VISÃO GERAL: RESPOSTAS CELULARES AO ESTRESSE E AOS ESTÍMULOS NOCIVOS A

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1 PROBLEMA 1 1. Objetivo 1: Conceituar estresse celular; 2. Objetivo 2: Identificar e descrever os fatores estressores e seus mecanismos; 3. Objetivo 3: Descrever as possíveis respostas celulares frente ao estresse (adaptação X morte); 4. Objetivo 4: Descrever as formas de comunicação celular com o organismo (sinalização celular). VISÃO GERAL: RESPOSTAS CELULARES AO ESTRESSE E AOS ESTÍMULOS NOCIVOS A célula normal é confinada a uma faixa razoavelmente estreita de função e estrutura por seu estado de metabolismo, diferenciação e especialização; por limitações das células vizinhas; e pela disponibilidade de substratos metabólicos. No entanto, ela é capaz de dar conta das demandas fisiológicas, mantendo um estado normal chamado de homeostasia. As adaptações são respostas estruturais e funcionais reversíveis, a estresses fisiológicos mais excessivos e a alguns estímulos patológicos, durante os quais estados constantes novos, porém alterados, são alcançados, permitindo que a célula sobreviva e continue a funcionar. A resposta adaptativa pode consistir em um aumento no tamanho das células (hipertrofia) e da atividade funcional, um aumento do número de células (hiperplasia), uma diminuição do tamanho e da atividade metabólica das células (atrofia) ou uma mudança do fenótipo das células (metaplasia). Quando o estresse é eliminado, a célula pode retornar a seu estado original, sem ter sofrido qualquer consequência danosa. Se os limites da resposta adaptativa forem ultrapassados ou se as células forem expostas a agentes lesivos ou estresse, privadas de nutrientes essenciais, ou ficarem comprometidas por mutações que afetam os constituintes celulares essenciais, sobrevém uma sequência de eventos, chamada lesão celular. A lesão celular é reversível até certo ponto, mas quando torna-se intensa e constante a célula sofre lesão irreversível e futuramente morte celular. A morte celular, o resultado final da lesão celular progressiva, é um dos eventos mais cruciais na evolução da doença, em qualquer tecido ou órgão. É resultante de varias causas, incluindo isquemia (redução do fluxo sanguíneo), infecção e toxinas. A morte celular constitui também um processo normal e essencial na embriogênese, no desenvolvimento dos órgãos e na manutenção da homeostasia. Existem duas vias principais de morte celular, a necrose e a apoptose. A privação de nutrientes induz uma resposta celular adaptativa chamada autofagia que pode culminar em morte celular.

2 ADAPTAÇÕES DO CRESCIMENTO E DIFERENCIAÇÃO CELULAR Hipertrofia A hipertrofia é um aumento do tamanho das células que resulta em aumento do tamanho do órgão. O órgão hipertrofiado não possui novas células, apenas células maiores. O tamanho aumentado das células é devido à síntese de mais componentes estruturais das células. Células capazes de divisão podem responder ao estresse submetendo-se a ambas, hiperplasia (descrita a seguir) e hipertrofia, enquanto em células que não se dividem (p. ex., fi bras miocárdicas) o aumento da massa tecidual é devido à hipertrofia. A hipertrofia pode ser fisiológica ou patológica e é causada pelo aumento da demanda funcional ou por estimulação de hormônios e fatores de crescimento. As células musculares estriadas da musculatura esquelética e do coração possuem capacidade

