Biologia universitária — 2.º ano · Bachelor Year 2

19Mensageiros químicos e transdução de sinais

Uma única molécula de adrenalina que chega à superfície de uma célula do fígado nunca entra nela. Ela se liga a uma proteína do lado de fora, muda a forma dessa proteína e, em um segundo, a célula produziu dez mil moléculas de um segundo mensageiro, ativou cem mil moléculas de enzima e começou a liberar um milhão de moléculas de glicose — uma cadeia de amplificações de um milhão de vezes, iniciada por um sinal que ficou do lado de fora da porta. Este capítulo trata dos mensageiros que as células enviam umas às outras e de como uma célula converte uma mensagem em sua superfície numa mudança de sua química, de seus genes ou de sua forma: os receptores, os segundos mensageiros, as cascatas de quinases e os dois modelos — a sinalização rápida e por fios dos nervos e a sinalização lenta e difundida dos hormônios — cujo contraste atravessa o resto deste livro.

19.1 Os mensageiros

Definição 19.1 (Tipos de sinalização química)

Uma célula sinaliza a outra por meio de uma molécula secretada, um mensageiro ou ligante, que se liga a um receptor na célula-alvo ou dentro dela. Pelo alcance: a sinalização endócrina, na qual um hormônio é liberado no sangue por uma glândula e chega a todas as células do corpo, agindo apenas sobre as que têm o receptor, ao longo de minutos a horas (insulina, cortisol, adrenalina, tiroxina); a sinalização parácrina, na qual o mensageiro se difunde até as células vizinhas, a menos de um milímetro, e é destruído no caminho (fatores de crescimento, histamina, prostaglandinas, os morfógenos do Capítulo 10); a autócrina, em que a célula sinaliza a si mesma; e a sináptica, na qual um neurônio libera um neurotransmissor através de um espaço de $20\,\mathrm{nm}$ sobre uma única célula-alvo, em um milissegundo (Capítulo 20). Pela química: os mensageiros hidrossolúveis — derivados de aminoácidos, como a adrenalina, peptídeos e proteínas, como a insulina — não conseguem atravessar a membrana e agem sobre receptores de superfície; os mensageiros lipossolúveis — os esteroides (cortisol, estradiol, testosterona), a tiroxina, o ácido retinoico, o óxido nítrico — a atravessam e agem sobre receptores internos. Os sistemas endócrino e nervoso são as duas maneiras pelas quais um corpo de $10^{13}$ células se coordena: um transmite lentamente para todos, o outro liga rapidamente por fio a alguém.

Três alcances da sinalização química: um hormônio difundido pelo sangue a todas as células que têm seu receptor; um fator parácrino que chega às vizinhas; um neurotransmissor entregue através de uma sinapse a uma única célula.

Teorema 19.2 (A ocupação dos receptores)

Um receptor $R$ se liga de modo reversível a seu ligante $L$ , $R + L \rightleftharpoons RL$ , com uma constante de dissociação $K_d = [R][L]/[RL]$ . No equilíbrio, a fração de receptores ocupados é

\theta = \frac{[RL]}{[R]_{\text{tot}}} = \frac{[L]}{K_d + [L]},

a mesma hipérbole da saturação de uma enzima. $K_d$ é a concentração na qual metade dos receptores está ocupada e mede a afinidade: quanto menor, mais forte. Os receptores hormonais têm $K_d$ na faixa de nanomolar a picomolar, ajustada às concentrações em que os hormônios circulam ( $10^{-12}$ a $10^{-9}$ mol/L): com $[L] = K_d/10$ , um décimo está ocupado; com $10K_d$ , nove décimos. Uma célula não consegue responder a um hormônio para o qual não tem receptores, e ajusta sua sensibilidade mudando o número de receptores, ou — como no Capítulo 9 — retirando-os quando o hormônio está constantemente presente.

Demonstração. Com $[R] = [R]_{\text{tot}} - [RL]$ , $K_d = ([R]_{\text{tot}} - [RL])[L]/[RL]$ , de modo que $[RL](K_d + [L]) = [R]_{\text{tot}}[L]$ , que é a fórmula. É a expressão de Michaelis–Menten do volume do Ano 1 sem a etapa catalítica. ∎

Ocupação dos receptores em função da concentração do ligante, em escala logarítmica: a resposta de uma célula vai de um décimo a nove décimos numa faixa de concentração de cem vezes centrada em K_d. — Ocupação dos receptores em função da concentração do ligante, em escala logarítmica: a resposta de uma célula vai de um décimo a nove décimos numa faixa de concentração de cem vezes centrada em $K_d$ .

