Arthur Tributino Menezes

Quando olhamos para uma célula em um microscópio nos damos conta de quão pequenas elas podem ser, mas não imaginamos que dentro desta pequena célula há uma intrincada rede de comunicação. Através desta rede, os processos internos da célula são coordenados de maneira precisa, e as células interagem entre si e com o meio extracelular em uma troca de informações constante. A importância da precisão nestas trocas de informações é tal que as células desenvolveram estruturas especializadas para aperfeiçoar cada etapa. Assim, há estruturas específicas para enviar sinais, outras para reconhecer estes sinais, e ainda outras para decodificar e efetuar os processos correspondentes a cada sinal. Além disso, ao longo da evolução este sistema foi ficando cada vez mais complexo e otimizado, de modo que um único sinal pode ser enviado para desencadear uma série de processos paralelos diferentes entre si.
Neste texto, iremos estudar um pouco sobre cascatas de sinalização. Inicialmente, veremos como é o funcionamento geral de uma cascata de sinalização e quais componentes celulares estão envolvidos. Em seguida, estudaremos com mais detalhes algumas cascatas que são um pouco mais conhecidas.

Sinalização celular
Os diferentes processos que ocorrem no interior de uma célula são muitas vezes desencadeados por sinais que a célula recebe do ambiente extracelular. Dessa forma, a célula “sabe” o que deve fazer em determinadas situações de acordo com as condições do meio em que ela está.
Para exemplificar, imaginemos organismos unicelulares como bactérias e protozoários. Estes organismos podem “perceber” determinadas mudanças no meio onde vivem, como alterações de pH e temperatura, e desencadear processos metabólicos que auxiliem na sua preparação para se adequar a estas novas condições.
Ao pensarmos em células eucarióticas no tecido de um organismo mais complexo, como um vertebrado, por exemplo, o mecanismo é bem parecido.
Imaginemos, por exemplo, uma situação em que estamos em jejum, ou seja, quando já se passaram muitas horas desde a última vez que nos alimentamos. Nestas condições, os processos de mobilização de nossos estoques de energia, que estão armazenados na forma de glicogênio e gordura, estão a pleno vapor para suprir as demandas do nosso organismo. Já no momento em que acabamos de nos alimentar, outros processos são ativados no sentido de estocar a energia obtida dos alimentos novamente. Esta regulação se dá a nível celular, com a troca de informações entre células dos nossos diferentes tecidos.
Assim, as células podem receber estímulos para desencadear os mais variados processos, tais como: mobilizar estoques de energia bioquímica, entrarem em divisão, proliferação, crescimento, diferenciação, entrar em apoptose, migrar, mudar a sua morfologia, secretar determinada substância, atacar um patógeno, entre outras. E para que tais processos ocorram em um organismo complexo como o nosso, as células dos nossos vários tecidos precisam se comunicar entre si de maneira efetiva e organizada, e as cascatas de sinalização são uma das formas pelas quais isso ocorre.

De um modo geral e bem simplificado, as etapas do processo de sinalização celular são:

Estímulo → Ativação de receptor → Sinal químico dentro da célula → Sistemas efetores