3 limitada de divisão e respondem ao aumento da demanda metabólica sofrendo principalmente hipertrofia. O estímulo mais comum para a hipertrofi a do músculo é o aumento da carga de trabalho. O massivo crescimento fisiológico do útero durante a gravidez constitui um bom exemplo de aumento do órgão induzido por hormônio, resultante principalmente de hipertrofi a das fi bras musculares. A hipertrofia ocorre pois os hormônios estrogênicos que agem nos receptores de estrogênio do músculo liso, resultando em maior síntese de proteínas do músculo liso e em aumento do tamanho celular. Mecanismo de hipertrofia Hipertrofia é o resultado do aumento de produção das proteínas celulares. A hipertrofia pode ser induzida por ações conjuntas de sensores mecânicos (que são iniciadas por aumento da carga de trabalho), fatores de crescimento (incluindo TGF-β, fator-1 de crescimento semelhante à insulina [IGF-1], fator de crescimento fi broblástico) e agentes vasoativos (tais como agonistas α-adrenérgicos, endotelina-1, e angiotensina II). As duas principais vias bioquímicas envolvidas na hipertrofia muscular parecem ser a via do fosfoinositídio 3-cinase/Akt (considerada a mais importante na hipertrofi a fisiológica induzida por exercício) e a via de sinalização em cascata da proteína G ligada a receptores (induzida por muitos fatores de crescimento e agentes vasoativos e considerada como sendo mais importante na hipertrofi a patológica). Embora a hipertrofia geralmente refira-se ao aumento em tamanho das células ou tecidos, algumas vezes uma organela subcelular pode sofrer hipertrofia seletiva. Por exemplo, os indivíduos tratados com drogas como os barbitúricos exibem hipertrofia do retículo endoplasmático agranular (REA) dos hepatócitos, o que representa uma resposta adaptativa que aumenta a quantidade de enzimas (oxidases de função mista citocromo P- 450) disponíveis para desintoxicar as drogas.

4 Hiperplasia Hiperplasia é um aumento do número de células em um órgão ou tecido, resultando geralmente em aumento da massa de um órgão ou tecido. Hiperplasia fisiológica A hiperplasia fisiológica pode ser dividida em: (1) hiperplasia hormonal, que aumenta a capacidade funcional de um tecido, quando necessário (ex.: proliferação do epitélio glandular da mama feminina na puberdade e durante a gravidez) e (2) hiperplasia compensatória, que aumenta a massa de tecido após lesão ou ressecção parcial (capacidade do fígado de regenerar-se). Hiperplasia patológica A maioria das formas de hiperplasia patológica é causada por excesso de hormônios ou fatores de crescimento atuando em células-alvo. Um exemplo comum de hiperplasia patológica é a hiperplasia prostática benigna induzida por respostas ao hormônio, neste caso, os androgênios. Embora essa forma de hiperplasia seja anormal, o processo permanece controlado porque não há mutações em genes que regulam a divisão celular e a hiperplasia regride se a estimulação hormonal é eliminada. Portanto, a hiperplasia é diferente do câncer, porém a hiperplasia patológica constitui um solo fértil no qual a proliferação cancerosa pode surgir posteriormente. A hiperplasia é uma resposta característica a certas infecções virais, como os papilomavírus, que causam verrugas cutâneas e várias lesões de mucosa compostas por massas de epitélio hiperplásico. Mecanismo de hiperplasia A hiperplasia é o resultado da proliferação de células maduras induzida por fatores de crescimento e, em alguns casos, pelo surgimento elevado de novas células a partir de células-tronco teciduais. Por exemplo, após hepatectomia parcial, são produzidos no fígado fatores de crescimento que se ligam a receptores nas células sobreviventes e ativam vias de sinalização que estimulam a proliferação celular. Atrofia Atrofia é a redução do tamanho de um órgão ou tecido que resulta da diminuição do tamanho e do número de células. A atrofia pode ser fisiológica ou patológica. A atrofia fisiológica é comum durante o desenvolvimento normal. Algumas estruturas embrionárias, como a notocorda e o ducto tireoglosso, sofrem atrofia durante o desenvolvimento fetal. A atrofia patológica depende da causa básica e pode ser local ou generalizada. As causas comuns de atrofia são: o Redução da carga de trabalho (atrofia de desuso); o Perda da inervação: o metabolismo e a função normais do músculo esquelético dependem de seu suprimento nervoso. Uma lesão dos nervos leva à atrofi a das fibras musculares supridas por esses nervos;

