MECANISMOS DA AÇÃO HORMONAL *

MECANISMOS DA AÇÃO HORMONAL * Introdução As várias funções do organismo devem ser capazes de responder, de forma coordenada e apropriada, a diversas modificações físicas e químicas, provenientes de dentro ou de fora do organismo. Os sistemas, nervoso, e endócrino, são, estudados em separado, porém atuam de forma integrada na regulação do metabolismo. No primeiro, a comunicação opera através de neurotransmissores, tais como a noradrenalina, acetilcolina ou serotonina, que cobrem uma curtíssima fenda sináptica existente entre os neurônios. No segundo agem mensageiros químicos denominados hormônios, que são sintetizados e armazenados nas glândulas endócrinas, e prontos para serem liberados na corrente circulatória pelo processo exocitose quando requeridos. Uma vez na corrente circulatória, os hormônios podem atingir células-alvo distantes, e a retenção e absorção, são dependentes de receptores específicos com alta afinidade, localizados na superfície da membrana plasmática da célula, ou no núcleo celular. Eles são moduladores de reações enzimáticas do metabolismo, participando de funções específicas, como crescimento celular, tissular, metabolismo. Classificação química dos hormônios Os hormônios podem ser divididos em quatro grupos, baseados na sua estrutura química, forma de síntese e armazenagem, solubilidade, meia-vida, forma de transporte, receptores na célula e mecanismo de ação: Peptídeos Estes hormônios são compostos por aminoácidos, podendo ser de 3 aminoácidos (TRH), até mais de 180 aminoácidos. Podem ser referidos como peptídeos ou polipeptídeos, ou proteínas, dependendo do seu comprimento de cadeia específica. É o grupo mais numeroso de hormônios. Os principais locais de produção são o hipotálamo, hipófise, ilhotas pancreáticas, placenta, paratireóide e trato gastrointestinal. * Seminário apresentado pelo aluno Carlos Alberto Brigoni e Silva na disciplina BIOQUIMICA DO TECIDO ANIMAL, no Programa de Pós-Graduação em Ciências Veterinárias da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, no primeiro semestre de 2010. Professor responsável pela disciplina: Félix H. D. González. 1

Esteróides Produzidos a partir do colesterol, nos tecidos esteroidogênicos das adrenais, gônadas, placenta. Nas adrenais são produzidos os glicocorticóides (cortisol, corticosterona e cortisona), e os mineralocorticóides (aldosterona). As gônadas produzem os andrógenos (testosterona), estrógeno e progesterona. A placenta, durante a gestação é uma fonte de estrógeno e progesterona. Neste grupo está incluída a vitamina D 3 ativa (1,25-dihidroxi-colecalciferol). Aminas Produzidos pela medula adrenal, algumas células nervosas, e a tireóide. Tem as catecolaminas e as iodotironinas. Os mecanismos de ação das catecolaminas são similares aos peptídeos. As iodotironinas têm o seu mecanismo similar aos hormônios esteroidais. Eicosanóides São produzidos exclusivamente na membrana plasmática das células de quase todos os tecidos e podem ser considerados como segundos mensageiros intrecelulares. São derivados do ácido araquidônico, liberado por fosfolipídeos originados da ação das fosofolipases, ativadas por estímulos hormonais. O ácido araquidônico é formado essencialmente por ácidos graxos, principalmente o ácido linoléico. Os eicosanóides incluem as prostaglandinas, os leucotrienos e os tromboxanos. Características da atividade hormonal Os hormônios são considerados, como aquelas substâncias produzidas pelos órgãos endócrinos, cuja secreção vai para a corrente sanguínea. Na secreção exócrina, os produtos vão para o exterior do organismo ou trato gastrointestinal. São reconhecidos também, como hormônios, as substâncias produzidas pelos neurônios, como é o caso da vasopressina e da ocitocina, secretadas pelo nervo supraóptico e paraventricular do hipotálamo (Figura 1). Também são considerados como hormônios, algumas substâncias presentes em zonas do cérebro com funções de neurotransmissores, como hormônios liberadores do hipotálamo (GnRH, TRH, CRH, somatostatina) e alguns hormônios da pituitária (ACTH, β-endorfinas). Outros hormônios são sintetizados por células disseminadas em determinados tecidos e não por órgãos endócrinos definidos. Outros hormônios são produzidos no sangue, por ação enzimática sobre um precursor, como a angiotensina, ou a vitamina D 3, produzida na pele, a partir de precursores exógenos. 2