19.2 Os receptores de superfície

Proposição 19.3 (Os receptores acoplados à proteína G e o AMP cíclico)

A maior família de receptores — cerca de $800$ genes no ser humano, para hormônios, neurotransmissores, odores, luz — é formada por proteínas que atravessam a membrana sete vezes. Um ligante que se liga do lado de fora muda sua forma do lado de dentro, onde elas ativam uma proteína G: um interruptor de três subunidades que troca seu GDP ligado por GTP, se separa e, em sua forma ligada ao GTP, regula uma enzima efetora durante alguns segundos, antes de hidrolisar o GTP e se desligar. O efetor clássico é a adenilil ciclase, que produz AMP cíclico a partir do ATP: um pequeno segundo mensageiro difusível cuja concentração sobe em segundos de $0.1\,\text{µ}\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ a vários micromolares e que ativa a proteína quinase A, uma enzima que fosforila — e assim liga ou desliga — dezenas de proteínas-alvo. O sinal é encerrado pela fosfodiesterase, que destrói o AMPc, e pelas fosfatases, que removem os fosfatos. A adrenalina age assim sobre uma célula hepática: receptor $\to$ proteína G $\to$ ciclase $\to$ AMPc $\to$ quinase A $\to$ fosforilase quinase $\to$ glicogênio fosforilase $\to$ glicose. O glucagon usa a mesma via; outras proteínas G inibem a ciclase, ou ativam a fosfolipase C, que libera dois outros segundos mensageiros, o inositol trifosfato — que abre os estoques de cálcio — e o diacilglicerol.

Evidências. Sutherland (1957) mostrou que a adrenalina acrescentada a um homogeneizado de fígado só liberava glicose se houvesse membranas presentes, que as membranas produziam um fator termoestável que, por si só, ativava a fosforilase na fração sem membranas, e que esse fator era o AMP cíclico — o primeiro segundo mensageiro, e a primeira demonstração de que um hormônio age na superfície da célula por meio de um intermediário intracelular. Rodbell e Gilman (década de 1970) verificaram que a ciclase precisava de GTP e isolaram a proteína G que leva o sinal entre o receptor e a enzima; a toxina colérica, que trava a proteína G em seu estado ligado, faz o intestino secretar litros de líquido por dia — a doença é um defeito de sinalização. ∎

A via do AMP cíclico, da adrenalina à glicose. Cada etapa ativa muitas cópias da seguinte: uma única molécula de hormônio termina em um milhão de moléculas de produto.

Teorema 19.4 (A amplificação numa cascata)

Se cada uma das $n$ etapas de uma cascata ativa $a$ moléculas da seguinte durante o tempo de vida de sua própria ativação, uma molécula de mensageiro produz $a^{n}$ moléculas do produto final. Com quatro etapas amplificadoras de cem cada — um receptor ativando cem proteínas G, uma ciclase produzindo cem AMPc, uma quinase fosforilando cem enzimas, uma enzima liberando cem moléculas de glicose —, $a^{n} = 10^{8}$ ; na prática, cerca de um milhão, em poucos segundos, a partir de um hormônio a $10^{-9}$ mol/L. A amplificação explica por que os hormônios podem ser eficazes em concentrações um milhão de vezes menores que as dos metabólitos que controlam, e por que a cascata precisa ser desligada em cada etapa: um amplificador que não pode ser desligado é uma doença (a cólera, e os muitos cânceres em que uma proteína de sinalização fica travada no estado ligado).