5 o Diminuição do suprimento sanguíneo: na idade adulta avançada, o cérebro sofre atrofi a progressiva, principalmente por causa da redução do suprimento sanguíneo causada pela aterosclerose; o Nutrição inadequada: Uma desnutrição proteico-calórica profunda (marasmo) está associada ao uso do músculo esquelético como fonte de energia, após a depleção de outras fontes de reserva, como o tecido adiposo. Isso resulta em emaciação muscular acentuada; o Perda de estimulação endócrina: a perda de estimulação estrogênica após a menopausa resulta em atrofi a fisiológica do endométrio, epitélio vaginal e mama; o Pressão: a compressão tecidual por qualquer período de tempo pode causar atrofia. Um tumor benigno em crescimento pode causar atrofia nos tecidos saudáveis circundantes. Mecanismo da atrofia A atrofia resulta da diminuição da síntese proteica e do aumento da degradação das proteínas nas células. A síntese de proteínas diminui em função da atividade metabólica reduzida. A degradação das proteínas celulares ocorre principalmente pela via ubiquitinaproteassoma. O desuso e a deficiência de nutrientes podem ativar as ligases de ubiquitina, que ligam o pequeno peptídeo ubiquitina às proteínas celulares, tornando-as alvo para a degradação nos proteassomas. Acredita-se que essa via também seja responsável pela proteólise acelerada observada em várias condições catabólicas, incluindo a caquexia do câncer. Em muitas situações, a atrofia é também acompanhada por aumento da autofagia, com aumento do número de vacúolos autofágicos. A autofagia ( comer a si próprio ) é o processo no qual as células privadas de alimento digerem seus próprios componentes na tentativa de encontrar nutrientes e sobreviver. Metaplasia Metaplasia é uma alteração reversível na qual um tipo celular diferenciado (epitelial ou mesenquimal) é substituído por outro tipo celular. Ela representa uma substituição adaptativa de células sensíveis ao estresse por tipos celulares mais capazes de suportar o ambiente hostil. EXEMPLO: a metaplasia epitelial mais comum é a colunar para escamosa, como ocorre no trato respiratório em resposta à irritação crônica. Nos fumantes habituais de cigarros, as células epiteliais normais, colunares e ciliadas da traqueia e dos brônquios, são, com frequência, substituídas por células epiteliais escamosas estratificadas. O epitélio escamoso estratificado mais resistente é capaz de sobreviver sob circunstâncias nas quais o epitélio colunar especializado mais frágil teria sucumbido. Entretanto, a mudança para células escamosas metaplásicas tem um preço. Por exemplo, no trato respiratório, embora o revestimento epitelial se torne rígido, os importantes mecanismos de proteção contra infecções secreção de muco e a ação dos cílios do epitélio colunar são perdidos. Portanto, a metaplasia epitelial é uma faca de dois gumes

6 e, na maioria das circunstâncias, representa uma alteração não desejada. Além disso, as infl uências que predispõem à metaplasia, se persistirem, podem iniciar a transformação maligna no epitélio metaplásico. A metaplasia do tipo escamoso para colunar também pode ocorrer, como no esôfago de Barrett, no qual o epitélio escamoso do esôfago é substituído por células colunares semelhantes às intestinais, sob influência do refluxo do ácido gástrico. A metaplasia do tecido conjuntivo é a formação de cartilagem, osso ou tecido adiposo (tecidos mesenquimais) em tecidos que normalmente não contêm esses elementos. Por exemplo, a formação de osso no músculo, designada miosite ossifi cante, ocorre ocasionalmente após uma hemorragia intramuscular. Mecanismos da metaplasia Ela é resultado de uma reprogramação de células-tronco que sabidamente existem em tecidos normais ou de células mesenquimais indiferenciadas presentes no tecido conjuntivo. Em uma alteração metaplásica, essas células precursoras diferenciamse ao longo de uma nova via. A diferenciação de células-tronco para uma linhagem em particular é causada por sinais gerados por citocinas, fatores de crescimento e componentes da matriz extracelular no ambiente das células. Esses estímulos externos promovem a expressão de genes que direcionam as células para uma via específica de diferenciação. VISÃO GERAL DA LESÃO CELULAR E MORTE CELULARES A lesão celular ocorre quando as células são estressadas tão excessivamente que não são mais capazes de se adaptar ou quando são expostas a agentes lesivos à sua natureza ou são prejudicadas por anomalias intrínsecas. o Lesão celular reversível: nos estágios iniciais ou nas formas leves de lesão, as alterações morfológicas e funcionais são reversíveis, se o estímulo nocivo for removido. Os principais marcos da lesão reversível são a redução da fosforilação oxidativa, com depleção do armazenamento de energia em forma de ATP e tumefação celular causada por alterações da concentração de íons e influxo de água. o Morte celular: com a persistência do dano, a lesão torna-se irreversível e com o tempo a célula não pode se recuperar e morre. Existem dois principais tipos de morte celular, a necrose e a apoptose. Quando o dano às membranas é acentuado, as enzimas lisossômicas extravasam para o citoplasma e digerem a célula, e o conteúdo celular escapa, resultando em necrose. Em situações em que o DNA ou as proteínas celulares são lesados de modo irreparável, a célula se suicida por apoptose, uma forma de morte celular caracterizada pela dissolução nuclear, fragmentação da célula sem perda da integridade da membrana, e rápida remoção dos restos celulares. Enquanto a necrose é sempre um processo patológico, a apoptose auxilia muitas funções normais e não é, necessariamente, associada à