Os estímulos enviados às células podem ser de diferentes tipos, desde estímulos físicos (mudança de temperatura, pH, trauma mecânico), estímulos luminosos (fotossíntese, fototaxia), estímulos químicos (aminoácidos, proteínas, nucleotídeos, esteroides, entre outros). Tais estímulos podem ser provenientes de outras células, do meio extracelular, ou ainda do ambiente externo ao organismo. As células então reconhecem estes sinais e desenvolvem respostas específicas aos mesmos, através de vias de sinalização, como veremos adiante.
As células apresentam receptores de superfície na membrana plasmática (em geral proteicos) para receber sinalizações do meio externo. Uma mesma célula pode apresentar diferentes tipos de receptores que irão responder a diferentes sinais. Os receptores de membrana são uma forma de a célula controlar e organizar os estímulos que recebe. Boa parte das moléculas sinalizadoras não pode atravessar a membrana plasmática, então é através dos receptores que estas moléculas irão desempenhar o seu papel e interferir no ambiente intracelular.
De um modo geral, a ligação de uma molécula a um receptor promove uma mudança conformacional neste último, o que pode resultar na abertura de um canal iônico, ou mesmo no recrutamento de outras moléculas intracelulares que interagem com a porção citoplasmática do receptor, dando início a uma cascata de sinalização. O resultado da interação do ligante com o receptor vai depender da natureza deste último (ver mais adiante). Seja qual for a alteração provocada pela ligação de uma molécula a um receptor, este evento inicial irá desencadear uma série de eventos posteriores envolvendo outras estruturas celulares e moléculas, de modo que a célula desenvolva a resposta adequada ao estímulo recebido. Por exemplo, uma célula pode responder a ligação de uma molécula sinalizadora promovendo a síntese de proteínas específicas envolvidas com a resposta em desenvolvimento, sendo que tais proteínas podem estar relacionadas com movimentação celular, diferenciação, mudança de forma da célula, etc.
Há ainda outro grupo de moléculas conhecidas como segundos mensageiros. Em geral, estas moléculas atuam como intermediárias entre os receptores de membrana e as demais moléculas envolvidas na sequência de uma via de sinalização. Íons cálcio (Ca²⁺), nucleotídeos cíclicos e lipídios são exemplos de moléculas que atuam como segundos mensageiros. Além disso, há proteínas que atuam na transmissão de informações entre os receptores e outras moléculas efetoras, como veremos mais adiante.
Nos sistemas efetores estão os componentes que irão promover, de maneira mais direta, as alterações celulares desencadeadas por cada sinal. Dentre eles estão fatores de transcrição (regulação da expressão gênica), enzimas metabólicas, componentes das vias de secreção celular, elementos do citoesqueleto (movimento, transporte intracelular e mudança de forma), proteínas que regulam o ciclo celular, canais iônicos e receptores de membrana.

Tipos de receptores
Dentre os tipos de receptores de membrana que as células apresentam estão:
• Sete hélices;
• Tirosinas quinases;
• Receptores de citocina;
• Serina/Treonina quinase
• Guanilil ciclase;
• Receptor TNF;
• Notch;
• Hedgehog

Receptores de sete hélices
É a maior família de receptores celulares de membrana plasmática. Como o próprio nome sugere, estes receptores apresentam em sua estrutura sete α-hélices que se encontram em um arranjo transmembranar, ou seja, estão no interior da membrana plasmática entremeados na bicamada lipídica, além de apresentarem porções extracelulares e também citoplasmáticas.
Este tipo de receptor é bastante abundante nas células olfativas de mamíferos, as quais estão relacionadas com o reconhecimento de diferentes odores. Eles também estão presentes em outras células, tendo nestas a função de responder à luz, aminoácidos, hormônios peptídicos e proteicos, catecolaminas e lipídios.
As moléculas sinalizadoras interagem em regiões específicas da parte extracelular deste tipo de receptor, promovendo em seguida um estímulo na porção transmembrana, as α-hélices, levando a uma alteração na porção citoplasmática de modo a criar um sítio de ligação para uma proteína G-alvo.
Geralmente, os receptores do tipo sete hélices requerem um ligante para entrarem em um estado ativo. Porém, há mutações que resultam em receptores defeituosos que permanecem em estado ativo mesmo sem a presença do ligante, levando ao desenvolvimento de alguns tipos de doenças em humanos, como a cegueira noturna, hiperparatireoidismo e puberdade precoce.

Receptores tirosinas quinases
Este tipo de receptores apresenta uma porção extracelular bastante variável. Em geral, eles apresentam uma estrutura simples, a qual se acredita que seja uma α-hélice, que atravessa a membrana plasmática. Tal organização permite às subunidades do receptor uma movimentação lateral no plano da membrana celular. A ligação de uma molécula sinalizadora normalmente promove a dimerização das subunidades do receptor. Este evento ativa uma quinase (enzima que promove fosforilação) do receptor, a qual promove a fosforilação e ativação de proteínas relacionadas com proliferação e diferenciação celular.
Os receptores tirosinas quinases possuem domínios citoplasmáticos específicos para a fosforilação de tirosina, daí o seu nome. Mutações que afetam receptores deste tipo estão relacionadas com câncer, e também algumas anormalidades congênitas que afetam o esqueleto, como nanismo e defeitos na fusão das suturas dos ossos do crânio.

