As trocas de informações entre as células condicionam e regulam o funcionamento dos órgãos e determinam a homeostase de todo o organismo.

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2 As trocas de informações entre as células condicionam e regulam o funcionamento dos órgãos e determinam a homeostase de todo o organismo. As informações são transmitidas de célula a célula sob a forma de moléculas. 2

3 Um mesmo ligante pode desencadear mais de uma reação, dependendo do receptor ao qual se associe. Em geral, o receptor celular se une à molécula sinalizadora e então dá início a uma cadeia de reações no interior da célula. 3

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6 Quando um ligante se combina com um receptor, um dos dois eventos seguintes ocorre: o ligante ativa o receptor e ocorre uma resposta (ligante primário e agonista) ou o ligante tem efeito contrário ao do agonista, bloqueando a atividade do receptor (antagonista). 6

7 Os receptores são proteínas. Por esta razão, a ligação receptor-ligante exibe as características de (1) especificidade, (2) competição e (3) saturação das ligações. Especificidade e competição: múltiplos ligantes para um receptor. Os receptores possuem sítios de ligação para seus ligantes. Consequentemente, moléculas diferentes com estruturas similares podem ser capazes de se ligar ao mesmo receptor. Um exemplo clássico desse princípio envolve o neurotransmissor noradrenalina e o neuro-hormônio adrenalina (epinefrina). Ambas as moléculas ligam-se a uma classe de receptores denominados receptores adrenérgicos (adrenérgico é o adjetivo relacionado à adrenalina). A adrenalina e a noradrenalina também competem por um único tipo de receptor, pois ambos se ligam aos subtipos de receptores adrenérgicos denominados alfa ( ) ebeta( ). Contudo, os receptores possuem uma maior afinidade de ligação com a noradrenalina, ao passo que o subtipo 2 possui uma afinidade maior com a adrenalina. 7

8 A capacidade de uma proteína (receptor) ligar-se a um ligante e iniciar uma resposta pode ser alterada por diversos fatores, incluindo temperatura, ph e moléculas que interagem com a proteína (receptor). Um fator que influencia a ligação ou a atividade da proteína é conhecido como um modulador. Existem dois mecanismos básicos pelos quais ocorre a modulação: (1) o modulador ajuda a habilidade do ligante de se ligar ao sítio de ligação da proteína (receptor), ou (2) muda a atividade da proteína ou sua capacidade de gerar uma resposta. 8

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10 L= ligante I= inibidor competitivo 10

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13 Na membrana plasmática: quando o sinal tem natureza hidrofílica e não atravessa a membrana plasmática por difusão. No citoplasma: quando o sinal tem natureza hidrofóbica e atravessa a membrana plasmática. 13

14 Como uma molécula pode desencadear uma resposta A no tecido 1 e uma resposta B no tecido 2? Para a maioria das moléculas sinalizadoras, a resposta da célula-alvo é determinada pelo receptor e/ou sua via intracelular associada, e não pelo ligante. Devido à importância das vias de sinalização, as células usam os receptores para manter a flexibilidade nas suas respostas. 14

15 A transdução converte um tipo de sinal (estímulo) em outro sinal (mensageiro). 15

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17 A sinalização é iniciada e finalizada. Por isto uma célula deve ser capaz de informar quando o sinal acaba. Isto requer que o processo de sinalização inclua mecanismos de finalização. 17

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19 Parácrina: comunicação entre células vizinhas que não utiliza a circulação. Os sinais químicos atuam nas proximidades do local onde foram secretados. Molécula secretada por um tipo celular vai atuar sobre células de outro tipo. A sinalização autócrina é um tipo de sinalização parácrina, onde as moléculas produzidas por um tipo celular agem sobre células do mesmo tipo que estão próximas, atingindo também a própria célula que originou o sinal químico. Autócrina: ocorre quando o sinal age sobre a célula que o emitiu. Sinalização intrácrina Forma especializada de comunicação autócrina. Visa atuação dentro da própria célula, não chegando a haver exteriorização do sinal. Faz-se necessário um receptor intracelular. 19