7 lesão celular. A apoptose e a necrose são observadas em resposta às mesmas infl uências adversas, como a isquemia, talvez em diferentes estágios. CAUSAS DE LESÃO CELULAR A maioria dos estímulos nocivos pode ser agrupada nas seguintes características gerais: o Privação de oxigênio: a hipoxia é uma deficiência de oxigênio que causa lesão celular por reduzir a respiração oxidativa aeróbica. A hipoxia é uma causa extremamente importante e comum de lesão e morte celulares. As causas da hipoxia incluem a redução do fluxo sanguíneo (chamada isquemia), a oxigenação inadequada do sangue devido à insuficiência cardiorrespiratória, e a redução da capacidade de transporte de oxigênio do sangue, como na anemia ou no envenenamento por monóxido de carbono (produzindo uma monóxihemoglobina com carbono estável que bloqueia o transporte de oxigênio) ou após grave perda sanguínea. Dependendo da gravidade do estado hipóxico, as células podem se adaptar, sofrer lesão ou morrer. o Agentes físicos: os agentes físicos que causam lesão celular incluem traumatismos mecânicos, extremos de temperatura (queimaduras e frio profundo), alterações bruscas da pressão atmosférica, radiação e choque elétrico. o Agentes químicos e drogas: substâncias simples, como a glicose ou sal em concentrações hipertônicas, podem lesar a célula diretamente ou por perturbação do equilíbrio eletrolítico das células. Até mesmo o oxigênio em altas concentrações é tóxico. Quantidades residuais de venenos, como arsênico, cianeto ou sais mercúricos, podem destruir células dentro de minutos a horas em números suficientes para causar a morte. o Agentes infecciosos: esses agentes variam desde os vírus submicroscópicos às tênias grandes. o Reações imunológicas: as reações lesivas aos próprios antígenos endógenos são responsáveis por várias doenças autoimunes. As reações imunes a muitos agentes externos, tais como micro-organismos e substâncias ambientais, são também causas importantes de lesão celular e tecidual. o Defeitos genéticos: resultam em defeitos tão graves como nas malformações congênitas associadas com a síndrome de Down, causada por uma anomalia cromossômica. Os defeitos genéticos causam lesão celular por causa da deficiência de proteínas funcionais, como os defeitos enzimáticos nos erros inatos do metabolismo ou a acumulação de DNA danificado ou proteínas anormalmente dobradas, ambos disparando a morte celular quando são irreparáveis.

8 o Desequilíbrios nutricionais: principais causas de lesão celular. As deficiências proteico-calóricas geram um número espantoso de mortes, principalmente entre as populações desfavorecidas. Deficiências de vitaminas específi cas são encontradas em todo o mundo. Os problemas nutricionais podem ser autoinfligidos, como na anorexia nervosa (desnutrição autoinduzida). Ironicamente, os excessos nutricionais são também causas importantes de lesão celular. ALTERAÇÕES MORFOLÓGICAS NA LESÃO CELULAR Todos os estresses e influências nocivas exercem seus efeitos primeiramente ao nível molecular ou bioquímico. Há um período de tempo entre o estresse e as alterações morfológicas de lesão e morte celulares; a duração deste tempo pode variar com a sensibilidade dos métodos usados para detectar essas alterações. Por exemplo, na isquemia do miocárdio, a tumefação celular é uma alteração morfológica reversível que pode ocorrer em poucos minutos e pode progredir para a irreversibilidade dentro de 1 a 2 horas. Entretanto, as alterações inconfundíveis de morte celular, à microscopia óptica, podem não ser vistas até 4 a 12 horas após isquemia total.