Receptores de citocina
Os receptores de citocina em geral são compostos por duas ou 3 subunidades, sendo que a ligação da molécula sinalizadora à porção extracelular do receptor pode promover a dimerização ou uma mudança na conformação de dímeros já formados.
O domínio citoplasmático deste tipo de receptores, quando ativado, se liga a proteínas quinases denominadas JAKs. As JAKs ativas, por sua vez, fosforilam fatores de transcrição que migram para o núcleo para regular a expressão gênica.

Receptores serina/treonina quinase
Estes receptores são constituídos por um par de subunidades diferentes, sendo que cada uma possui um domínio citoplasmático serina/treonina quinase, daí o seu nome. Quando ativado, este receptor promove a ativação de fatores de transcrição relacionados ao controle de proliferação e diferenciação celular.

Receptores guanilil-ciclase
São diméricos e estão relacionados com a formação de GMPc a partir de GTP. A GMPc, por sua vez, regula canais iônicos, proteínas quinases e fosfodiesterases de nucleotídeos cíclicos.

Receptores TNF
Presentes em linfócitos (células do sistema imune) estão relacionados com funções do sistema imunológico, mas também têm um papel na regulação de morte e proliferação celular. Estes receptores ainda participam, de maneira indireta, na ativação do fator de transcrição NF-κB. Eles unem proteínas adaptadoras, que por sua vez recrutam proteínas quinases que irão ativar o fator de transcrição, o que leva a alterações na expressão gênica.

Receptores Notch
Estão relacionados com a regulação dos destinos de células durante o início do desenvolvimento embrionário.

Receptores Hedgehog
Juntamente com outras proteínas, possuem um papel importante no desenvolvimento embrionário de drosófilas, na definição de destinos celulares como no estabelecimento dos limites entre os segmentos do corpo em formação. Em vertebrados, há proteínas homólogas que regulam a diferenciação celular em diversos tecidos.

Segundos mensageiros
Segundos mensageiros participam da transmissão dos sinais no interior das células. Estão incluídos nesta categorias íons como o Ca²⁺, lipídios, nucleotídeos cíclicos (GMPc, AMPc), e também um gás (óxido nítrico).
Em geral, o efeito provocado por estes segundos mensageiros está relacionado com a sua concentração, a qual pode ser controlada pela célula regulando a sua taxa de síntese/degradação, ou ainda, no caso dos íons Ca²⁺, controlando a concentração local pela ativação de canais e bombas para promover o deslocamento destes íons entre um compartimento celular de reserva e o citoplasma.

Nucleotídios cíclicos
São eles o GMPc e o AMPc, os quais atuam ligando-se de maneira irreversível às suas proteínas-alvo. A concentração deste tipo de segundos mensageiros é controlada por enzimas relacionadas à vias de síntese e degradação dos mesmos, o que permite a amplificação de sinal em questão de milissegundos. Estes nucleotídeos cíclicos ativam uma série de alvos nas vias de sinalização nas quais participam, como proteínas quinases, canais iônicos, e fatores de troca de nucleotídeos para pequenas GTPases.

Segundos mensageiros lipídicos
Normalmente relacionamos os lipídios com funções estruturais, fazendo parte das membranas citoplasmáticas e também das membranas das organelas. Entretanto, há também lipídios que participam de vias de sinalização. Há 3 lipídios de membrana que são os precursores de moléculas sinalizadoras, sendo eles o fosfatidilinositol, fosfatidilcolina e esfingomielina. Estes lipídios precursores são processados em reações enzimáticas para dar origem às moléculas sinalizadoras.