20 Junções comunicantes, nexos ou gap junctions: constituídas por moléculas proteicas das membranas de duas células vizinhas, separadas por 2 nm apenas. É de ocorrência muito frequente, tendo sido observada entre as células epiteliais de revestimento, epiteliais glandulares, musculares lisas, musculares cardíacas e nervosas. Trata-se de uma estrutura cuja função principal é estabelecer comunicação entre as células, permitindo que grupos celulares funcionem de modo coordenado e harmônico, formando um conjunto funcional. Cada junção, em geral com a forma circular, é constituída por um conjunto de tubos proteicos paralelos que atravessam as membranas das duas células. Cada tubo é formado pela aposição de dois tubos menores, os conexons, pertencentes a cada uma das células vizinhas. O conexon é constituído por 6 unidades proteicas. O diâmetro do tubo é de 7 nm e seu poro ou canal, hidrofílico, é da ordem de 1 a 1,4 nm, o que permite a passagem de moléculas de até dáltons. Através das junções comunicantes podem passar de célula para célula, nucleotídeos, aminoácidos e íons. Foi demonstrado que o AMP cíclico (um mensageiro intracelular) produzido numa célula em resposta à ação hormonal, passa pelas junções comunicantes, promovendo resposta nas células vizinhas. Isso evidencia que essas junções podem coordenar e ampliar a resposta de grupos celulares a estímulos fisiológicos. As junções comunicantes podem passar de um estado de pouca permeabilidade a um estado de grande permeabilidade e, desse modo, abrem ou fecham a comunicação entre as células. 20

21 Endócrina: pela secreção de moléculas denominadas hormônios, que são secretados pelas glândulas endócrinas. Os hormônios são lançados no espaço extracelular, penetram nos capilares sanguíneos e se distribuem por todo o corpo, indo atuar a distância, nas chamadas células-alvo. Célula-alvo é aquela que tem receptor para o hormônio. 21

22 Sináptica: pela secreção de moléculas chamadas neurotransmissores. Essa secreção tem lugar nas sinapses, que são locais especializados onde as células nervosas (ou neurônios), através de seus numerosos prolongamentos, estabelecem contato umas com as outras. Os neurotransmissores são liberados também pelos prolongamentos das células nervosas que fazem conexão com células musculares ou com células secretoras. O neurotransmissor atravessa um espaço muito pequeno, de apenas alguns nanômetros, entre o terminal do prolongamento nervoso (axônio) e a outra célula nervosa, a célula muscular ou a célula secretora, conforme o caso. 22

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24 Existem dois grupos principais de substâncias parácrinas derivadas do ácido aracdônico: 1- leucotrienos: são moléculas produzidas pela ação das enzimas lipoxigenase (em leucócitos) e fosfolipase A2 (nas células principais das paratireoides) sobre o ácido aracdônico. Eles desempenham um papel significativo na asma, uma condição pulmonar em que o músculo liso das vias aéreas se contrai, tornando difícil a respiração, e na reação alérgica grave conhecida como anafilaxia. Nas glândulas paratireoides, os leucotrienos desencadeiam a degradação das moléculas de paratormônio (PTH) pré-formadas e diminuem a liberação de PTH intacto. 2- prostanoides: são moléculas produzidas quando a enzima ciclooxigenase (COX) atua no ácido aracdônico. Os prostanoides incluem as prostaglandinas e as tromboxanas. Estes eicosanoides atuam em diversos tecidos do corpo, incluindo músculo liso de vários órgãos, plaquetas, rins e ossos. Além disto, as prostaglandinas estão envolvidas na inflamação, na dor e na febre. 24

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27 Receptores que também servem como o efetores, por exemplo, um tipo de receptor de acetilcolina é também um canal iônico. Em resposta a acetilcolina, esses receptores permitem a passagem de íons específicos, efetuando assim mudanças no potencial da membrana de uma célula. Os receptores de acetilcolina são extremamente importantes na transmissão de sinais elétricos entre as células excitáveis. Os receptores ionotrópicos estão relacionados a alterações nos canais iônicos e seus neurotransmissores ligam-se diretamente à proteínas receptoras integradas aos canais citados, gerando modificações na configuração destas e consequente abertura ou fechamento do canal. Essa interação caracterizará uma alteração rápida e de duração reduzida no potencial de membrana da célula pós-sináptica. 27

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29 As células geralmente utilizam receptores enzimáticos presentes na superfície celular para controlar seu crescimento e desenvolvimento. Um receptor catalítico é um receptor transmembranar, em que a ligação de um ligante extracelular causa a atividade enzimática no lado intracelular. Assim, um receptor catalítico é uma proteína integral de membrana que possui ao mesmo tempo função catalítica e de receptor. Esses receptores têm a parte que adere ao sinal químico (hormônio, fator de crescimento) exposta na superfície da membrana e a parte que se localiza no citoplasma tem ação enzimática ou está diretamente ligada a uma enzima. Quando a extremidade externa desses receptores recebe o sinal químico, a parte citoplasmática, que é uma quinase proteica, se torna ativa e transfere o grupamento fosfato terminal do ATP para o grupamento hidroxila da tirosina de certas proteínas. 29

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31 Exemplos: receptores tirosina quinase (atividade intrínseca ou associada), receptores serina/treonina quinase (atividade intrínseca), receptores guanilato ciclase (único domínio transmembrana), receptores histidina quinase. A ativação desses receptores leva à ativação de proteínas reguladoras da expressão gênica que migram para o núcleo celular, onde fosforilam um conjunto de moléculas responsáveis pela transcrição, iniciando assim a proliferação celular. 31

