encaminhada sem erros para que o resultado fi nal seja o esperado. A adenilciclase, uma vez ativada por proteína G, hidrolisa ATP de um modo especial, retirando dois fosfatos de uma vez só (Figura 14.1). O que sobra, o AMP (adenosina monofosfato), torna-se uma molécula cíclica, sendo chamado AMP cíclico (AMPc). Figura 14.1: A proteína G ativa a adenilciclase, levando-a a formar AMPc a partir de ATP. Aula_14C.indd 20 8/7/2004, 15:01:39 CEDERJ 23 A U LA 1 4 M Ó D U LO 3 Fosfolipase C, outra enzima ativada por proteína G Outra enzima freqüentemente ativada por proteína G é a fosfolipase C. Como seu nome está dizendo, essa enzima hidrolisa um fosfolipídio. Uma fosfolipase é classifi cada como A, C ou D de acordo com o local onde ela corta o fosfolipídio. A fosfolipase C corta entre o fosfato e o glicerol (para lembrar a estrutura do fosfolipídio, veja a Aula 7). Não é qualquer fosfolipídio que pode ser clivado pela fosfolipase C. O alvo da fosfolipase C ativada por proteína G é um fosfolipídio da face interna da membrana plasmática, o fosfatidilinositol 4,5 bifosfato, mais conhecido pela sigla PIP2. A clivagem gera duas moléculas: 1) o diacilglicerol, também conhecido como DAG, um glicerol com duas caudas de ácido graxo, que permanece na membrana; e 2) o inositol trifosfato (IP3), que é liberado para o citoplasma (Figura 14.3). Figura 14.3: Modo de ação da fosfolipase C ativada por proteína G. DAG e IP3, separados, mas trabalhando em conjunto As duas moléculas produzidas, DAG e IP3, terão funções diferentes em locais diferentes. O DAG permanece na bicamada interna da membrana plasmática, onde se movimenta com grande velocidade e vai recrutar do citoplasma uma proteína quinase ainda no estado inativo. Ela só será ativada por cálcio depois de recrutada, por isso se chama proteína quinase C (PKC). E de onde vem o cálcio que vai ativá-la? Isso é função da outra molécula produzida pela fosfolipase, o IP3. Ele difunde rápido pelo citoplasma e vai encontrar seu receptor na membrana do retículo endoplasmático. Esse receptor é do tipo canal, e quando o IP3 se liga ele abre um canal que deixa vazar cálcio para o citoplasma, ativando a PKC e várias outras proteínas (Figura 14.3). Nesse tipo de cascata de sinalização, o cálcio é o mensageiro secundário e pode afetar diretamente componentes do citoesqueleto, como os microtúbulos, disparar mecanismos de secreção ou prosseguir a cascata, ativando diretamente enzimas como proteína quinase C, que vai fosforilar outras proteínas passando o sinal adiante. Aula_14C.indd 23 8/7/2004, 15:01:50 Biologia Celular I | Receptores de membrana e princípios de sinalização celular II CEDERJ24 Figura 14.4: A concentração intracelular de cálcio é mantida baixa por vários mecanismos, como trocadores iônicos e ATPases cálcio dependentes presentes na membrana plasmática (MP) e na membrana do retículo endoplasmático, ou também por transporte ativo da membrana mitocondrial interna ou proteínas que se ligam ao cálcio no citossol. Favoreça-me com sua ausência! Todo mensageiro secundário que se preza normalmente está presente em baixíssimas concentrações no citoplasma. Quando ocorre uma sinalização, a súbita elevação de concentração (um pico de concentração) é prontamente percebida e provoca modifi cações no comportamento celular. O cálcio pode ser apenas um intermediário na cascata Nem sempre o efeito do cálcio é direto, ele também modifi ca o comportamento de várias outras proteínas depois de se complexar com proteínas ligadoras de cálcio. A mais importante delas é a calmodulina: uma vez ligada ao cálcio, ela modifi ca o comportamento de muitas enzimas, inclusive quinases. Como todo mensageiro de verdade, a concentração do cálcio tem de baixar rápido