Demonstração. A etapa 1 produz $a$ moléculas ativas; cada uma delas produz $a$ na etapa 2, dando $a^{2}$ ; por indução, $a^{n}$ após $n$ etapas. O ganho de cada etapa é o número de ciclos catalíticos que um catalisador ativado realiza antes de ser inativado: sua velocidade catalítica vezes seu tempo de vida ativo. ∎

Proposição 19.5 (Os receptores tirosina quinase e o cálcio)

Uma segunda família de receptores de superfície — para a insulina, para os fatores de crescimento que comandam a divisão celular, para os sinais indutores do desenvolvimento — é a dos receptores tirosina quinase: proteínas de passagem única que, quando seu ligante aproxima duas delas, fosforilam uma à outra em tirosinas e criam assim sítios de ancoragem para um conjunto de proteínas adaptadoras. Delas partem várias cascatas ao mesmo tempo: uma cadeia de três quinases (a cascata das MAP quinases), que termina no núcleo e ativa os genes do crescimento; uma quinase lipídica cujo produto recruta a quinase que medeia os efeitos metabólicos da insulina — deslocar os transportadores de glicose para a membrana, ativar a síntese de glicogênio —; e outras. Um terceiro segundo mensageiro universal é o cálcio: mantido no citosol a $0.1\,\text{µ}\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ , dez mil vezes abaixo do exterior, ele entra em grande quantidade por canais abertos por um sinal ou por uma voltagem, ou sai do retículo endoplasmático em resposta ao inositol trifosfato, subindo a micromolares em milissegundos; ligado à calmodulina, ativa quinases e bombas e, ligado à troponina, desencadeia a contração (Capítulo 21). Bombas o devolvem aos estoques em um segundo. Qualquer que seja o receptor, o interior da célula fala algumas poucas línguas — AMPc, cálcio, fosforilação —, e a especificidade está nas proteínas que cada tipo celular tem para que elas atuem.

A cascata em ação. Um susto libera adrenalina da medula suprarrenal; em segundos, o coração dispara, o fígado despeja glicose e as vias aéreas se dilatam — um mensageiro, vários receptores, uma amplificação de um milhão de vezes em cada célula.

19.3 Os receptores internos

Proposição 19.6 (Os receptores nucleares)

Os esteroides, a tiroxina, o ácido retinoico e a vitamina D se difundem através da membrana e se ligam a receptores no citosol ou no núcleo que são eles mesmos fatores de transcrição: o complexo hormônio–receptor se liga a sequências específicas de DNA e liga ou desliga seus genes-alvo. A resposta é lenta — de minutos a horas para produzir o mRNA e a proteína — e duradoura: o cortisol induz as enzimas da gliconeogênese durante horas, o estradiol constrói o revestimento uterino ao longo de dias, a testosterona forma músculo ao longo de semanas, a tiroxina fixa a taxa metabólica de todas as células. Alguns esteroides também têm ações rápidas por meio de receptores de superfície, e algumas vias de superfície também chegam ao núcleo (a cascata das MAP quinases), de modo que a distinção não é absoluta; mas a regra se mantém: um mensageiro lipossolúvel muda o que uma célula é mudando seus genes, enquanto um hidrossolúvel muda o que ela faz mudando suas enzimas.

Dois modelos. Um mensageiro hidrossolúvel age na superfície e muda a atividade das enzimas em segundos; um lipossolúvel entra, se liga a um receptor que é um fator de transcrição e muda a expressão gênica ao longo de horas.

19.4 Um caso resolvido: insulina, glucagon e o valor de referência da glicose

Proposição 19.7 (Dois hormônios e um valor de referência)

A glicose do sangue é mantida perto de $5\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ ( $0.9\,\mathrm{g}/\mathrm{L}$ ) por dois hormônios antagonistas das ilhotas pancreáticas. Após uma refeição, a glicose em alta é percebida pelas células $\beta$ — que a metabolizam, fecham um canal de potássio à medida que seu ATP sobe, se despolarizam, deixam entrar cálcio e liberam insulina —, e a insulina, por meio de seu receptor tirosina quinase, faz os músculos e o tecido adiposo captarem glicose (deslocando transportadores para suas membranas), o fígado armazená-la como glicogênio e gordura, e todos os tecidos pararem de queimar gordura. Entre as refeições, a glicose em queda deixa as células $\alpha$ liberarem glucagon, que, por meio do AMPc no fígado, degrada o glicogênio e produz glicose nova a partir de aminoácidos; a adrenalina faz o mesmo mais depressa nas emergências, e o cortisol e o hormônio do crescimento, ao longo de horas. Cada hormônio é liberado em proporção ao desvio que corrige: uma retroalimentação negativa com dois efetores, um para cada sentido, e um valor de referência defendido com precisão de um quinto. O encéfalo, que queima $120\,\mathrm{g}$ de glicose por dia e não armazena nada, é o órgão que a alça protege; o diabetes tipo 1 é a perda das células $\beta$ , e seu curso sem tratamento — glicose a $20\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ , gordura queimada por falta de insulina, ácido no sangue — é o aspecto da alça com um dos braços removido.