32 GPCRs=G Protein-coupled receptors 7TM=7transmembrane helices O mecanismo de ativação da maioria dos receptores 7TM envolve acoplamento a proteínas G, e neste caso eles são também chamados acoplados à proteína G (GPCRs receptores). 32

33 Catecolaminas são compostos químicos derivados do aminoácido tirosina. As catecolaminas mais abundantes são a adrenalina, noradrenalina e dopamina. Como hormônios, são libertadas pela glândula suprarrenal em situações de estresse. As quimiocinas fazem parte de uma família especializada de citocinas, que funcionam como potentes mediadores ou reguladores da inflamação, pela habilidade de recrutar e ativar subpopulações específicas de leucócitos. 33

34 GnRH, do inglês Gonadotropin-Releasing Hormone 34

35 Receptores metabotrópicos não possuem canais iônicos, mas estão associados a moléculas de sinalização, como as proteínas G e segundos mensageiros, responsáveis por desencadear uma sequência de eventos bioquímicos. Os receptores metabotrópicos, ao contrário dos ionotrópicos, necessitam da produção de uma segundo mensageiro para a ativação dos canais iônicos específicos. Dessa forma, a ligação com o neurotransmissor irá ativar a resposta de uma proteína de membrana, a proteína G. Quando ativada essa proteína, sua subunidade alfa de libera das subunidades beta e gama, migrando na membrana para ativar (em uma atividade à base de GTP) a enzima adenilato ciclase, o que culmina com a produção do segundo mensageiro em questão: AMP cíclico (camp). O efeito de excitação ou inibição induzido por essa forma de recepção indireta dos neurotransmissores gera um potencial resultante mais lento e de maior duração. Neurotransmissores como acetilcolina, glutamato, acido amino-gamabutirico (GABA), serotonina podem ligar-se a proteínas de receptores inonotópicos ou metabotópicos, gerando respostas diretas ou indiretas. As catecolaminas (norepinefrina, dopamina, epinefrina), por sua vez, bem como os neuropeptídeos, irão ocasionar somente respostas diretas. GABA = ácido gama-aminobutírico O receptor sensor de cálcio (CASR) é um receptor acoplado a proteína G que detecta os níveis de cálcio extracelulares. Na glândula paratiróide, o receptor sensor de cálcio controla a homeostase do cálcio através da regulação da liberação do paratormônio (PTH). 35

36 GPCRs=G Protein-coupled receptors 36

37 Quando o hormônio se liga a um receptor acoplado à proteína G (GPCR), este sofre uma mudança conformacional que o torna capaz de ativar uma proteína trimérica de ligação a GTP (proteína G), que está ligada à face citoplasmática da membrana plasmática. Existem vários tipos de proteínas G, cada uma específica para um conjunto particular de receptores associados e para um conjunto particular de proteínas-alvo na membrana plasmática. Todas têm, contudo, uma estrutura semelhante e funcionam de modo similar. As proteínas G são formadas por três subunidades -, e, que se encontram unidas no estado inativado. Neste estado inativo, a subunidade também está ligada a um GDP. Quando o receptor acoplado à proteína G é ativado pela molécula sinalizadora (no caso em questão, o hormônio), induz a subunidade a liberar seu GDP e a se ligar a um GTP. Essa troca causa grande mudança conformacional na proteína G, ativando-a, o que leva à dissociação do trímero em dois componentes ativados: uma subunidade e um complexo, de forma que ambos possam interagir com seus alvos, que são enzimas ou canais iônicos na membrana plasmática. A subunidade é uma GTPase que se inativa ao hidrolisar o GTP ligado a ela a GDP. O tempo que a proteína G permanece ativa depende da rapidez com que a subunidade hidrolisa o GTP. Uma vez hidrolisado a GDP, a subunidade e o complexo voltam a se unir e a proteína G torna-se inativa. 37