para que a célula esteja pronta a perceber o próximo sinal. Você sabe como o íon cálcio é rapidamente expulso do citossol? É um verdadeiro "salve-se quem puder" com várias vias de escape distribuídas na célula. Veja na Figura 14.4 como o cálcio tanto pode ser expulso para fora da célula como pode fi car escondido no retículo endoplasmático e na mitocôndria ou mesmo desaparecer ao associar-se a uma proteína citosólica. Aula_14C.indd 24 8/7/2004, 15:01:54 CEDERJ 25 A U LA 1 4 M Ó D U LO 3 A concentração de cálcio é de cerca de 10-7M no citoplasma e da ordem de 10-3M no meio extracelular. Uma diferença de 10.000 vezes! Para manter essa diferença, vários mecanismos funcionam permanentemente. Na membrana plasmática, há uma proteína trocadora de cálcio por sódio que usa a energia do gradiente de sódio gerado pela bomba de sódio e potássio para, sem gasto suplementar de energia, botar cálcio para fora. Além dela, há uma outra bomba de cálcio na membrana plasmática que hidrolisa ATP para obter a energia necessária (aí sim, transporte ativo) e proteínas ligadoras de cálcio no citoplasma que tornam o íon indisponível para outras reações. Quando ocorre um pico de cálcio proveniente de sinalização, a concentração normal aumenta 100 vezes, chegando a 10-5M. Nessa situação, além das bombas na membrana plasmática, entra em funcionamento a bomba de cálcio do retículo endoplasmático, que recolhe de volta o cálcio liberado, mas se surgir algum problema, como uma lesão na membrana plasmática (que logo será selada), e a concentração subir mais, chegando a 10-3M, a mitocôndria passa a bombear cálcio para dentro usando a energia do gradiente de prótons, deixando temporariamente de produzir ATP. Isso é um mecanismo de emergência, que raramente ocorre. Mitocôndrias e cálcio, uma relação questionada Durante muito tempo se pensou que as mitocôndrias eram as principais (senão as únicas) responsáveis pela manutenção da baixa concentração citoplasmática de cálcio, já que essas organelas deixavam até de fazer ATP para seqüestrar cálcio. Essa idéia estava baseada em experimentos em que mitocôndrias isoladas eram colocadas em soluções com concentração fi siológica de cálcio, ou seja, os mesmos níveis do plasma sanguíneo, 5x10-3M. Como resultado, as mitocôndrias bombeavam cálcio para dentro, formando precipitados de fosfato de cálcio. O detalhe é que essa situação experimental está muito longe da fi siológica. O que podemos concluir desse exemplo é que a biologia da célula está muito longe de ter todos os seus mistérios solucionados, o que é mais um estímulo para seu estudo: há sempre novidades surgindo nesta área! Resumimos na Figura 14.5 as duas principais vias de sinalização ativadas por proteína G: a da adenilciclase e a da fosfolipase C. Repare que, apesar dos nomes diferentes, há muita analogia entre os dois processos. Aula_14C.indd 25 8/7/2004, 15:01:58 Biologia Celular I | Receptores de membrana e princípios de sinalização celular II CEDERJ28 Figura 14.8: Ativação de Ras por receptores tirosina quinase. Entretanto, a Ras não permanece muito tempo no estado ativo. Logo ela hidrolisa o GTP, voltando ao seu estado ligado a GDP, que é inativo. Ras defeituosa? Desastre à vista Justamente por induzir mudanças celulares tão importantes, quando as vias de sinalização mediadas por Ras têm defeitos, as conseqüências são muito graves. Se esses defeitos impedirem a atividade GTPásica, a Ras permanecerá no estado ativado, fazendo com que as células portadoras da molécula defeituosa não parem de proliferar, o que pode gerar um câncer. De fato, cerca de 30% dos tumores possuem células com Ras defeituosa. Defeitos em outros componentes dessa cascata de sinalização também levam à tumorização. A