Cálcio
Este íon atua na regulação de variados processos, como a contração muscular, sinapses, secreção, fertilização, citocinese.
Diferentes dos outros tipos de segundos mensageiros, que têm a sua concentração regulada pelas taxas de síntese/degradação, o controle da concentração citoplasmática de íons cálcio é feito através da libração/sequestro destes íons em compartimentos celulares, através de canais e bombas iônicas. Outra diferença é que os íons cálcio atuam localmente, e não globalmente como os outros mensageiros. Quando liberados, estes íons se mantém no local de liberação, pois apresentam uma taxa de difusão muito lenta através do citoplasma.

Óxido nítrico
Trata-se de um radical livre gasoso que se difunde de maneira rápida e livre através da membrana plasmática. Devido a esta característica, é um mensageiro que não se restringe a uma única célula, podendo passar de uma célula a outra. O óxido nítrico é produzido, por exemplo, no interior de macrófagos, os quais o utilizam para a destruição de microrganismos invasores e células de tumores. O óxido nítrico também atua no relaxamento de paredes de artérias e como neurotransmissor.

Integração de sinais
Até aqui vimos de forma bastante resumida e geral alguns dos componentes que fazem parte de vias de sinalização bastante complexas. Agora, vamos estudar um pouco sobre como estes diferentes componentes agem na propagação de sinais ao longo de diferentes vias.

Transdução de sinais por receptores de sete hélices/proteína G
Nesta seção, estudaremos vias relacionadas a dois sistemas sensoriais humanos bastante especializados: o olfatório e o visual, os quais envolvem respostas rápidas e alterações em escala de milissegundos. Em contrapartida, também veremos um pouco sobre a resposta de células ao hormônio epinefrina através de receptores β-adrenérgicos, os quais apresentam uma resposta mais lenta e mais global.

Percepção sensorial no olfato
O nosso olfato é um sistema altamente sensível, capaz de detectar concentrações mínimas de odorantes voláteis no ar e distingui-los entre si.
Inicialmente, as moléculas de odorantes ligam-se a proteínas presentes no muco que recobrem as narinas. Esta ligação é normalmente de baixa afinidade, de modo que os odorantes se dissociem com facilidade destes receptores e possam ligar-se aos cílios de neurônios olfatórios.
As moléculas de odorantes se ligam a receptores de sete hélices na membrana plasmática que recobre os cílios de neurônios sensoriais olfatórios, promovendo uma mudança conformacional nestes receptores. O receptor assim ativado catalisa a troca de GDP para GTP em proteínas G triméricas, levando a ativação de adenililciclases e promovendo a produção de AMPc, elevando então a concentração deste segundo mensageiro em questão de milissegundos. O AMPc então se liga a canais iônicos promovendo a despolarização da membrana do neurônio, o que desencadeia um potencial de ação que leva informação ao longo do axônio para neurônios secundários no cérebro, onde a informação olfativa é interpretada.
Por experiências cotidianas, sabemos que a percepção de um determinado odor em um ambiente é inicialmente forte, e vai se atenuando ao longo do tempo. Por exemplo, quando entramos em uma casa onde usam odorizadores de ambiente logo percebemos o aroma no ar, mas em seguida parece que a intensidade deste aroma vai diminuindo, até não percebermos mais a presença do mesmo.
Isso ocorre porque a percepção do odorante vai sendo atenuada por uma série de mecanismos que afetam as diferentes etapas que vimos acima. Dentre eles, está a natureza temporária da ativação das proteínas G triméricas, a auto-limitação da produção de AMPc, e a curta duração da despolarização da membrana celular que gera o potencial de ação.