A secreção hormonal pode obedecer a estímulos, estabelecendo ciclos ou ritmos de vários tipos, tais como ritmo circadiano (diário), ultradiano (horas), circalunar (mensal). Alguns hormônios, não entram na circulação sanguínea, mas podem ir até a célula-alvo por difusão passiva, como algumas prostaglandinas. Os hormônios esteróides e tireoideanos, são transportados pelo sangue, mediante proteínas específicas, e isso limita sua difusão através dos tecidos, mas os protege da degradação enzimática. Os hormônios devem estar na forma livre para poderem, entrar nas células-alvo, tendo um equilíbrio na forma livre e forma unida. Figura 1. Sistema hipotálamo-hipófise. Os mecanismos que controlam a secreção dos hormônios, estão basicamente centralizados na regulação do tipo feedback. Podem ser simples, os quais estão relacionados com o equilíbrio homeostático dos metabólitos, eletrólitos, fluídos biológicos. Um exemplo seria a manutenção dos níveis plasmáticos de Ca 2+ e glicose no sangue. Uma queda de Ca 2+ plasmático, leva à produção de PTH pela paratireóide (feedback negativo), e uma aumento de dos níveis de glicose sanguínea, leva a um aumento da produção de insulina pelas ilhotas pancreáticas (feedback positivo). Existe um mecanismo de feedback mais complexo, e estes podem ser de alça longa, sendo predominantemente negativos, nos quais os hormônios secretados pelos órgãos efeitores (esteróides sexuais, glicocorticóides, hormônios tireoideanos), têm efeito negativo sobre a secreção dos hormônios tróficos hipofisários (LH, FSH, ACTH, TSH) e sobre os hormônios hipotalâmicos (GnRH, CRH, TRH). Podem ser também de alça curta ou de alça ultracurta, que funcionam em nível do eixo hipotálamo-hipófise, de forma mais rápida. Os hormônios 3

hipotalâmicos são liberados, obedecendo a uma regulação negativa, podendo exercer um efeito positivo (liberador), ou negativo (inibidor). Os hormônios também podem ser liberados através de controle do sistema nervoso. Um exemplo seria o efeito da luz sobre a atividade reprodutiva em algumas espécies, como ovinos, eqüinos, aves. O número de horas de exposição à luz influencia no hipotálamo, modificando a secreção dos hormônios hipofisários gonadotrópicos, mediante a ação da melatonina, que é um hormônio produzido pela glândula pineal. Mecanismos de ação hormonal Todos os hormônios atuam através de receptores específicos presentes nas células-alvo. Os receptores fornecem o meio pelo qual os hormônios interagem inicialmente com as células, e podem se localizar na membrana plasmática, citosol e no núcleo celular. São proteínas as quais, os hormônios correspondentes, com alta especificidade e afinidade, provocam mudanças conformacionais que desencadeiam reações modificadoras do metabolismo da célula-alvo, constituindo a resposta celular. Os receptores não são componentes fixos, podendo variar o número de receptores para cada tipo de célula, com isso variando o grau de resposta. A união hormônio-receptor é forte, mas não covalente, sendo equivalente à união de um efetor alostérico com a enzima que o regula. O sítio de união é esteroespecífico, onde somente se une o hormônio correspondente ou moléculas similares. As estruturas análogas, denominadas agonistas, se unem aos receptores, ocasionando os mesmos efeitos que o hormônio. Em oposição aquelas estruturas, cuja união ao receptor não causa efeito hormonal, por bloquear os receptores, são chamados de antagonistas. Existem dois tipos de mecanismos de ação hormonal (Figura 2). A. Os hormônios que possuem seus receptores na superfície externa da membrana plasmática das células-alvo, costumam exercer seus efeitos, pela alteração da permeabilidade da membrana, ou pela ativação de enzimas, a adenilciclase e a guanilciclase produzindo AMPc e GMPc respectivamente, conhecidos como segundos mensageiros e que têm suas concentrações aumentadas no interior da célula em resposta ao hormônio primário, regulando e modificando a velocidade de transcrição de genes específicos. Os hormônios deste grupo são transportados de forma livre pela corrente circulatória, sendo um mecanismo de ação mais rápido causando rápidas modificações metabólicas. O tempo de ação destes hormônios é de minutos ou segundos. As catecolaminas e os hormônios peptídeos utilizam este método. 4