9 A lesão reversível é caracterizada por tumefação generalizada da célula e suas organelas; formação de bolhas na membrana plasmática; destacamento dos ribossomos do RE e aglomeração da cromatina nuclear. Essas alterações morfológicas estão associadas com o decréscimo de geração de ATP, perda da integridade da membrana celular, defeitos na síntese de proteínas, danos ao citoesqueleto e danos ao DNA. Dentro dos limites, a célula pode reparar esses distúrbios e, se o estímulo nocivo atenuar-se, ela retornará à normalidade. No entanto, com lesão excessiva ou persistente, a célula passa do nebuloso ponto sem retorno para lesão irreversível e morte celular. Lesão reversível As duas características da lesão celular reversível podem ser reconhecidas com a microscopia óptica: tumefação celular (incapazes de manter a homeostasia iônica e líquida e é resultante da falha da bomba de íons dependente de energia na membrana plasmática) e a degeneração gordurosa (surgimento de vacúolos lipídicos grandes no citoplasma). Ao exame microscópico, podem ser observados pequenos vacúolos claros dentro do citoplasma; estes representam segmentos distendidos e separados do retículo endoplasmático. Esse padrão de lesão não letal às vezes é chamado de alteração hidrópica ou degeneração vacuolar. A tumefação celular é reversível. As alterações ultraestruturais da lesão celular reversível incluem: 1. Alterações da membrana plasmática, como formação de bolhas, apagamento e perda das microvilosidades; 2. Alterações mitocondriais, incluindo tumefação e o aparecimento de pequenas densidades amorfas; 3. Dilatação do retículo endoplasmático, com desprendimento dos polissomas; figuras de mielina intracitoplasmáticas podem estar presentes; 4. Alterações nucleares, com desagregação dos elementos granulares e fibrilares.

10 Necrose O aspecto morfológico da necrose resulta da desnaturação de proteínas intracelulares e da digestão enzimática das células lesadas letalmente (células colocadas imediatamente em fixadores estão mortas, mas não necróticas). As células necróticas são incapazes de manter a integridade da membrana e seus conteúdos sempre extravasam, um processo que pode iniciar infl amação no tecido circundante. As enzimas que digerem a célula necrótica são derivadas dos lisossomos das próprias células que estão morrendo ou dos lisossomos dos leucócitos que são recrutados como parte da reação infl amatória. A primeira evidencia histológica de necrose miocárdica aparece 4 a 12 horas depois. No entanto, devido à perda da integridade da membrana plasmática, as enzimas e proteínas específicas do coração são rapidamente liberadas do músculo necrótico, podendo ser detectadas no sangue a partir de 2 horas após a necrose das células miocárdicas. Morfologia: a célula necrótica possui uma aparência homogênea mais vítrea do que a de células normais, principalmente devido à perda de partículas de glicogênio. Quando as enzimas já digeriram as organelas citoplasmáticas, o citoplasma se torna vacuolado e parece roído por traças. As células mortas podem ser substituídas por massas fosfolipídicas grandes e espiraladas, chamadas de figuras de mielina, derivadas das membranas celulares lesadas. Alterações nucleares aparecem em um dos três padrões, todos devidos à degradação inespecífica do DNA. A basofilia da cromatina pode esmaecer (cariólise), uma alteração que, provavelmente, reflete a perda de DNA pela degradação enzimática das endonucleases. Um segundo padrão (observado também na morte celular apoptótica) é a picnose, caracterizada por retração nuclear e aumento da basofilia. Aqui, a cromatina se condensa em uma massa basofílica sólida e encolhida. No terceiro padrão, conhecido como cariorrexe, o núcleo picnótico sofre fragmentação. Com o decorrer do tempo (1 ou 2 dias), o núcleo da célula necrótica desaparece totalmente. Padrões de necrose tecidual Necrose de coagulação, liquefativa, gangrenosa, caseosa, gordurosa, fibrinoide. MECANISMOS DE LESÃO CELULAR Os mecanismos responsáveis pela lesão celular são complexos. Entretanto, há diversos princípios que são relevantes à maioria das formas de lesão celular. o A resposta celular ao estímulo nocivo depende do tipo de lesão, sua duração e sua gravidade. o As consequências da lesão celular dependem do tipo, estado e adaptabilidade da célula lesada. O estado nutricional e hormonal celular e suas necessidades metabólicas são importantes na sua resposta à lesão. o A lesão celular é resultante de diferentes mecanismos bioquímicos que agem em vários componentes celulares essenciais.