Percepção visual na retina
A retina, camada de células que fica na parte posterior do olho em vertebrados, possui células fotorreceptoras capazes de capturar fótons e desencadear uma cascata de sinalização que levam a percepção visual.
Estas células fotorreceptoras são neurônios que detectam a taxa de estimulação por fótons provenientes do campo visual, e transmitem esta informação para níveis superiores de processamento visual na retina e no cérebro.
Os vertebrados apresentam dois tipos de fotorreceptores: os bastonetes e os cones. Os bastonetes detectam níveis baixos de luz e não diferenciam cores. Já os cones detectam níveis mais altos de luz, e apresentam um de três tipos de cromóforos para detectar diferentes comprimentos de onda, nos dando a capacidade de diferenciar cores.
Os cones e bastonetes apresentam uma proteína fotorreceptora conhecida como rodopsina, que é um receptor de sete hélices acoplado a proteína G e que possui um cromóforo absorvente de luz.
De um modo geral, as etapas de sinalização são as que seguem:
– Um cromóforo de uma rodopsina absorve luz e promove uma mudança de conformação no receptor;
– o receptor ativado catalisa a troca de GDP por GTP na proteína G acoplada;
– a proteína G ativa a enzima GMPc fosfodiesterase;
– a ativação desta enzima reduz rapidamente a concentração citoplasmática de GMPc;
– esta redução leva ao fechamento de canais regulados por GMPc, promovendo uma hiperpolarização na membrana plasmática;
– nesta condição, a taxa de liberação do neurotransmissor glutamato na sinapse entre este neurônio e o próximo na via de transmissão do sinal é reduzida. A alteração no padrão de liberação deste neurotransmissor irá desencadear outros eventos nos neurônios seguintes que fazem parte do circuito, levando a interpretação visual no cérebro e a percepção da imagem de maneira correta.

Receptores β-adrenérgicos
Aqui veremos um pouco sobre uma via que envolve a epinefrina (adrenalina) e receptores β-adrenérgicos. Dentre os vários processos que ocorrem no nosso organismo e que estão relacionados com estes componentes, iremos estudar a mobilização de estoques de glicogênio no fígado.
As etapas desta via são as que seguem:
– a ligação da epinefrina ao receptor β-adrenérgico ativa este receptor;
– este receptor ativo catalisa a troca de GDP por GTP em proteínas G triméricas, o que leva à dissociação das subunidades destas, as quais se separam e seguem caminhos diferentes para ativar seus alvos;
– uma das subunidades ativa a enzima adeniliciclase, a qual irá produzir várias moléculas de AMPc;
– em seguida, AMPc ativa PKA;
– a PKA ativa, então, amplifica o sinal através da fosforilação de outras moléculas de substrato. Além disso, a PKA também inibe uma fosfatase conhecida como fosfatase 1, a qual tem o papel de desfosforilar outra enzima, a fosforilase quinase (ver etapa seguinte);
– a fosforilase-quinase fosforila outra enzima, a fosforilase b, ativando-a. O papel da PKA aqui é o de inibir uma enzima que inativa (desfosforila) a fosforilase b, de modo a auxiliar o trabalho da fosforilase-quinase.
– finalmente, as enzimas fosforilase b ativas, que agora são denominadas fosforilase a, removem subunidades de glicose do glicogênio, produzindo glicose-6-fosfato, que então irá para a via glicolítica da célula para a produção de energia.

Vias de sinalização e expressão gênica
Agora veremos um pouco sobre vias que interferem no padrão de expressão gênica da célula.
Em alguns casos, as moléculas sinalizadoras atravessam a membrana plasmática e se ligam a receptores citoplasmáticos. Em seguida, este receptor combinado com o ligante vai para o núcleo onde participa de processos com outras proteínas para promover a transcrição de determinado gene.
Já os ligantes que não são capazes de atravessar a membrana plasmática se ligam a receptores nesta. A ativação destes receptores dá início a uma cascata que envolve outros componentes citoplasmáticos que levam a informação para o núcleo. Estes componentes citoplasmáticos podem ser proteínas quinases, como PKA e MAP quinases, que fosforilam e ativam fatores de transcrição no núcleo. Além disso, há outra estratégia adotada pela célula onde um fator de transcrição presente no citoplasma é ativado pelo receptor e migra para o núcleo.

MAP quinase
As MAP quinases são proteínas quinases ativadas por mitógenos (mitogen activated protein kinase), e em geral estão na terceira posição em uma cascata de sinalização, precedidas de duas outras quinases. Uma vez ativada, a MAP quinase migra para o núcleo e ativa fatores de transcrição, que assim regulam a expressão gênica. Dentre os genes assim regulados estão genes relacionados ao ciclo celular. A MAP quinase também participa da regulação da produção de nucleotídeos, necessários para a síntese de ácidos nucleicos (DNA e RNA).