Glicose, insulina e glucagon após uma refeição. A insulina sobe com a glicose e a faz baixar; à medida que a glicose cai em direção ao valor de referência, o glucagon sobe para mantê-la ali.

Exemplo 19.8 (Velocidade, alcance e custo dos dois sistemas)

A adrenalina no sangue chega a todas as células em cerca de um minuto (o tempo de circulação) e age durante minutos; um impulso nervoso chega a seu alvo em milissegundos e age durante milissegundos. Um hormônio custa quase nada por célula alcançada — um nanomol espalhado pelo corpo —, mas não consegue se dirigir a uma única célula; um nervo se dirige exatamente a uma célula, mas precisa construir e manter um fio até ela. O corpo usa os dois: os nervos simpáticos do Capítulo 18 agem sobre o coração e as arteríolas em um segundo, e a medula suprarrenal, ela mesma um gânglio simpático modificado, os reforça despejando a mesma molécula no sangue para o corpo inteiro. E, na sinapse, os dois modelos se encontram, pois um neurotransmissor é um mensageiro que age sobre um receptor pelos mesmos mecanismos — um canal que se abre, uma proteína G que se ativa —, apenas através de vinte nanômetros em vez de um metro.

19.5 Exercícios

Exercício 19.1 ★

Classifique como endócrino, parácrino, autócrino ou sináptico, e como hidrossolúvel ou lipossolúvel: a insulina, o cortisol, a acetilcolina numa sinapse, a histamina numa ferida, o estradiol, a adrenalina da suprarrenal, o óxido nítrico do endotélio.

Solução

Solução de Exercício 19.1.

Insulina: endócrina, hidrossolúvel (peptídeo). Cortisol: endócrino, lipossolúvel. Acetilcolina numa sinapse: sináptica, hidrossolúvel. Histamina numa ferida: parácrina, hidrossolúvel. Estradiol: endócrino, lipossolúvel. Adrenalina da suprarrenal: endócrina, hidrossolúvel. Óxido nítrico: parácrino, lipossolúvel (um gás que atravessa as membranas).

Exercício 19.2 ★

Liste as etapas que vão da adrenalina na membrana da célula hepática à glicose no sangue, e cite o mecanismo de desligamento de cada etapa.

Solução

Solução de Exercício 19.2.

A adrenalina se liga ao receptor (desligamento: dissociação, internalização do receptor); o receptor ativa a proteína G, trocando GDP por GTP (desligamento: hidrólise do GTP em segundos); a proteína G ativa a adenilil ciclase, que produz AMPc (desligamento: fosfodiesterase); o AMPc ativa a quinase A (desligamento: perda do AMPc); a quinase A fosforila a fosforilase quinase, que fosforila a glicogênio fosforilase (desligamento: fosfatases); a fosforilase libera glicose-1-fosfato do glicogênio, que é convertida e exportada como glicose.

Exercício 19.3 ★

Compare os receptores de superfície e os nucleares: o que se liga a eles, onde estão, com que rapidez agem, o que mudam.

Solução

Solução de Exercício 19.3.

Os receptores de superfície ligam mensageiros hidrossolúveis na membrana e agem em segundos por meio de segundos mensageiros e de quinases, mudando a atividade de proteínas já existentes. Os receptores nucleares ligam mensageiros lipossolúveis dentro da célula e agem em horas como fatores de transcrição, mudando quais proteínas são produzidas.

Exercício 19.4 ★

Quais são os três segundos mensageiros universais citados neste capítulo, como cada um é elevado e como cada um é removido?

Solução

Solução de Exercício 19.4.

AMP cíclico: produzido pela adenilil ciclase, destruído pela fosfodiesterase. Cálcio: entra por canais ou sai do retículo endoplasmático em resposta ao inositol trifosfato, removido por bombas. Inositol trifosfato (com o diacilglicerol): produzido pela fosfolipase C a partir de um lipídio de membrana, removido por fosfatases.

Exercício 19.5 ★★

Um receptor tem $K_d = 2\,\mathrm{nmol}/\mathrm{L}$ . Calcule a ocupação a 0.2, 2, 20 e $200\,\mathrm{nmol}/\mathrm{L}$ . Uma célula dobra seu número de receptores: o que muda, a ocupação ou o número de receptores ocupados?