11 o Qualquer estímulo nocivo pode, simultaneamente, iniciar múltiplos mecanismos interconectados que lesam as células. Esta é uma razão pela qual é difícil relacionar a lesão celular em uma determinada situação a um único ou mesmo a um desarranjo bioquímico dominante. Serão descritos os mecanismos bioquímicos que podem ser ativados por diferentes estímulos nocivos e que contribuem para a lesão celular. Depleção de ATP A depleção de ATP e a redução de síntese de ATP são frequentemente associadas com lesão isquêmica e química (tóxica). O ATP é produzido de duas maneiras. A principal via nas células mamíferas é a fosforilação oxidativa do difosfato de adenosina, em uma reação que leva à redução do oxigênio pelo sistema de transferência de elétrons das mitocôndrias. A segunda é a via glicolítica, que pode gerar ATP na ausência do oxigênio usando glicose derivada dos líquidos corporais ou da hidrólise do glicogênio. As principais causas de depleção de ATP são a redução do suprimento de oxigênio e nutrientes, danos mitocondriais e a ação de algumas toxinas. A depleção de 5% a 10% dos níveis normais de ATP produz extensos efeitos em muitos sistemas celulares críticos: o A atividade da bomba de sódio na membrana plasmática dependente de energia (Na+, K+-ATPase ouabaína-sensível) é reduzida. Falha na bomba entra sódio sai potássio por difusão ganho isosmótico de água tumefação celular e dilatação do RE. o O metabolismo de energia celular é alterado. Quando o suprimento de oxigênio às células é reduzido, como na isquemia, a fosforilação oxidativa cessa, resultando em decréscimo do ATP celular e aumento associado de monofosfato de adenosina. Essas alterações estimulam as atividades da fosfofrutocinase e fosforilase, levando a uma taxa aumentada de glicólise anaeróbica. Em consequência, as reservas de glicogênio são rapidamente exauridas. A glicólise anaeróbica resulta em acúmulo de ácido lático e

12 Danos mitocondriais fosfatos inorgânicos da hidrólise de ésteres de fosfato. Isso diminui o ph intracelular, resultando na redução da atividade de muitas enzimas celulares. o A falência na bomba de Ca2+ leva ao infl uxo de Ca2+, com efeitos danosos em vários componentes celulares. o A depleção prolongada ou crescente de ATP causa o rompimento estrutural do aparelho de síntese proteica, manifestado como desprendimento dos ribossomos do retículo endoplasmático granular (REG) e dissociação dos polissomos, com consequente redução da síntese de proteína. o As proteínas se tornam anormalmente dobradas e iniciam uma reação chamada de resposta de proteína não dobrada que pode culminar em lesão e morte celular. o Por fim, necrose. As mitocôndrias podem ser danificadas por aumentos de Ca2+ citosólico, por espécies reativas de oxigênio e privação de oxigênio, sendo sensíveis a virtualmente todos os estímulos nocivos, incluindo hipoxia e toxinas. Além disso, mutações nos genes mitocondriais são a causa de algumas doenças herdadas. Há duas consequências principais dos danos mitocondriais: o Formação de um canal de alta condutância na membrana mitocondrial, chamado de poro de transição de permeabilidade mitocondrial. A abertura desse canal leva à perda do potencial de membrana da mitocôndria, resultando em

13 falha na fosforilação oxidativa e depleção progressiva de ATP, culminando na necrose da célula. Um dos componentes estruturais do poro de transição de permeabilidade mitocondrial é a proteína ciclofi lina D, que é um alvo da droga imunossupressora ciclosporina (usada para impedir rejeição do enxerto). o As mitocôndrias também sequestram entre suas membranas internas e externas várias proteínas que ativam as vias apoptóticas, incluindo o citocromo c e proteínas que ativam indiretamente enzimas que induzem apoptose, chamadas caspases. INFLUXO DE CÁLCIO E PERDA DA HOMEOSTASE DE CÁLCIO A isquemia e certas toxinas causam um aumento da concentração do cálcio citosólico, inicialmente por causa da liberação do Ca2+ armazenado intracelularmente e, mais tarde, do cálcio que resulta do influxo aumentado através da membrana plasmática. O aumento do Ca2+ intracelular causa lesão celular por vários mecanismos: o O acúmulo de Ca2+ nas mitocôndrias leva à abertura dos poros de transição de permeabilidade mitocondrial e, como descrito antes, à defi ciência na geração de ATP.