B. Os hormônios que podem atravessar a membrana plasmática das células-alvo têm os seus receptores localizados no núcleo celular. Os hormônios devem atravessar a membrana plasmática e o citosol até chegar ao núcleo. A interação hormônio-receptor altera diretamente a transcrição de genes específicos, o que requer tempo para síntese de RNAm no núcleo e a subsequente síntese de proteínas nos ribossomos. Os hormônios são transportados ligados a proteínas específicas, e os esteroides e hormônios tireoideanos, utilizam este mecanismo e o tempo de ação é de horas e até dias. Figura 2. Tipos de mecanismos de ação. Os segundos mensageiros Os segundos mensageiros são substâncias que tem suas concentrações elevadas dentro das células em resposta a um hormônio primário, com a função de transmitir o sinal primário hormonal e traduzi-lo em alterações metabólicas dentro da célula-alvo. Como exemplos de segundos mensageiros, têm AMPc, GMPc, cálcio, proteínas-quinases, derivados do fosfatidil-inositol e a ação hormonal mediada por receptores nucleares. 5

AMPc O AMPc é o mediador comum da ação de muitos hormônios. É formado pela ativação de uma enzima plasmática, adenilciclase, que converte ATP em 3`-5`-adenosina monofosfato cíclica (AMPc), como consequência da interação entre um hormônio e seu receptor específico. Esta enzima pode ser estimulada ou inibida, mediante mecanismos que envolvem complexos protéicos regulatórios localizados na membrana plasmática ou proteína reguladora do nucleotídeo guanina, conhecidos como Gs, e Gi, que possuem subunidades, e. As Gs estão localizadas no lado citosólico da membrana plasmática, e se unem a um nucleotídeo, o GTP (trifosfato de guanosina), estimulando a produção de AMPc, pela ativação da adenilciclase (Figura 3). A proteína Gs está inativa, quando a subunidade está unida ao GDP. Quando ocorre a união hormônio-receptor, ocorre a fosforilação do GDP em GTP, tornando a Gs ativada. As subunidades, e, dissociam-se da subunidade. A subunidade Gs, quando unida ao GTP, se desloca na membrana, desde o receptor até uma molécula de adenilciclase, ocorrendo sua ativação. Depois de ativada, a adenilciclase catalisa a produção de AMPc a partir de ATP. Quando a subunidade Gs se reassocia com as subunidades, e, a Gs torna a estar disponível para uma nova interação com o complexo hormônio-receptor. O sinal continua dentro da célula com a união do AMPc a uma proteína quinase (proteína quinase A) que ativada, fosforila uma proteína, nos grupos hidroxila dos aminoácidos Thr e Ser, e esta proteína pode induzir mudanças em rotas metabólicas. A ação das proteínas-quinases é reversível pela ação de fosfatases específicas, as quais defosforilam as proteínas substrato das proteínas-quinases inativando-as. O estado de fosforilação ou defosforilação das proteínas substrato é o que determina sua atividade fisiológica. Um exemplo seria a enzima que degrada o glicogênio, a glicogênio-fosforilase a, que é ativa quando é fosforilada, enquanto que a enzima que sintetiza o glicogênio, a glicogênio-sintetase, é ativa quando defosforilada. Como as diferentes células têm receptores específicos para os diferentes hormônios, o AMPc opera como um metabólito comum para a ação de vários hormônios. Assim, cada célula tem diferentes enzimas que reconhecem diferentes hormônios, mas que são afetadas pelo AMPc. Alguns hormônios atuam inibindo a adenilciclase, diminuindo os níveis de AMPc, evitando a fosforilação de proteínas específicas. Estes hormônios ao se unirem a seus receptores específicos ativam uma proteína G inibidora (Gi), homóloga estruturalmente a Gs. Ela atua de forma similar a Gs, se unindo ao GTP para ativar-se, porém ocorre a inibição da adenilciclase, diminuindo os níveis de AMPc. As catecolaminas e adrenérgicas, insulina, glucagon somatostatina e as prostaglândinas PGE 1 e PG 2, agentes opiáceos, LH, FSH, TSH, hcg, GnRH, PTH, calcitonina, utilizam este mecanismo. 6