Solução

Solução de Exercício 19.5.

$\theta = [L]/(K_d + [L])$ : $0.09$ , $0.5$ , $0.91$ , $0.99$ . Dobrar os receptores deixa a fração inalterada e dobra o número de receptores ocupados — e, portanto, a resposta.

Exercício 19.6 ★★

Uma cascata tem etapas com ganhos de 50, 200, 100 e 300. Calcule a amplificação total. Se o hormônio está a $1\,\mathrm{nmol}/\mathrm{L}$ e $1\,\%$ dos receptores ( $10^{4}$ por célula) está ocupado, quantas moléculas de produto a célula produz por segundo, se o ganho de cada etapa é por segundo?

Solução

Solução de Exercício 19.6.

$50\times 200\times 100\times 300 = 3\times 10^{8}$ . Cem receptores ocupados dão $3\times 10^{10}$ moléculas de produto por segundo — um limite superior, pois as etapas saturam.

Exercício 19.7 ★★

A toxina colérica trava a proteína G estimuladora em seu estado ligado ao GTP nas células intestinais. Explique, passo a passo, por que o paciente perde litros de líquido por dia, e por que o efeito persiste durante dias depois que as bactérias desaparecem.

Solução

Solução de Exercício 19.7.

A proteína G travada mantém a ciclase ativa, o AMPc permanece alto, a quinase A mantém fosforilado e aberto o canal de cloreto das células intestinais, o cloreto é secretado, e o sódio e a água o seguem para a luz — litros por dia. A trava é uma modificação covalente da proteína G, desfeita apenas quando as próprias células são substituídas, dias depois.

Exercício 19.8 ★★

O cálcio citosólico sobe de $0.1\,$ a $1\,\text{µ}\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ numa célula de $2000\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}$ quando um canal se abre. Quantos íons de cálcio entraram? Se um único canal aberto deixa passar $10^{6}$ íons por segundo, quanto tempo um único canal levou, e por que uma célula abre muitos canais ao mesmo tempo?

Solução

Solução de Exercício 19.8.

$0.9\times 10^{-6}\,\text{mol/L}\times 2\times 10^{-12}\,\text{L} = 1.8\times 10^{-18}$ mol, $1.1\times 10^{6}$ íons (na verdade mais, pois os tampões ligam a maior parte do que entra). Um único canal a $10^{6}$ por segundo levaria um segundo; mil canais o fazem em um milissegundo, que é a escala de tempo de que um sinal precisa.

Exercício 19.9 ★★

A insulina e o glucagon agem ambos sobre o fígado, um por meio de uma tirosina quinase e o outro por meio do AMPc. Explique como a célula hepática integra os dois sinais, o que acontece com o glicogênio quando ambos estão altos, e por que a razão entre eles importa mais do que cada nível.

Solução

Solução de Exercício 19.9.

As duas vias convergem sobre as mesmas enzimas: a quinase A do glucagon fosforila a glicogênio sintase (desligando-a) e a fosforilase quinase (ligando-a); a cascata da insulina ativa a fosfatase que remove os fosfatos. O estado das enzimas é fixado pelo equilíbrio entre a atividade das quinases e a das fosfatases, de modo que o que conta é a razão entre os dois hormônios; com ambos altos, a fosfatase em geral vence e o glicogênio é armazenado.

Exercício 19.10 ★★★

A adrenalina eleva o AMPc numa célula hepática em $5\,\mathrm{s}$ e a produção de glicose em $30\,\mathrm{s}$ ; o cortisol eleva as enzimas gliconeogênicas do fígado ao longo de $4\,\mathrm{h}$ . Usando a difusão, a transcrição ( $50\,$ nucleotídeos por segundo num gene de $3000\,$ nucleotídeos), a tradução ( $5\,$ aminoácidos por segundo numa proteína de $500$ resíduos) e a necessidade de acumular milhares de moléculas de enzima, explique as duas escalas de tempo.

Solução

Solução de Exercício 19.10.