38 As proteínas G têm a propriedade de interagir com vários tipos diferentes de moléculas efetoras. O subtipo de proteína G que é ativado frequentemente determina o efetor a ser ativado pela proteína G. Duas das subunidades mais comuns de G são a Gs e a Gq, que estimulam a adenililato (adenilil) ciclase e a fosfolipase C, respectivamente. Quando estimulada pela Gs, a adenililato (adenilil) ciclase converte o ATP em AMP cíclico (AMPc). O AMPc dispara uma enorme diversidade de eventos, ativando enzimas, abrindo canais iônicos etc, com muitas consequências em termos da atividade celular. Uma das enzimas mais importantes ativadas por AMPc é a proteína quinase A (PKA). Uma proteína quinase é uma enzima que fosforila outras proteínas. A proteína Gs (estimulatória), que ativa a adenilato ciclase enzima intracelular aderida à membrana plasmática que catalisa a formação de 3-5 adenosina monofosfato cíclico (AMPc) a partir do trifosfato de adenosina (ATP) está relacionada com o aumento da resposta celular. Assim, após a formação do complexo ligante/gpcr, a subunidade da proteína Gs, troca GDP por GTP, assumindo a forma ativa dessa isoforma. A porção da proteína separa-se então do dímero e ativa a adenilato ciclase, resultando no aumento substancial da concentração de AMPc. O aumento na concentração de AMPc intracelular culmina na ativação da proteína quinase dependente de AMPc (PKA), a qual fosforila diversas estruturas intracelulares, obtendo uma resposta específica ao estímulo agonista. A proteína Gi (inibitória) inibe a atividade da enzima adenilato ciclase. Essa isoforma, relacionada com a diminuição da resposta celular, é responsável pela mediação dos efeitos inibitórios de receptores na via adenilato ciclase. 38

39 A proteína Gq está envolvida na ativação da enzima fosfolipase C, que assim como a adenilato ciclase participa da formação de segundos mensageiros. Depois de ativada ela degrada o fosfatidil inositol 4,5 bifosfato (PIP 2 ) presente na membrana em 1,4,5 trifosfato de inositol (IP 3 ) e 1,2 diacilglicerol (DAG). Estes são os dois segundos mensageiros envolvidos nas respostas fisiológicas mediadas pela proteína Gq. 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. 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 (PKC), que vai fosforilar outras proteínas passando o sinal adiante. 39

40 Fosfolipases A2 (PLA2s): As fosfolipases A2 pertencem a uma superfamília de enzimas que realizam a clivagem de fosfolipídios da membrana celular, liberando ácido araquidônico e lisofosfolipídios, numa reação dependente de cálcio. As PLA2s apresentam um importante papel em várias funções celulares, incluindo manutenção dos fosfolipídios celulares, geração de prostaglandinas e leucotrienos (importantes na inflamação), transdução de sinais, proliferação celular e contração muscular. Trocador Na+/H+: responsável pela reabsorção de grande parte do NaCl e NaHCO 3 filtrados nos glomérulos, tendo papel essencial na homeostase de volume, ácido-base e na determinação dos níveis de pressão arterial sistêmica. c-jun N-terminal quinases (JNKs): são membros de um grupo maior de serina/treonina (Ser/Thr) quinases da família de proteínas quinases ativadas por mitógeno (MAPK), responsáveis pela transmissão dos sinais extracelulares para o núcleo, onde a transcrição de genes específicos é induzida pela fosforilação e ativação de fatores de transcrição, promovendo respostas como proliferação, diferenciação, sobrevivência e morte celular. GTPases da família RhoA (Ras homolog gene family, member A): regulam a formação de feixes contráteis de actina e miosina (fibras de estresse) e adesões focais, modulando a sua contratilidade. 40

41 Outras isoformas de proteína G: Gt (proteína transducina), que liga o fotorreceptor da rodopsina na retina; Go, que regula canais de cálcio, e Gk, reguladora de canais de potássio. GPCRs=G Protein-coupled receptors 41

42 Outras isoformas de proteína G: Gt (proteína transducina), que liga o fotorreceptor da rodopsina na retina; Go, que regula canais de cálcio, e Gk, reguladora de canais de potássio. GPCRs=G Protein-coupled receptors 42

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44 A ligação de um sinal químico pelo segmento extracelular ativa a parte citoplasmática do receptor, que então adiciona um grupo fosfato ao GDP da cadeia, tornando-a ativa e liberando-a das outras duas cadeias da molécula da proteína G. Enquanto o receptor estiver ocupado por um sinal, a cadeia permanece ativa e separada das duas outras cadeias. Quando o receptor e o sinal químico se separam, a própria cadeia hidrolisa o GTP, transformando-o em GDP. Em consequência, as três cadeias da proteína G se prendem novamente, e o receptor é desligado. 44

45 O óxido nítrico (NO) é uma molécula sinalizadora que atua em muitos tecidos para regular uma ampla gama de processos fisiológicos, incluindo vasodilatação, função neuronal, inflamação e função imune. Também está envolvido na regulação da apoptose (morte celular programada). 45

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47 A produção enzimática do NO a partir do aminoácido L-arginina é mediada por uma família de três sintases (sintetases) de óxido nítrico (NOS), codificadas por genes distintos. 47

48 O NO também faz parte do arsenal de primeira defesa do organismo com poder microbicida. Assim, está demonstrado sua ação antibactericida, antiparasítica e antiviral. Nestes casos, o NO atua em concentrações maiores do que as de mensageiro, sendo tóxico aos microorganismos invasores. Existe um tênue limite de concentração tissular entre a não-toxicidade às células do hospedeiro e a toxicidade necessária para ação antimicrobicida. 48

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