fosforilação de outros aminoácidos também é sinalizadora Além dos receptores com atividade tirosina quinase, há os que têm atividade de fosforilação dos aminoácidos serina ou treonina (receptores serina/treonina quinases). A ativação desses receptores leva à ativação de proteínas reguladoras de expressão gênica. Em algumas vias importantes, os mecanismos de fosforilação em tirosina estão fortemente associados aos de fosforilação em serina/ treonina, que são mais duradouros. Assim, receptores de fatores de crescimento com atividade tirosina quinase ativam serina/treonina quinases citoplasmáticas, que formam uma cascata de sinalização com vários passos até chegar ao núcleo e modifi car a expressão gênica. Aula_14C.indd 28 8/7/2004, 15:02:11 CEDERJ 29 A U LA 1 4 M Ó D U LO 3 A reação a uma infecção por vírus é disparada por tirosina quinases Existem, porém, mecanismos mediados por receptores enzimáticos que modificam a expressão gênica mais rapidamente. Um dos mais notáveis é o mecanismo disparado por γ-interferon (citocina secretada por glóbulos brancos em resposta à infecção viral, principalmente). O γ-interferon produzido por células infectadas é reconhecido por receptores de γ-interferon que ativam uma via de tirosina quinases citoplasmáticas chamadas Janus quinases (Jaks), em referência ao deus romano de duas faces. As Jaks fosforilam uma série de proteínas reguladoras de expressão gênica (as STATS), que rapidamente entram no núcleo e ativam a transcrição de vários gens que codificam proteínas que aumentam a resistência à infecção viral. Além do α-interferon, também os receptores para γ- interferon (que ativa macrófagos), eritropoeitina (que estimula a produção de hemácias), prolactina (que estimula a produção de leite) e hormônio do crescimento usam a via de Jaks e STATS. Receptores enzimáticos na resposta infl amatória: a poderosa NF-κB Fatores que induzem infl amação em resposta a infecções ou lesões também usam receptores enzimáticos. O fator de necrose tumoral (TNF-α) produzido por macrófagos é reconhecido por receptores em muitas células e ativa uma proteína citoplasmática, a NF-κB, que se desloca para o núcleo e “liga” mais de 60 gens que participam da resposta infl amatória. Amplifi cação de sinais Pensando bem, qual é a vantagem de existirem cascatas de sinalização intracelular? Elas parecem tão complicadas, com tantos componentes, tantas passagens de informação, que devem ser altamente suscetíveis a erro! Mas se esse mecanismo se manteve evolutivamente conservado, estando presente tanto em leveduras como no homem, deve haver uma grande vantagem! Examinando todo o processo, sem dúvida alguma essa vantagem é a enorme amplifi cação do sinal inicial, como pode- mos ver na Figura 14.9. Figura 14.9: Amplifi cação de sinais nas cascatas de sinalização. Aula_14C.indd 29 8/7/2004, 15:02:15 Biologia Celular I | Receptores de membrana e princípios de sinalização celular II CEDERJ30 Figura 14.11: O mecanismo da propagação de sinais por receptores de superfície pode ser resumido nesse esquema: a partir do reconhecimento entre um receptor e um ligante, uma cascata de eventos se propaga e se amplifi ca. Integração de sinais Como você já deve ter imaginado, freqüentemente as cascatas de sinalização iniciadas por diferentes receptores se cruzam na célula, isto é, têm componentes em comum. Dois exemplos bem simples estão esquematizados na Figura 14.10. É preciso que estejam presentes os dois ligantes, A e B, reconhecidos por seus respectivos receptores, para que a sinalização possa prosseguir numa via comum. Figura 14.10: Alguns processos dependem da ativação inicial de duas cascatas de sinalização que convergem para um mesmo processo. Aula_14C.indd 30 8/7/2004, 15:02:21