Figura 3. Mecanismo de ação regulado pelo AMPc. GMPc O guanosina-monofosfato cíclico (GMPc), é outro nucleotídeo que atua como segundo mensageiro, especialmente nas células do epitélio intestinal, coração, vasos sanguíneos, cérebro e dutos coletores renais. A ação GMPc, varia conforme o tecido. É derivado da conversão da guanosina trifosfato (GTP), pela ação da enzima guanilciclase. Os níveis de GMPc são 5% dos níveis de AMPc e podem ser aumentados pela ação de vários hormônios ou neurotransmissores, com acetilcolina, insulina, somatostatina, angiotensina e prostaglandinas, com isso acredita-se que o GMPc é intermediário de efeitos opostos aos efeitos do AMPc. Em muitos tecidos, os nucleotídeos cíclicos têm um papel contrastante, como na contração e relaxamento muscular. O GMPc está relacionado com a contração da musculatura lisa, e o relaxamento com a elevação do camp. Em tecidos excitáveis, como os músculos ou células nervosas, a despolarização é correlacionada com GMPc, e a hiperpolarização é relacionada ao AMPc. Existem substâncias que atuam através do GMPc. O fator natriurético atrial (ANF) é produzido por ativação da guanilciclase das membranas das células atriais do coração quando ocorre um aumento do volume circulatório de sangue, ocasionando uma dilatação do átrio. O ANF, também ativa a guanilciclase nas células coletoras dos túbulos renais, para aumentar a excreção de Na +, aumentando a excreção de água, diminuindo o volume circulatório. A pressão sanguínea é reduzida pela ação do ANF, mediante a GMPc, causando vasodilatação. Nas células do intestino, um receptor de membrana que atua com a guanilciclase, pode ser ativado por uma toxina bacteriana, produzida pela E. coli, resultando em aumento da absorção de água na luz intestinal, ocasionando diarréia. A forma isoenzimática da guanilciclase no citosol é uma proteína associada ao grupo heme, estimulada pelo óxido nítrico, produzido a partir da arginina, pela ação da enzima NO-sintetase, dependente de Ca +. O GMPc produzido pela ação da guanilciclase, estimulada pelo óxido nítrico, causa diminuição da contração cardíaca. Ocorre um estímulo da bomba iônica que mantém baixa a concentração de Ca + no citosol da célula cardíaca. Em muitos casos, o aumento 7

dos níveis do GMPc é estimulado pelo fluxo de Ca + no interior da célula, porque possivelmente esse íon é ativador da guanilciclase. O GMPc, assim como o AMPc, é hidrolisado por fosfodiesterases específicas. Cálcio O cálcio é um importante regulador de vários processos celulares, e atua também como um segundo mensageiro de ação hormonal. É essencial para ativação da fosfolipase A 2, sendo requerido para a transdução do sinal entre o receptor hormonal e a adenilciclase ou a guanilciclase. Hormônios podem translocar Ca 2+ para o citosol que funciona tanto nos processos de ativação enzimática, ou contração celular. Ele pode agir como um inibidor da atividade da adenilciclase, e pode aparecer como estimulador da atividade cíclica da fosfodiesterase dos nucleotídeos. O Ca 2+ é requerido em alguns sistemas celulares, pois promove a interação entre o receptor hormonal e os nucleotídeos. A concentração de Ca 2+ extracelular é maior que a intracelular (5 mm vs. 0,1-10 mm respectivamente). A concentração citosólica de Ca 2+ é mantida em baixa concentração, mediante uma bomba de Ca 2+ no retículo endoplasmático, nas mitocôndrias e nas membranas plasmáticas, sendo a entrada de Ca 2+ é restrita e ocasionada por estímulos neuronais ou hormonais. A ação do Ca 2+ é regulada por uma proteína chamada de calmodulina, ou proteína reguladora cálcio dependente (CDR). Ela possui quatro sítios de união com Ca 2+, os quais provocam uma mudança conformacional quando estão ocupados, relacionada com a habilidade da calmodulina para ativar ou inativar enzimas (Figura 4). Derivados do fosfatidil-inositol Na membrana plasmática, existe uma enzima hormônio-sensível chamada de fosfolipase C, que atua especificamente sobre o fosfotidil-inositol-4,5-difosfato, catalisando sua hidrólise em diacilglicerol (DAG) e inositol-1,4,5-trifosfato (ITP). Esses dois compostos podem agir como segundo mensageiro da ação hormonal. O diacilglicerol é um ativador de proteínas-quinases, fosforilando proteínas específicas na membrana plasmática, e no citoplasma. O inositol trifosfato libera íons de cálcio armazenados no retículo endoplasmático, com isso acredita-se que o ITP seja o integrador entre o hormônio e a mobilização de cálcio das reservas intracelulares. Estes mecanismos têm um papel importante no metabolismo do ácido araquidônico, precursor de algumas prostaglandinas. TRH, ACTH, LH, angiotensina II, serotonina e vasopressina, são alguns dos hormônios que atuam por este mecanismo. 8