Adrenalina: o AMPc se difunde através de uma célula de $20\,\text{µ}\mathrm{m}$ em menos de um segundo ( $x^{2}/2D$ com $D \approx 3 \times 10^{-10}\,\mathrm{m}^{2}/\mathrm{s}$ ), e todas as enzimas da cascata já existem — segundos. Cortisol: um transcrito leva $60\,\mathrm{s}$ , uma proteína $100\,\mathrm{s}$ ; a partir de algumas dezenas de mRNAs, cada um com uma dúzia de ribossomos, a célula produz algumas centenas de moléculas de enzima por minuto, de modo que os milhares necessários para um efeito mensurável levam horas, após os minutos de que o cortisol precisa para entrar e chegar ao DNA.

Exercício 19.11 ★★★

Uma mutação faz um receptor tirosina quinase de fator de crescimento se dimerizar, e portanto sinalizar, sem seu ligante. Preveja o comportamento da célula, explique por que essa é uma etapa comum no câncer, e diga o que faria um fármaco que bloqueia o sítio de ATP da quinase.

Solução

Solução de Exercício 19.11.

O receptor sinaliza continuamente: a cascata das MAP quinases leva a célula a se dividir sem nenhum fator de crescimento, ignorando a ausência do sinal que normalmente a contém. Como uma única mutação remove um controle sobre a divisão, esses receptores (e as quinases a jusante) estão entre os oncogenes mais comuns. Um fármaco que ocupa o sítio de ATP da quinase interrompe as fosforilações e silencia o receptor — o princípio de vários fármacos contra o câncer.

Exercício 19.12 ★★★

“O sistema endócrino transmite para todos; o sistema nervoso liga por fios.” Discuta os dois modelos quanto à velocidade, ao alcance, à especificidade e ao custo, e diga onde cada um é indispensável e onde o corpo usa ambos para a mesma mensagem.

Solução

Solução de Exercício 19.12.

Endócrino: chega a todas as células em um minuto, barato por célula, não consegue se dirigir a uma única célula, age de minutos a dias — indispensável para os estados do corpo inteiro (jejum, crescimento, reprodução). Nervoso: um milissegundo, um único alvo, fiação cara, age durante milissegundos — indispensável para o movimento e os reflexos rápidos. Os dois são usados para a mesma mensagem quando se deseja ao mesmo tempo velocidade e alcance: os nervos simpáticos e a medula suprarrenal fornecem ambos noradrenalina ou adrenalina num susto.

19.6 Problema: Um hormônio do sangue ao gene

Problema 19.1

Problema de fim de semana — a adrenalina acompanhada da glândula suprarrenal até a glicose de uma célula hepática, com sua concentração, a ocupação dos receptores, o ganho da cascata e o tempo calculados, depois o cortisol acompanhado até um gene, e a alça da glicose analisada, até a ocupação, a amplificação e o tempo que cada hormônio leva

Dados: a medula suprarrenal libera $1\,\mathrm{nmol}$ de adrenalina em $5\,\mathrm{L}$ de sangue num susto; o $K_d$ da adrenalina no receptor hepático é $1\,\mathrm{nmol}/\mathrm{L}$ ; uma célula hepática ( $5000\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}$ ) tem $2\times 10^{4}$ receptores. Ganhos da cascata por segundo de ativação: receptor $\to$ proteína G 20, proteína G $\to$ AMPc 100 (o número de ciclos da ciclase durante os 3 segundos de vida da proteína G), AMPc $\to$ quinase A 1 (estequiométrico), quinase A $\to$ fosforilase quinase 50, $\to$ fosforilase 50, $\to$ glicose 1000. O fígado contém $100\,\mathrm{g}$ de glicogênio. Cortisol: transcrição a $50\,$ nucleotídeos por segundo num gene de $4000\,$ nucleotídeos, tradução a $5\,$ resíduos por segundo numa enzima de $600$ resíduos, $20$ ribossomos por mRNA, $100$ mRNAs produzidos por hora, um efeito que exige $10^{5}$ moléculas de enzima.

Parte I — O hormônio chega.

Calcule a concentração plasmática de adrenalina após a liberação, desprezando sua remoção.
Calcule a ocupação dos receptores e o número de receptores ocupados por célula hepática.
A adrenalina é removida com uma meia-vida de $2\,\mathrm{min}$ . Qual é sua concentração, e a ocupação, após $6\,\mathrm{min}$ ?
Quanto tempo a adrenalina leva para ir da suprarrenal ao fígado, dado um tempo de circulação de cerca de um minuto? Por que o nervo simpático do fígado age mais depressa?
Uma célula com $2\times 10^{5}$ receptores e o mesmo $K_d$ : o que muda?
Por que o $K_d$ está ajustado à concentração circulante — o que faria um receptor com $K_d = 1\,\text{µ}\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ diante de um hormônio nanomolar?