14 o O aumento do cálcio citosólico ativa um número de enzimas, com efeitos celulares potencialmente prejudiciais. Essas enzimas incluem as fosfolipases (que causam danos à membrana), proteases (que clivam as proteínas de membrana e do citoesqueleto), endonucleases (que são responsáveis pela fragmentação da cromatina e do DNA) e as ATPases (acelerando, assim, a depleção de ATP). o O aumento dos níveis de Ca2+ intracelular resultam, também, na indução da apoptose, através da ativação direta das caspases e pelo aumento da permeabilidade mitocondrial. Acúmulo de radicais livres derivados do oxigênio (estresse oxidativo) Os radicais livres são espécies químicas que possuem um único elétron não pareado em uma órbita externa. A energia criada por essa configuração instável é liberada através de reações com moléculas adjacentes, como as substâncias químicas inorgânicas ou orgânicas proteínas, lipídios, carboidratos, ácidos nucleicos muitas das quais são componentes essenciais das membranas e núcleos celulares. Além disso, os radicais livres desencadeiam reações autocatalíticas, através das quais as moléculas que reagem com eles são convertidas em radicais livres, propagando, assim, a cadeia de danos. As espécies reativas de oxigênio (ERO) são um tipo de radical livre derivado do oxigênio, cujo papel na lesão celular está bem estabelecido. Normalmente, são produzidas nas

15 células durante a respiração e geração de energia mitocondrial, mas são degradadas e removidas pelos sistemas celulares de defesa. Portanto, as células são capazes de manter um estado constante no qual os radicais livres podem estar presentes transitoriamente, embaixas concentrações, sem causar danos. Quando a produção de ERO aumenta ou quando os sistemas de remoção são inefi cientes, o resultado é um excesso destes radicais livres que levam a uma condição chamada estresse oxidativo. Lesão causada por esses compostos reativos sempre acompanha reações infl amatórias, durante as quais os leucócitos são recrutados e ativados. Geração de radicais livres: Remoção dos radicais livres: o As reações de redução-oxidação que ocorrem durante processos metabólicos normais. o Absorção de energia radiante (p. ex., luz ultravioleta, raios-x). A radiação ionizante pode hidrolisar a água em radicais livres hidroxila (OH ) e hidrogênio (H). o Surtos rápidos de ERO são produzidos em leucócitos ativados, durante a infl amação. o Metabolismo enzimático de substâncias químicas exógenas ou drogas podem gerar radicais livres que não são espécies reativas de oxigênio, mas produzem efeitos semelhantes. o Os metais de transição como o ferro e o cobre doam ou aceitam elétrons livres durante reações intracelulares e catalisam a formação de radicais livres como na reação de Fenton. o O óxido nítrico (NO), um mediador químico importante gerado por células endoteliais, macrófagos, neurônios e outros tipos celulares (Cap. 2), pode atuar como radical livre e também ser convertido no ânion peroxinitrito altamente reativo (ONOO ), bem como em NO2 e NO3. o Antioxidantes que bloqueiam o início da formação de radicais livres ou os inativam. São exemplos as vitaminas lipossolúveis E e A, bem como o ácido ascórbico e glutationa no citosol. o Conforme vimos, o ferro e o cobre podem catalisar a formação de espécies reativas de oxigênio. o Uma série de enzimas atua como sistemas de remoção de radicais livres e degradam o H2O2 e O2. Essas enzimas localizam-se próximas ao local de geração dos oxidantes e incluem as seguintes: 1. Catalase, presente nos peroxissomos, que decompõe o H2O2 (2H2O2O2+ 2H2O).