Figura 4. Mecanismo de ação regulado pelo cálcio. Proteínas-quinases como intermediários da ação hormonal As proteínas-quinases são enzimas multifuncionais presentes na membrana plasmática. Um fator comum nos sinais de transdução hormonal seja através da adenilciclase, guanilciclase, cálcio/calmodulina, fosfolipase C, é a regulação sobre a atividade de uma proteína-quinase. É uma enzima multifuncional, presente na membrana plasmática das células. Existem centenas de proteínas-quinases, cada uma com seu sítio ativador específico e sua própria proteína substrato. A adição, de grupos fosfatos a resíduos dos aminoácidos Ser, Thr ou Tyr, introduz grupos carregados eletricamente em uma região moderadamente polar. Quando a modificação ocorre em uma região crítica para a estrutura tridimensional da proteína, devem ocorrer modificações em sua conformação, com isso, modificando sua atividade catalítica. Como resultado, os resíduos dos aminoácidos Ser, Thr ou Tyr, que podem ser fosforilados, e estão localizados em sequências-consenso da proteína, isto é, sequências repetidas que são reconhecidas pela proteína-quinase específica. Para poder servir como um mecanismo regulatório efetivo, a fosforilação causada pelas proteínas-quinases deve ser reversível, de modo a permitir o retorno ao nível anterior de estimulação quando o sinal hormonal terminar. 9

Ação hormonal mediada por receptores nucleares A ação de hormônios, mediados por receptores nucleares, ocorre quando, após atravessarem a membrana plasmática por difusão simples, pois são constituídos de moléculas lipofílicas, entram no citosol e alcançam o núcleo (Figura 5). O complexo formado da união hormônio-receptor ativado, se une a regiões específicas do DNA para ativar ou inativar genes específicos, afetando a transcrição e a produção do mrna respectivo. Existe um elemento sensível a hormônio (HRE) na região regulatória do DNA, perto do elemento promotor que regula a freqüência da iniciação da transcrição, de forma similar aos genes facilitadores (enhancers). O RNAm é depois traduzido nos ribossomos para produzir a proteína específica que causa a resposta metabólica. As sequências de DNA dos HRE, aos quais se une o complexo hormônio receptor, são similares em comprimento, porém diferentes em sequência para os hormônios esteroidais. Para cada receptor, há uma sequência-consenso, à qual se une o complexo hormônio receptor. Cada sequência-consenso de HRE consiste de duas sequências de seis nucleotídeos, que podem estar vizinhas entre si ou separadas por três nucleotídeos. A habilidade de determinado gene em alterar a expressão de um gene em determinada célula depende da sequência exata de HRE e sua posição relativa no gene, bem como da quantidade de HREs associados ao gene. Figura 5. Mecanismo de ação mediado por receptores nucleares. 10

Referências bibliográficas GONZALEZ, F. H. Características dos hormônios. In: Introdução à endocrinologia reprodutiva veterinária. Editora da UFRGS. 2006. Cap.1, p. 1-16. GONZALEZ, F. H., CERONI da SILVA, S. Bioquímica hormonal. In: Introdução à bioquímica hormonal. 2.ed. Porto Alegre (RS): Editora da UFRGS. 2006. Cap.7, p. 251-312. DICKSON,W.M. Glândulas endócrinas. In: SWENSON,J. M. Dukes, Fisiologia dos animais domésticos. 10.ed. Rio de Janeiro (RJ): Editora Guanabara Koogan. 1988. Cap. 48, p. 659 687. HADLEY, M. E. General mechanisms of hormone action. In: Endocrinology. 2.ed. New Jersey (US): Editora Prentice Hall. 1988. Cap. 4, p. 56-84. HURLEY, J. H. The adenylyl and guanylyl cyclase superfamily. Current Opinion in Structural Biology. v. 8, p. 770-777, 1998. NORMAN, A. W., LITWACK, G. General considerations of hormones. In: Hormones. 1.ed. California (US): Academic Press. 1987. Cap. 1, p. 2-49. 11