Parte II — A cascata.

Calcule o ganho total, de um receptor ocupado até as moléculas de glicose por segundo.
Calcule as moléculas de AMPc que a célula produz no primeiro segundo e a concentração que elas atingem em seu volume.
Calcule a produção de glicose de uma célula hepática por segundo com a ocupação da questão 2, e por minuto.
O fígado tem $2\times 10^{11}$ células. Calcule a produção que os ganhos preveem, em gramas por minuto, e compare com os $5\,\mathrm{g}/\mathrm{min}$ observados de fato. O que limita a produção real?
Quanto tempo os $100\,\mathrm{g}$ de glicogênio durariam nesse ritmo? Por que eles não se esgotam num susto?
Cite o mecanismo de desligamento de cada etapa amplificadora e diga qual age mais depressa.
Há um inibidor da fosfodiesterase (a cafeína) presente. Preveja o efeito sobre a cascata e sobre a produção de glicose.

Parte III — Do cortisol ao gene.

Calcule o tempo para transcrever um mRNA.
Calcule o tempo para traduzir uma molécula de enzima e o número de moléculas de enzima por mRNA por hora (cada mRNA vivendo uma hora, com os ribossomos começando um após o outro).
Calcule as moléculas de enzima produzidas por hora a partir dos $100$ mRNAs e o tempo para chegar a $10^{5}$ .
Acrescente o tempo para o cortisol entrar, se ligar e chegar ao DNA (minutos) e explique as $4\,\mathrm{h}$ observadas.
Por que o corpo não usaria uma cascata como a da adrenalina para a função do cortisol, e por que não usaria o mecanismo do cortisol para um susto?
O cortisol também aumenta o número de receptores de adrenalina nas células hepáticas. Explique como um hormônio lento pode amplificar um rápido, e o que isso faz com a curva de ocupação do hormônio rápido.

Parte IV — A alça.

Após uma refeição, a glicose sobe de 5 para $8\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ . Descreva a resposta da célula $\beta$ , da glicose à liberação de insulina, indicando o acoplamento.
A insulina age por meio de uma tirosina quinase; o glucagon, por meio do AMPc. Explique por que uma única célula pode obedecer aos dois e como as enzimas do glicogênio do fígado são reguladas pela razão entre eles.
Um paciente não tem células $\beta$ . Preveja a glicose em jejum e após as refeições, e explique por que a gordura é queimada e surge ácido.
A insulina injetada não tem retroalimentação. Explique o perigo de uma corrida excepcionalmente longa com a dose habitual.
Compare a alça da glicose com o barorreflexo do Capítulo 18: sensor, efetores, ganho, velocidade.
Enuncie o resultado: a ocupação da adrenalina após a liberação, o ganho da cascata, a produção de glicose do fígado e o tempo que o cortisol leva.

Solução

Solução de Problema 19.1.