Fatores de crescimento e MAP quinase
Fatores de crescimento são elementos que sinalizam e controlam o crescimento e proliferação nas células. Há fatores de crescimento que atuam, por exemplo, nas células da pele, controlando a proliferação e diferenciação de células epidérmicas. Como se poderia imaginar, mutações que afetem vias das quais participam fatores de crescimento podem levar ao crescimento de tumores, devido ao estímulo da proliferação celular.
De um modo geral, as vias que envolvem fatores de crescimento como sinalizadores e culminam com a ativação de fatores de transcrição no núcleo por uma MAP quinase seguem as seguintes etapas:
– o fator de crescimento se liga ao receptor na membrana da célula;
– as duas subunidades do receptor dimerizam, e ocorrem transfosforilações recíprocas nas porções citoplasmáticas destas subunidades. Desse modo, a atividade quinase deste receptor é ativada e ele passa a fosforilar outras tirosinas;
– essas tirosinas recém-fosforiladas são sítios de ligação para efetores subsequentes da via, como fosfolipase Cϒ1, fosfatidilinositol 3 – quinase, e a proteína adaptadora Grb2 ligada à proteína SOS;
– SOS, quando trazida para a membrana plasmática, promove a ativação de Ras, uma pequena GTPase;
– A Ras fornece um sítio de ligação para Raf-1 na membrana, o que leva à ativação desta última;
– A Raf-1 ativa MEK;
– A MEK ativa a MAP quinase;
– A MAP quinase entra no núcleo e ativa fatores de transcrição, os quais controlem genes relacionados ao ciclo celular.

Insulina e MAP quinase
A insulina é um hormônio proteico secretado por células do fígado logo após fazermos uma refeição. O estímulo para que isto ocorra é o aumento da concentração de glicose no sangue. Sendo assim, a liberação de insulina é uma resposta do corpo para aproveitar a disponibilidade deste nutriente no sangue e desencadear processos que levem à estocagem do mesmo.
Os receptores do hormônio insulina são encontrados em diversos tipos celulares, mas principalmente em adipócitos e células musculares. A ligação da insulina ao receptor promove a ativação do mesmo, o qual passa então a fosforilar proteínas adaptadoras que irão atuar em etapas subsequentes.
Para que a glicose seja captada do sangue as células utilizam um transportador de glicose conhecido como GLUT4. Inicialmente, estes receptores estão na membrana de vesículas no citoplasma das células. A ligação da insulina ao receptor promove a fusão destas vesículas à membrana plasmática da célula, de modo que os transportadores GLUT4, agora na membrana celular, passem a transportar glicose do sangue para o interior da célula. A glicose assim captada é utilizada na síntese de glicogênio (estocagem), lipídios e proteínas.

Para saber mais

The JAK/STAT signaling cascade in gastric carcinoma (Review). – Artigo de revisão sobre a cascata de sinalização JAK/STAT em carcinoma gástrico. Fala também sobre o potencial de utilizar JAK/STAT como alvos no tratamento deste tipo de carcinoma.

Disponível em: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26398764. Acesso em: 09/08/17.

Links interessantes!

Cell signals – vídeo mostrando alguns detalhes da participação de fibroblastos na cicatrização de uma ferida na pele. Entre outros eventos, os fibroblastos produzem e secretam fatores de crescimento para estimular a proliferação celular no reparo do tecido.

Anormalidades na sinalização celular no câncer – vídeo mostrando como alterações nas etapas de vias de sinalização favorecem a proliferação descontrolada de células dando origem a tumores. Também discute um pouco sobre a atuação de fármacos na tentativa de diminuir a proliferação destas células.

Referências

• Nelson, D. L. & Cox, M. M. 2011. Princípios de Bioquímica de Lehninger. 5ª ed. Artmed;
• Pollard, et al. 2006. Biologia celular. 1ª ed. Elsevier