16 2. Superóxido dismutases (SODs) são encontradas em muitos tipos celulares e convertem o superóxido em H2O2 (2O2 + 2H H2O2 + O2). Esse grupo inclui a manganês-superóxido dismutase, que se localiza nas mitocôndrias e a cobrezinco-superóxido dismutase, que é encontrada no citosol. 3. A glutationa peroxidase também protege contra lesão catalisando a degradação de radicais livres (H2O2 + 2GSH GSSG [homodímero de glutationa] +2H2O ou 2OH + 2GSH GSSG + 2H2O). Efeitos patológicos dos radicais livres: o Peroxidação lipídica das membranas: na presença de O2, os radicais livres causam peroxidação dos lipídios dentro das membranas plasmáticas e das organelas. A lesão oxidativa é desencadeada quando as ligações duplas em ácidos graxos insaturados dos lipídios da membrana são atacadas por radicais livres derivados do O2, particularmente por OH. As interações lipídioradical livre geram peróxidos, que são instáveis e reativos, e sobrevém uma reação em cadeia autocatalítica (denominada propagação), que pode resultar em lesão extensa das membranas. o Modificação oxidativa das proteínas: os radicais livres promovem a oxidação das cadeias laterais de

17 aminoácidos, formação de ligações cruzadas proteínaproteína (p. ex., pontes dissulfeto) e oxidação do esqueleto da proteína. A modificação oxidativa de proteínas pode lesar os sítios ativos das enzimas, romper a conformação de proteínas estruturais e intensifi car a degradação pelos proteossomas de proteínas não dobradas ou anormalmente dobradas, gerando destruição em toda célula. o Lesões do DNA: os radicais livres são capazes de causar a quebra dos filamentos únicos e duplos do DNA, da ligação cruzada dos fi lamentos e a formação de complexos de adição. Defeitos de permeabilidade da membrana Mecanismos de lesão de membrana: Consequencias da lesão de membrana: o Espécies reativas de oxigênio. Os radicais livres do oxigênio causam lesão às membranas celulares através da peroxidação lipídica. o Diminuição da síntese de fosfolipídios. Nas células, a produção de fosfolipídios pode ser reduzida como consequência de um defeito na função mitocondrial ou hipoxia. o Aumento da degradação dos fosfolipídios. Uma lesão celular acentuada está associada com o aumento da degradação dos fosfolipídios da membrana, provavelmente devido à ativação de fosfolipases endógenas por elevação dos níveis de Ca2+ no citosol e nas mitocôndrias. o Anormalidades citoesqueléticas. Os filamentos do citoesqueleto funcionam como âncoras que conectam a membrana plasmática ao interior da célula. A ativação de proteases pelo cálcio citosólico aumentado pode danifi car os elementos do citoesqueleto. o Danos à membrana mitocondrial: como já discutidos, os danos às membranas mitocondriais resultam na abertura dos poros de transição de permeabilidade mitocondrial levando ao decréscimo de ATP, e liberação de proteínas que disparam a morte por apoptose. o Danos à membrana plasmática: os danos à membrana plasmática levam à perda do equilíbrio osmótico e influxo de líquidos e íons, bem como à perda dos conteúdos celulares.

18 o Lesão às membranas lisossômicas resulta em extravasamento de suas enzimas para o citoplasma e ativação das hidrolases ácidas, em ph intracelular ácido da célula lesada (p. ex., célula isquêmica). Os lisossomos contêm RNases, DNases, proteases, fosfatases, glicosidases e catepsinas. A ativação dessas enzimas leva à digestão enzimática das proteínas, RNA, DNA e glicogênio e a célula morre por necrose. Danos ao DNA e às proteinas Dois fenômenos caracterizam consistentemente a irreversibilidade da lesão celular a incapacidade de reverter a disfunção mitocondrial (perda de fosforilação oxidativa e de geração de ATP), mesmo depois da resolução da lesão original, e perturbações profundas na função da membrana. Como mencionado anteriormente, a lesão às membranas lisossômicas resulta na dissolução enzimática da célula lesada, que é característica da necrose. O extravasamento de proteínas intracelulares através da membrana da célula lesada e, por último, para a circulação fornece um meio de detectar lesão celular e necrose tecido-específi cas usando-se amostras de soro sanguíneo: biomarcadores de necrose.