1. $1\,\text{nmol}/5\,\text{L} = 0.2\,\mathrm{nmol}/\mathrm{L}$ . 2. $\theta = 0.2/1.2 = 0.17$ : cerca de 3300 receptores ocupados. 3. Três meias-vidas: $0.025\,\mathrm{nmol}/\mathrm{L}$ ; $\theta = 0.024$ . 4. Entre meio minuto e um minuto, o tempo que o sangue leva para dar a volta; o nervo entrega seu transmissor diretamente ao fígado em um segundo. 5. A mesma fração, mas $33\,000$ receptores ocupados: uma resposta dez vezes maior. 6. A $1\,\mathrm{nmol}/\mathrm{L}$ , um receptor com $K_d = 1\,\text{µ}\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ fica ocupado a um milésimo: nenhuma resposta. Ajustar o $K_d$ à faixa circulante coloca a parte íngreme da curva de ocupação onde o hormônio de fato varia. 7. $20\times 100\times 1\times 50\times 50\times 1000 = 5\times 10^{9}$ moléculas de glicose por segundo por receptor ocupado. 8. $3300\times 20\times 100 = 6.6\times 10^{6}$ AMPc no primeiro segundo; em $5 \times 10^{-12}\,\mathrm{L}$ , $1.1\times 10^{-17}$ mol, cerca de $2\,\text{µ}\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ . 9. $3300\times 5\times 10^{9} = 1.7\times 10^{13}$ por segundo, $2\times 10^{13}$ por minuto por célula. 10. $2\times 10^{11}$ células $\times 10^{15} = 2\times 10^{26}$ moléculas por minuto, 330 mol, $6 \times 10^{4}\,\mathrm{g}$ por minuto — dez mil vezes os $5\,\mathrm{g}/\mathrm{min}$ observados. Os ganhos só se multiplicam enquanto nenhuma etapa está saturada; na realidade, a fosforilase é limitada por seu substrato e pelas fosfatases, e a exportação da glicose pelos transportadores. O ganho da cascata é gasto em velocidade e sensibilidade, e não em produção. 11. A $5\,\mathrm{g}/\mathrm{min}$ , vinte minutos; o susto termina em minutos, e os mecanismos de desligamento param a cascata muito antes. 12. A hidrólise do GTP pela proteína G (segundos); a fosfodiesterase sobre o AMPc (segundos); as fosfatases sobre as enzimas fosforiladas (de segundos a minutos); a dessensibilização dos receptores (minutos). Os mais rápidos são o relógio próprio da proteína G e a fosfodiesterase. 13. O AMPc não é destruído: ele se acumula e persiste, a quinase continua ativa, e a produção de glicose é maior e dura mais — o estado de alerta do café. 14. $4000/50 = 80\,\mathrm{s}$ . 15. $600/5 = 120\,\mathrm{s}$ por enzima por ribossomo; 30 por ribossomo por hora, 600 por mRNA por hora. 16. $100\times 600 = 60\,000$ enzimas por hora; $10^{5}$ após cerca de $1.7\,\mathrm{h}$ . 17. De dez a vinte minutos para o cortisol entrar, se ligar e chegar a seus genes, uma hora até que os primeiros mRNAs sejam numerosos e traduzidos, depois duas horas de acúmulo: cerca de quatro horas. 18. Uma cascata muda a atividade de enzimas que já existem; a função do cortisol é mudar quais enzimas existem, durante dias, o que só a transcrição pode fazer. Um susto não pode esperar quatro horas por enzimas novas. 19. Mais receptores significam mais receptores ocupados em qualquer concentração de adrenalina: a fração de ocupação não muda, mas a resposta em cada concentração é maior — a curva é ampliada, e não deslocada. Um hormônio lento fixa o ganho de um rápido. 20. A glicose entra na célula $\beta$ e é metabolizada; o ATP sobe e fecha um canal de potássio sensível ao ATP; a membrana se despolariza; canais de cálcio dependentes de voltagem se abrem; o cálcio desencadeia a exocitose dos grânulos de insulina — o metabolismo acoplado à secreção por uma etapa elétrica. 21. Os dois receptores iniciam duas vias que convergem sobre as mesmas enzimas: a quinase A do glucagon as fosforila, a cascata da insulina ativa a fosfatase que as desfosforila; o estado das enzimas, e portanto o sentido do metabolismo do glicogênio, segue a razão entre os dois. 22. Glicemia de jejum alta (o fígado, sem freio, continua a produzir glicose), glicemia pós-refeição muito alta (sem captação pelos músculos e pelo tecido adiposo); sem insulina, as reservas de gordura liberam ácidos graxos, que o fígado converte em cetoácidos — cetoacidose. 23. O músculo em atividade capta glicose sem insulina, de modo que, numa corrida longa, a glicose cai enquanto a insulina injetada, sem regulação, continua suprimindo o fígado: hipoglicemia e colapso. 24. Alça da glicose: sensores, as células $\beta$ e $\alpha$ ; dois hormônios efetores para os dois sentidos; um ganho alto, que mantém o nível com precisão de um quinto; minutos para agir. Barorreflexo: receptores de estiramento, o coração e os vasos como efetores, ganho de cerca de quatro, um segundo para agir. 25. Ocupação de $0.17$ após a liberação; ganho de $5\times 10^{9}$ por segundo por receptor ocupado; produção do fígado de $5\,\mathrm{g}/\mathrm{min}$ na realidade; o cortisol leva cerca de quatro horas.

Termos definidos neste capítulo

Tipos de sinalização química

Ver todos os 479 termos do glossário